波前傳感器及波前測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及波前測量，特別是一種波前傳感器及波前測量方法。
【背景技術】
[0002] 波前測量技術在現(xiàn)代物理學、生物醫(yī)學W及工程技術等領域發(fā)揮著越來越重要的 作用。光柵剪切干設波前測量技術具有不需要參考波面、抗環(huán)境干擾、測量動態(tài)范圍大等優(yōu) 點，在光束準直性測量、光學系統(tǒng)波像差測量和光學元件表面面形測量等領域得到了廣泛 的應用。
[0003] 一種改進型的哈特曼掩膜，由占空比為2/3的交叉光柵、占空比為1/2的位相 光柵組成，其中，位相光柵的周期為交叉光柵的2倍，該組合光柵消除了 3級及其倍數(shù) 衍射級次（參見在先技術l，J.Primot,andN.Guerineau,"ExtendedHartmanntest basedonthepseudoguidingpropertyofaHartmannmaskcompletedbyaphase chessboard",Appl.Opt. 39 (31)，5715-5720, 2000)，已應用于波前測量、X射線成像等領域。 改進型哈特曼掩膜用于剪切干設測量時，在任一位置上皆能得到較高對比度的干設圖。該 組合光柵中，5級、7級等高階衍射級次之間相互干設，影響波前測量精度。一種隨機編碼 的混合光柵，采用隨機編碼振幅光柵和位相光柵組成（參見在先技術2,T.Ling,化Liu,X. Yue,Y.Yang,Y.Shen,andJ.Bai,"Quadriwavelateralshearinginterferometerbased onarandomlyencodedhybridgrating",Opt.Lett. 40(10), 2245-2248, 2015)，位相光柵 的周期為振幅光柵的2倍，該光柵只包含四個衍射級次，在剪切干設測量中皆能得到高對 比度的干設圖，其測量精度不受高階衍射級次的影響，性能明顯優(yōu)于改進型的哈特曼掩膜。 然而，隨機編碼混合光柵中，隨機編碼振幅光柵的制造難度大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術的不足，提供一種波前傳感器及波前測量方 法。 陽005] 本發(fā)明的技術解決方案如下，
[0006] 一種波前傳感器，其特點在于，該裝置包括二維隨機編碼混合光柵和探測器；
[0007] 所述的二維隨機編碼混合光柵是X、y方向光柵周期相同的二維光柵，由周期為 T/2的隨機編碼振幅光柵和周期為T的棋盤式位相光柵組成，二維隨機編碼混合光柵的周 期為T，棋盤式位相光柵的中屯、波長為A。，相鄰位相單元在中屯、波長處的相位變化量為31， 占空比為50% ;
[0008] 所述的隨機編碼振幅光柵是透射率被量化的振幅光柵，首先，將每個周期分為 NXN個子網(wǎng)格，再將子網(wǎng)格細分為MXM個像素，所述的N為不小于5的正整數(shù)，M= 2,像 素值為1表示透光，像素值為0表示不透光，每個子網(wǎng)格的透射率為子網(wǎng)格內(nèi)所有像素值之 和，子網(wǎng)格中透光的像素個數(shù)為： CN1051巧417A 說明書 2/3頁
[0010] 其中，（X,y)表示坐標點，函數(shù)round表示四舍五入運算，函數(shù)floor表示向下取 整數(shù)運算。該子網(wǎng)格內(nèi)F(x，y)個像素透光，其余像素不透光。透射率量化后的隨機編碼振 幅光柵的歸一化振幅強度采用下列公式表示為：
[0012] 所述的探測器是照相機、CCD、CMOS圖像傳感器、陽EM，或二維光電探測器陣列。
[0013] 一種利用上述波前傳感器進行波前測量的方法，其特征在于該方法包含下列步 驟，
[0014] 1)平行光束照射在波前傳感器的二維隨機編碼混合光柵上，所述的探測器記錄干 設圖I;
[0015] 2)根據(jù)二維隨機編碼混合光柵的周期T、光源的輸出光的波長A、光束的有效直 徑D、探測器與二維隨機編碼混合光柵之間的間距Z按下式確定剪切率S，
[0017] 3)探測器采集得到的干設圖I傳入計算機，在計算機中將干設圖I進行傅里葉變 換得到頻譜圖，在頻譜圖中分別濾出X和y方向的2級頻譜，將2級頻譜分別平移到中屯、， 然后逆傅里葉變換，解相位包裹，分別得到X方向的差分波前AWy，y方向的差分波前AWy;
[0018] 4)將差分波前AWy、AWy進行波前重建，得到被測波前W(x，y)。
[0019]與在先技術相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點，
[0020] 1.與在先技術山相比，本發(fā)明中高階衍射級次不影響測量精度，干設對比度更 局。
[0021] 2.與在先技術[2]相比，相同光柵周期時，本發(fā)明中二維隨機編碼振幅光柵像素 的尺寸更大，制造成本更低。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明波前傳感器進行波前測量的示意圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明波前傳感器的示意圖；
[0024] 圖3是計算機仿真的二維隨機編碼混合光柵（a)及衍射級次的歸一化振幅化）；
[0025] 圖4是干設圖的頻譜圖中得到被測波前的流程圖；
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應W此實施例限制本發(fā)明的 保護范圍。
[0027] 一種波前傳感器1，包括二維隨機編碼混合光柵101和探測器102;
[0028] 所述的二維隨機編碼混合光柵101是X、y方向光柵周期相同的二維光柵，由周期 為50ym的隨機編碼振幅光柵1011和周期為100ym的棋盤式位相光柵1012組成，二維隨 機編碼混合光柵101的周期T為100ym，棋盤式位相光柵1012的中屯、波長為532皿，占空 比為50%，相鄰位相單元在中屯、波長處的相位變化量為31，探測器CCD102與光柵101之間 的間距為1cm，波前傳感器1的通光口徑為1cm。
[0029] 所述的隨機編碼振幅光柵1011是透射率被量化的振幅光柵，首先，將每個周期分 為5X5(N= 5)個子網(wǎng)格，再將子網(wǎng)格細分為2X2 (M= 2)個像素，像素值為1表示透光， 像素值為0表示不透光，每個子網(wǎng)格的透射率為子網(wǎng)格內(nèi)所有像素值之和，子網(wǎng)格中透光 的像素個數(shù)為，
[0031]其中，（x，y)表示坐標點，函數(shù)round表示四舍五入運算，函數(shù)floor表示向下取 整數(shù)運算。該子網(wǎng)格內(nèi)F(x，y)個像素透光，其余像素不透光。透射率量化后的振幅光柵的 歸一化振幅強度采用下列公式表示為，
[003引所述的探測器102是照相機、CCD、CMOS圖像傳感器、陽EM，或二維光電探測器陣 列。
[0034] 一種利用上述波前傳感器1進行波前測量的方法，該方法包含下列步驟，
[0035] 1)平行光束照射在波前傳感器1的二維隨機編碼混合光柵101上，所述的CCD102 記錄干設圖I;
[0036]。根據(jù)二維隨機編碼混合光柵101的周期T、光源1的輸出光的波長A、光束直徑 D、探測器102與二維隨機編碼混合光柵101之間的間距Z按下式確定剪切率S，
[0038] 3)所述的探測器102采集得到的干設圖I傳入計算機2,在計算機2中將干設圖 I進行傅里葉變換得到頻譜圖，在頻譜圖中分別濾出X和y方向的2級頻譜，將2級頻譜分 別平移到中屯、，然后逆傅里葉變換，解相位包裹，分別得到X方向的差分波前AWy，y方向的 差分波前AWy;
[0039] 4)將差分波前AW,、AWy進行波前重建，得到被測波前W(X，y)。
[0040] 結(jié)果表明，波前傳感器中二維隨機編碼混合光柵的高階衍射級次不影響波前的測 量精度，同時隨機編碼振幅光柵的結(jié)構簡單，降低了加工制造難度。
【主權項】
1. 一種波前傳感器，其特征在于，包括二維隨機編碼混合光柵（101)和探測器（102)， 所屬地二維隨機編碼混合光柵（101)位于探測器（102)的前方；所述的二維隨機編碼混合 光柵（101)是x、y方向周期相同的二維光柵，由周期為T/2的隨機編碼振幅光柵（1011)和 周期為T的棋盤式位相光柵（1012)組成；二維隨機編碼混合光柵（101)的周期為T;棋盤 式位相光柵（1012)的中心波長為A。，占空比為50%，相鄰的位相單兀在中心波長處的相 位變化量為31 ; 所述的隨機編碼振幅光柵（1011)是透射率被量化的振幅光柵，首先，將每個周期分為NXN個子網(wǎng)格，再將子網(wǎng)格細分為MXM個像素，所述的N為不小于5的正整數(shù)，M= 2,像 素值為1表示透光，像素值為〇表示不透光，每個子網(wǎng)格的透射率為子網(wǎng)格內(nèi)所有像素值之 和，子網(wǎng)格中透光的像素個數(shù)為：其中，（x，y)表示坐標點，函數(shù)round表示四舍五入運算，函數(shù)floor表示向下取整數(shù) 運算；該子網(wǎng)格內(nèi)F(x，y)個像素透光，其余像素不透光，透光像素的位置隨機指定；透射率 量化后的隨機編碼振幅光柵（1011)的歸一化振幅強度采用下列公式表示：2. 根據(jù)權利要求1所述的波前傳感器，其特征在于，所述的探測器（102)是照相機、 (XD、CMOS圖像傳感器、PEEM，或二維光電探測器陣列。3. 利用權利要求1所述的波前傳感器進行波前測量的方法，其特征在于，該方法包含 下列步驟： 1) 平行光束照射在波前傳感器（1)的二維隨機編碼混合光柵（101)上，所述的探測器 (102)記錄干涉圖I; 2) 根據(jù)二維隨機編碼混合光柵（101)的周期T、光源的輸出光的波長A、光束的有效直 徑D、探測器（102)與二維隨機編碼混合光柵（101)之間的間距z按下式確定剪切率s， Xz s =--iTB 3) 所述的探測器（102)采集得到的干涉圖I傳入所述的計算機（2)，在計算機⑵中將 干涉圖I進行傅里葉變換得到頻譜，在頻譜圖中分別濾出x和y方向的2級頻譜，將2級頻 譜分別平移到中心，然后進行逆傅里葉變換，解相位包裹，分別得到x方向的差分波前AWx 和y方向的差分波前AWy; 4) 將差分波前AWX、AWy進行波前重建，得到被測波前W(x，y)。
【專利摘要】一種波前傳感器及波前測量方法，其特征在于，該波前傳感器包括二維隨機編碼混合光柵、探測器，二維隨機編碼混合光柵由隨機編碼振幅光柵和棋盤式位相光柵組成，優(yōu)化了隨機編碼振幅光柵的像素尺寸，降低了加工難度，同時不影響波前測量精度。
【IPC分類】G01B9/02
【公開號】CN105115417
【申請?zhí)枴緾N201510398987
【發(fā)明人】李 杰, 唐鋒, 王向朝, 戴鳳釗
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年7月9日