CN103033272A - 一种同步移相横向剪切干涉仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步移相横向剪切干涉仪及检测方法，属于精密测量的技术领域。所述同步移相横向剪切干涉仪包括置于壳体内的光学元器件。包括两个在主光轴上依次同心设置且垂直于栅线的衍射光栅，平行于光栅设置的空间滤波器，与空间滤波器呈四十五度夹角设置的分束镜，镜像分布在分束镜两侧的剪切板组，与衍射光垂直的CCD图像传感器。所述同步移相横向剪切干涉仪的检测方法通过调节两个剪切板之间的夹角与距离实现同步移相。本发明通过调节剪切板之间的距离和夹角来避免复杂机械运动，同时达到移相效果；在同一采集图像上可同步获取多幅一维移相剪切干涉图，可在后续的算法中消除外界环境对每幅干涉图的影响，大大降低对环境的要求；操作简单。

Description

一种同步移相横向剪切干涉仪及检测方法

技术领域

本发明公开了一种同步移相横向剪切干涉仪及检测方法，属于精密测量的技术领域。

背景技术

现有的波前测试技术主要有四类：由光束波前的斜率来反演波前，如哈特曼、夏克-哈特曼波前传感器，其中哈特曼法每检测一个系统就要制造匹配的哈特曼光阑，成本很高，而夏克-哈特曼法空间分辨率不高，不能精确反应细节部分；由光束波前的曲率来反演波前，如曲率波前传感器，重构精度较低；由光束的聚焦光斑来反演波前，如线性相位波前传感器，只适用于待测波前畸变较小时；由光束产生的干涉条纹来反演波前，如斐索干涉法、泰曼-格林干涉法、剪切干涉仪等，测试精度高，但需引入参考平面波，对环境稳定性或测试装置的防震性能要求较高；横向剪切干涉仪测试精度高且用被检波面本身错位后形成的两个波面发生干涉，不需另外引入参考波，简化系统结构且光路对机械震动、温度扰动及空气流动都不敏感，系统稳定。

在现有的移相横向剪切干涉仪中，常采用PZT改变干涉光间的光程差来实现相移，PZT需按照一定时间顺序进行机械运动来保证，各移相干涉图是探测器在同一空间位置不同时刻探测到的，而移相原理要求在移相过程中图像背景、对比度以及被测相位都稳定不变，因此测量结果必然受到外界环境的影响。

现在已有的移相横向剪切仪有如下几种：

（一）基于单剪切元件的移相横向剪切仪器：需要移相元件高精度地机械运动产生相移，在时间域内获取多幅干涉图，对外界环境的影响比较敏感；

（二）双剪切干涉波面测量仪：利用偏振移相的原理机械旋转检偏器产生相移，通过平行板实现剪切干涉图，在时间域内获取多幅干涉图，对外界环境的影响比较敏感；

（三）基于马赫-曾德尔型的剪切波面测量仪：采用PZT按照一定时间顺序进行机械运动实现移相，对于移相干涉图的获取需要在时间域进行，环境的变化将对测量结果产生影响；通过四个反射平板设置在一定的空间姿态下实现剪切，反射平板的反射表面面形误差和空间定位误差将降低系统的测量精度。

可见：现有的移相横向剪切仪存在需要连续机械运动移相元件产生相移，操作繁琐；在时间域内获取的多幅干涉图容易受外界环境的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种同步移相横向剪切干涉仪及检测方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种同步移相横向剪切干涉仪，包括置于壳体内的光学元器件、高速图像采集卡和计算机，所述光学元器件包括两个在主光轴上依次同心设置且垂直于栅线的衍射光栅，平行于光栅设置的空间滤波器，与空间滤波器呈四十五度夹角设置的分束镜；

所述光学元器件还包括：两个剪切板组，两个CCD图像传感器；所述两个剪切板组镜像分布在分束镜两侧，两个CCD图像传感器与剪切板组反射光方向垂直。

所述一种同步移相横向剪切干涉仪的剪切板组包括两个平行设置的剪切板。

所述一种同步移相横向剪切干涉仪中，衍射光栅为振幅型Ronchi光栅。

一种如权利要求3所述的同步移相横向剪切干涉仪的检测方法，包括如下步骤：

步骤1，调整两个衍射光栅的栅线方向平行，根据干涉图间距以及衍射光栅与主光轴的夹角设置两个光栅间隔距离；

步骤2，在空间滤波器上等间隔设置N个平行于栅线的狭缝，实现对两光栅衍射光束中（±m，±n）级衍射光通过；

其中：m，n为非负整数，分别表示两个衍射光栅的衍射级次；N为大于等于3的整数，取值取决于计算一维剪切干涉波面时采用的移相算法步数；

步骤3，对于每一个剪切板组：调节两个剪切板之间的空隙距离以获得干涉图像并调节横向剪切量，调节两个剪切板之间的夹角获得所需移相量来位移干涉图像；

步骤4，调节两个光栅之间的距离，以调整干涉图像之间的距离；

步骤5，CCD图像传感器采集的X向剪切干涉图与Y向剪切干涉图，计算机同步采集CCD图像传感器的输出值并根据条纹处理算法计算待测波前分布。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）可以同步获取两组一维移相横向剪切干涉图（X向剪切、Y向剪切），由于多幅干涉图是在同一时刻获取的，外界环境对每幅干涉图的影响相同，可在后续的算法中消除，因此大大降低对环境的要求。

（2）在移相剪切干涉图获取过程中，相移的实现不需要机械运动机构：对于所需的移相量、横向剪切量可在测试前通过调整双平板夹角和间距实现。

（3）在一维移相剪切干涉图获取的过程中，移相剪切的实现是通过共光路光学系统衍射光栅、滤波器和双剪切平板实现的，且在同一采集图像上可同步获取多幅一维移相剪切干涉图，操作简单。

附图说明

图1为同步移相横向剪切干涉仪的光路示意图。

图2为本发明在被测光束口径为φ10mm、双剪切平板夹角为1.4arcs、空隙距离为5mm时获得的移相90°的三幅横向剪切移相干涉图（X向剪切）。

图3为本发明在被测光束口径为φ10mm、双剪切平板夹角为0.9arcs、空隙距离为3mm时获得的移相60°时的三幅横向剪切移相干涉图（X向剪切）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地说明：

图1为本发明同步移相横向剪切干涉仪实施例的结构示意图。由图可见，本发明所述同步移相横向剪切干涉仪包括光学元器件、高速图像采集卡和计算机，所述光学元器件置于壳体内，光学元器件包括两个在主光轴上依次同心设置垂直于栅线的光栅，平行于光栅设置的空间滤波器，与空间滤波器呈45°夹角设置的分束镜。光学器件还包括：两个剪切板组，两个CCD图像传感器，两个剪切板组镜像分布在分束镜两侧，两个CCD图像传感器与剪切板组反射光方向垂直。高速图像采集卡的输入端与两个CCD图像传感器的输出端连接，输出端与计算机连接。

每个剪切板组包含两个平行设置的剪切板：剪切板1与光轴成45°，剪切板1可相对于剪切板2做平移，剪切板2可做俯仰和偏摆运动；剪切板1前表面和剪切板2后表面均镀有增透膜。

衍射光栅1、衍射光栅2均为振幅型Ronchi光栅，周期为1μm~10μm，厚度0.5~2mm。

一种同步移相横向剪切干涉仪的检测方法，采用如图1所示的同步移相横向剪切干涉仪，具体包括如下步骤：

步骤1，调整两个衍射光栅栅线方向严格平行，设置两个光栅间隔的初始距离为10mm，衍射光栅1可根据干涉图间距在0~150mm范围内移动，光栅间隔d与干涉图间距D之间的关系如下：

$d=\frac{D}{\tan {\mathrm{\θ}}_1}$

其中：D为干涉图间距，θ1为衍射光栅1的一级衍射光束衍射角。

步骤2，在空间滤波器上等间隔设置三个平行于栅线的狭缝，实现对两光栅衍射光束中（1，-1），（0,0），（-1,1）级衍射光通过。

设置剪切板组中两个剪切板的间距为5mm，剪切板1可在0~10mm范围内平移；两个剪切板的夹角α=1arcs，剪切板2可在0~0.5°范围内高精度连续旋转。剪切板1后表面和剪切板2前表面反射回的两个波面产生横向剪切，由双剪切板间夹角α引起的空隙距离变化实现同步移相。

步骤3，对于每一个剪切板组：调节两个剪切板之间的空隙距离以获得干涉图像并调节横向剪切量，调节两个剪切板之间的夹角获得所需移相量来位移干涉图像；

步骤4，调节两个光栅之间的距离，以调整干涉图像之间的距离。

鉴于所述同步移相剪切干涉仪中，两个剪切板组是关于分束镜镜像分布的，为保证同时获得X向剪切干涉图像和Y向剪切干涉图像，需将两个剪切板组剪切方向设置相差90°，调节X向干涉图像与Y向干涉图像干涉条纹相互垂直。两个剪切板组剪切方向设置相差90°是通过在分束镜两侧镜像设置剪切板组实现的。

步骤5，X向剪切干涉图与Y向剪切干涉图的采集主要由两个CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合原件）图像传感器、双通道高速图像采集卡和计算机完成。双通道高速图像采集卡将两个CCD图像传感器接收的图像进行A/D转换，变换为数字信号后送入计算机，实现两组干涉图数据的同步采集，然后根据条纹处理算法计算待测波前分布。由光栅0级衍射光束透过率与±1级衍射光束的衍射效率不同引起的三幅干涉图光强不一致（中央干涉图光强大于边缘两幅干涉图）对测量精度的影响，可通过后续数据处理时给干涉图引入校正系数（0级衍射光束透过率与±1级衍射光束衍射效率之比的平方）加以校正。

对被测光束口径为φ10mm、波长为632.8nm的计算机模拟产生的待测光束进行波前检测，其干涉图由CCD图像传感器接收。

（1）当光束在剪切板1的入射角为45°，双剪切板夹角为1.4arcs，剪切板间空隙厚度为5mm时，横向剪切量可达到7.1mm，CCD图像传感器上可得到如图2（a）、图2（b）、图2（c）所示的移相干涉图一维横向剪切移相干涉图(X向剪切)，三幅剪切干涉图逐次移相90°。

（2）当光束在剪切板1的入射角为45°，双剪切板夹角为0.9arcs，剪切板间空隙厚度为3mm时，横向剪切量可达到4.3mm，CCD图像传感器上可得到如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示的一维横向剪切移相干涉图(X向剪切)，三幅剪切干涉图逐次移相60°。

从图中可明显地看出干涉条纹各自在三幅干涉图像中依次发生了位移。可见本发明所述的同步移相横向剪切干涉仪及其检测方法通过调节剪切板之间的距离和夹角来避免复杂机械运动，同时达到移相效果；在同一采集图像上可同步获取三幅一维移相剪切干涉图，可在后续的算法中消除外界环境对每幅干涉图的影响，因此大大降低对环境的要求；同时具有操作简单的优点。

Claims (4)

1.一种同步移相横向剪切干涉仪，包括置于壳体内的光学元器件、高速图像采集卡和计算机，所述光学元器件包括两个在主光轴上依次同心设置且垂直于栅线的衍射光栅，平行于光栅设置的空间滤波器，与空间滤波器呈四十五度夹角设置的分束镜；

其特征在于所述光学元器件还包括：两个剪切板组，两个CCD图像传感器；所述两个剪切板组镜像分布在分束镜两侧，两个CCD图像传感器与剪切板组反射光方向垂直。

2.根据权利要求1所述的一种同步移相横向剪切干涉仪，其特征在于所述剪切板组包括两个平行设置的剪切板。

3.根据权利要求1或2所述的一种同步移相横向剪切干涉仪，其特征在于所述衍射光栅为振幅型Ronchi光栅。

4.一种如权利要求3所述的同步移相横向剪切干涉仪的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

       步骤1，调整两个衍射光栅的栅线方向平行，根据干涉图间距以及衍射光栅与主光轴的夹角设置两个光栅间隔距离；

       步骤2，在空间滤波器上等间隔设置N个平行于栅线的狭缝，实现对两光栅衍射光束中（±m，±n）级衍射光通过；

其中：m，n为非负整数，分别表示两个衍射光栅的衍射级次；N为大于等于3的整数，取值取决于计算一维剪切干涉波面时采用的移相算法步数；

步骤3，对于每一个剪切板组：调节两个剪切板之间的空隙距离以获得干涉图像并调节横向剪切量，调节两个剪切板之间的夹角获得所需移相量来位移干涉图像；

步骤4，调节两个光栅之间的距离，以调整干涉图像之间的距离；

步骤5，CCD图像传感器采集的X向剪切干涉图与Y向剪切干涉图，计算机同步采集CCD图像传感器的输出值并根据条纹处理算法计算待测波前分布。

Images