CN105115417B - 波前传感器及波前测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种波前传感器及波前测量方法，其特征在于，该波前传感器包括二维随机编码混合光栅、探测器，二维随机编码混合光栅由随机编码振幅光栅和棋盘式位相光栅组成，优化了随机编码振幅光栅的像素尺寸，降低了加工难度，同时不影响波前测量精度。

Description

波前传感器及波前测量方法
技术领域
本发明涉及波前测量，特别是一种波前传感器及波前测量方法。
背景技术
波前测量技术在现代物理学、生物医学以及工程技术等领域发挥着越来越重要的作用。光栅剪切干涉波前测量技术具有不需要参考波面、抗环境干扰、测量动态范围大等优点，在光束准直性测量、光学系统波像差测量和光学元件表面面形测量等领域得到了广泛的应用。
一种改进型的哈特曼掩膜，由占空比为2/3的交叉光栅、占空比为1/2的位相光栅组成，其中，位相光栅的周期为交叉光栅的2倍，该组合光栅消除了3级及其倍数衍射级次(参见在先技术1，J.Primot,and N.Guerineau,“Extended Hartmann test based on thepseudoguiding property of a Hartmann mask completed by a phase chessboard”,Appl.Opt.39(31),5715-5720,2000)，已应用于波前测量、X射线成像等领域。改进型哈特曼掩膜用于剪切干涉测量时，在任一位置上皆能得到较高对比度的干涉图。该组合光栅中，5级、7级等高阶衍射级次之间相互干涉，影响波前测量精度。一种随机编码的混合光栅，采用随机编码振幅光栅和位相光栅组成(参见在先技术2，T.Ling,D.Liu,X.Yue,Y.Yang,Y.Shen,and J.Bai,“Quadriwave lateral shearing interferometer based on arandomly encoded hybrid grating”,Opt.Lett.40(10),2245-2248,2015)，位相光栅的周期为振幅光栅的2倍，该光栅只包含四个衍射级次，在剪切干涉测量中皆能得到高对比度的干涉图，其测量精度不受高阶衍射级次的影响，性能明显优于改进型的哈特曼掩膜。然而，随机编码混合光栅中，随机编码振幅光栅的制造难度大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种波前传感器及波前测量方法。
本发明的技术解决方案如下，
一种波前传感器，其特点在于，该装置包括二维随机编码混合光栅和探测器；
所述的二维随机编码混合光栅是x、y方向光栅周期相同的二维光栅，由周期为T/2的随机编码振幅光栅和周期为T的棋盘式位相光栅组成，二维随机编码混合光栅的周期为T，棋盘式位相光栅的中心波长为λ0，相邻位相单元在中心波长处的相位变化量为π，占空比为50％；
所述的随机编码振幅光栅是透射率被量化的振幅光栅，首先，将每个周期分为N×N个子网格，再将子网格细分为M×M个像素，所述的N为不小于5的正整数，M＝2，像素值为1表示透光，像素值为0表示不透光，每个子网格的透射率为子网格内所有像素值之和，子网格中透光的像素个数为：
其中，(x,y)表示坐标点，函数round表示四舍五入运算，函数floor表示向下取整数运算。该子网格内F(x,y)个像素透光，其余像素不透光。透射率量化后的随机编码振幅光栅的归一化振幅强度采用下列公式表示为：
所述的探测器是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
一种利用上述波前传感器进行波前测量的方法，其特征在于该方法包含下列步骤，
1)平行光束照射在波前传感器的二维随机编码混合光栅上，所述的探测器记录干涉图I；
2)根据二维随机编码混合光栅的周期T、光源的输出光的波长λ、光束的有效直径D、探测器与二维随机编码混合光栅之间的间距z按下式确定剪切率s，
3)探测器采集得到的干涉图I传入计算机，在计算机中将干涉图I进行傅里叶变换得到频谱图，在频谱图中分别滤出x和y方向的2级频谱，将2级频谱分别平移到中心，然后逆傅里叶变换，解相位包裹，分别得到x方向的差分波前ΔWx，y方向的差分波前ΔWy；
4)将差分波前ΔWx、ΔWy进行波前重建，得到被测波前W(x,y)。
与在先技术相比，本发明具有以下优点，
1.与在先技术[1]相比，本发明中高阶衍射级次不影响测量精度，干涉对比度更高。
2.与在先技术[2]相比，相同光栅周期时，本发明中二维随机编码振幅光栅像素的尺寸更大，制造成本更低。
附图说明
图1是本发明波前传感器进行波前测量的示意图；
图2是本发明波前传感器的示意图；
图3是计算机仿真的二维随机编码混合光栅(a)及衍射级次的归一化振幅(b)；
图4是干涉图的频谱图中得到被测波前的流程图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
一种波前传感器1，包括二维随机编码混合光栅101和探测器102；
所述的二维随机编码混合光栅101是x、y方向光栅周期相同的二维光栅，由周期为50μm的随机编码振幅光栅1011和周期为100μm的棋盘式位相光栅1012组成，二维随机编码混合光栅101的周期T为100μm，棋盘式位相光栅1012的中心波长为532nm，占空比为50％，相邻位相单元在中心波长处的相位变化量为π，探测器CCD102与光栅101之间的间距为1cm，波前传感器1的通光口径为1cm。
所述的随机编码振幅光栅1011是透射率被量化的振幅光栅，首先，将每个周期分为5×5(N＝5)个子网格，再将子网格细分为2×2(M＝2)个像素，像素值为1表示透光，像素值为0表示不透光，每个子网格的透射率为子网格内所有像素值之和，子网格中透光的像素个数为，
其中，(x,y)表示坐标点，函数round表示四舍五入运算，函数floor表示向下取整数运算。该子网格内F(x,y)个像素透光，其余像素不透光。透射率量化后的振幅光栅的归一化振幅强度采用下列公式表示为，
所述的探测器102是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
一种利用上述波前传感器1进行波前测量的方法，该方法包含下列步骤，
1)平行光束照射在波前传感器1的二维随机编码混合光栅101上，所述的CCD102记录干涉图I；
2)根据二维随机编码混合光栅101的周期T、光源1的输出光的波长λ、光束直径D、探测器102与二维随机编码混合光栅101之间的间距z按下式确定剪切率s，
3)所述的探测器102采集得到的干涉图I传入计算机2，在计算机2中将干涉图I进行傅里叶变换得到频谱图，在频谱图中分别滤出x和y方向的2级频谱，将2级频谱分别平移到中心，然后逆傅里叶变换，解相位包裹，分别得到x方向的差分波前ΔWx，y方向的差分波前ΔWy；
4)将差分波前ΔWx、ΔWy进行波前重建，得到被测波前W(x,y)。
结果表明，波前传感器中二维随机编码混合光栅的高阶衍射级次不影响波前的测量精度，同时随机编码振幅光栅的结构简单，降低了加工制造难度。

Claims (3)

1.一种波前传感器，其特征在于，包括二维随机编码混合光栅(101)和探测器(102)，所述的二维随机编码混合光栅(101)位于探测器(102)的前方；所述的二维随机编码混合光栅(101)是x、y方向周期相同的二维光栅，由周期为T/2的随机编码振幅光栅(1011)和周期为T的棋盘式位相光栅(1012)组成；二维随机编码混合光栅(101)的周期为T；棋盘式位相光栅(1012)的中心波长为λ0，占空比为50％，相邻的位相单元在中心波长处的相位变化量为π；
所述的随机编码振幅光栅(1011)是透射率被量化的振幅光栅，首先，将每个周期分为N×N个子网格，再将子网格细分为M×M个像素，所述的N为不小于5的正整数，M＝2，像素值为1表示透光，像素值为0表示不透光，每个子网格的透射率为子网格内所有像素值之和，子网格中透光的像素个数为：
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其中，(x,y)表示坐标点，函数round表示四舍五入运算，函数floor表示向下取整数运算；该子网格内F(x,y)个像素透光，其余像素不透光，透光像素的位置随机指定；透射率量化后的随机编码振幅光栅(1011)的归一化振幅强度采用下列公式表示：
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2.根据权利要求1所述的波前传感器，其特征在于，所述的探测器(102)是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
3.利用权利要求1所述的波前传感器进行波前测量的方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
1)平行光束照射在波前传感器(1)的二维随机编码混合光栅(101)上，所述的探测器(102)记录干涉图I；
2)根据二维随机编码混合光栅(101)的周期T、光源的输出光的波长λ、光束的有效直径D、探测器(102)与二维随机编码混合光栅(101)之间的间距z按下式确定剪切率s，
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3)所述的探测器(102)采集得到的干涉图I传入计算机(2)，在所述的计算机(2)中将干涉图I进行傅里叶变换得到频谱，在频谱图中分别滤出x和y方向的2级频谱，将2级频谱分别平移到中心，然后进行逆傅里叶变换，解相位包裹，分别得到x方向的差分波前ΔWx和y方向的差分波前ΔWy；
4)将差分波前ΔWx、ΔWy进行波前重建，得到被测波前W(x,y)。
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