CN106767391B - 四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置及方法 - Google Patents

四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置及方法。本发明在单个四波前横向剪切干涉波前传感器的基础上，将待测光束分为两束后再增加一个四波前横向剪切干涉波前传感器，分别调节两波前传感器中光栅与探测器之间的距离使相应剪切率组合满足灵敏度增强条件，实现了大剪切率情况下利用傅里叶变换位相重建技术的高分辨率高灵敏度检测。本发明的优点在于解决了传统四波前横向剪切干涉系统在大剪切率情况下采用傅里叶变换位相重建技术时由于频谱泄漏效应导致解调出的波前位相存在周期性振荡误差的问题，通过组合剪切率来消除相对灵敏度为零的区域，补足频谱中周期性缺失的信息，相对于传统干涉仪提高了测量灵敏度。

Description

四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置及方法
技术领域
本发明涉及一种四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置及方法。
背景技术
干涉显微技术通过检测光束通过待测元件后的波前畸变重构出待测元件的波前差、面形、缺陷等信息。传统方法有数字全息显微、衍射相位显微等，这些技术都是基于马赫曾德干涉仪或者点衍射干涉技术。而马赫曾德干涉仪的检测精度很大程度上取决于参考平板的质量，点衍射干涉仪的检测精度与针孔的质量有关。除此之外，传统方法的检测装置往往都很大，不易对光束进行校准。四波前横向剪切干涉仪包括交叉光栅横向剪切干涉仪、改进的哈特曼模版波前传感器以及随机编码混合光栅波前传感器，与传统方法相比具有结构紧凑，系统装调简单，属于自干涉没有参考平面带来的误差，共路干涉抗外界环境干扰能力强等优点。
对于光学系统像差的检测，可以采用傅立叶变化法结合差分泽尼克多项式拟合技术来实现波前的重构，去除了高频信息。对于表面微观轮廓、生物细胞等位相检测，其表现为高频信息，因此就要采用傅里叶变换法结合最小二乘技术而不能采用差分泽尼克多项式拟合的方法。该方法相对于传统泰曼格林干涉系统的检测灵敏度可表示为其中s表示剪切率。虽然在大多数区域相对灵敏度值σ都大于1，当u＝m/s,v＝n/s,(m,n∈N)时，对应的相对灵敏度为零，零点附近区域的相对灵敏度都将小于1，这些位置由于频谱泄漏效应，导致重构波前具有周期性振荡误差。采用两个不同剪切率的随机编码混合光栅波前传感器，其相对灵敏度为其中s'表示第二个剪切率。通过两个剪切率组合可以极大程度的消除相对灵敏度小于1的区域，消除周期性振荡误差，提高测量灵敏度和检测精度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置及方法。
四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置，包括分光棱镜(S1)、第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)、反射镜(S3)、第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)；其中第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)置于等光程位置，分光棱镜(S1)以及第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)在第一条光路中顺序排列；分光棱镜(S1)、反射镜(S3)以及第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)在第二条光路中顺序排列。
所述的四波前横向剪切干涉波前传感器为随机编码混合光栅波前传感器。
四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤(1)调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)使得两波前传感器的探测器位于等光程位置；
步骤(2)分别调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)中随机编码混合光栅与探测器感光面之间的距离，以得到不同的剪切率；
步骤(3)分别调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)的相对水平位置和俯仰角，以得到的两张空间位置重合的四波前横向剪切干涉图。
步骤(4)对两幅不同剪切率的四波前横向剪切干涉图采用组合剪切率傅里叶变换波前位相解调算法进行解调，包括如下步骤：
(1)分别对两个波前传感器采集得到的干涉图实施傅里叶变换，得到各自干涉图对应的频谱图；
(2)对干涉图频谱中正一级谱实施逆傅里叶变换和相位解包裹算法后得到各自x、y方向上的剪切波前；
(3)对x、y方向上的剪切波前再次进行傅里叶变换，对x、y方向剪切波前频谱采用最小二乘拟合法将频谱信息相互叠加，补足频谱周期性缺失的信息，消除相对灵敏度为零的区域，得到待测波前对应的频谱，再经傅里叶逆变换得到待测波前，实现高灵敏度的波前位相检测。
本发明的有益效果如下：
在单个四波前横向剪切干涉随机编码混合光栅波前传感器的基础上，将待测光束分为两束后，再增加一个四波前横向剪切干涉随机编码混合光栅波前传感器，分别调节两随机编码混合光栅波前传感器中光栅与探测器之间的距离使相应剪切率满足灵敏度增强条件，解决了传统四波前横向剪切干涉系统采用傅里叶变换位相重建技术频谱存在的周期性振荡现象，通过组合剪切率的方式来消除相对灵敏度为零的区域，补足频谱中缺失的信息，相对于传统泰曼格林干涉仪提高了测量的灵敏度，实现了大剪切率情况下利用傅里叶变换位相重建技术的高分辨率高灵敏度检测。
附图说明
图1是本发明的四波前横向剪切干涉波前传感器灵敏度增强装置结构示意图；
图2是本发明用于测量相位板文字刻蚀深度的光路布局图；
图3是本发明用于相位板刻蚀文字深度测量的光路调整方法流程图；
图4是组合剪切率傅里叶变换法波前位相重构算法流程图；
图5(a)是第一四波前横向剪切干涉波前传感器接收到的干涉图；
图5(b)是第二四波前横向剪切干涉波前传感器接收到的干涉图；
图6(a)是采用单一四波前横向剪切干涉波前传感器用于相位板刻蚀文字深度测量待测波前的频谱信息；
图6(b)是本发明用于相位板刻蚀文字深度测量待测波前的频谱信息；
图7(a)是采用单一四波前横向剪切干涉波前传感器用于相位板刻蚀文字深度测量解调出的相位板文字二维刻蚀深度分布图；
图7(b)是本发明用于相位板刻蚀文字深度测量解调出的相位板文字二维刻蚀深度分布图；
图8(a)是图7(a)中虚线位置对应的截面图；
图8(b)是图7(b)中虚线位置对应的截面图；
图9是本发明用于相位板刻蚀文字深度测量解调出的相位板文字三维刻蚀深度分布图；
图10是本发明用于人血红细胞的定量相位显微的光路布局图；
图11是本发明用于人血红细胞的定量相位显微对应的频谱图；
图12是本发明用于人血红细胞的定量相位显微图像。
具体实施方式
如图1所示，四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置，包括分光棱镜S1、第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2、反射镜S3、第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4；其中第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4置于等光程位置，分光棱镜S1以及第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2在第一条光路中顺序排列；分光棱镜S1、反射镜S3以及第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4在第二条光路中顺序排列。
所述的四波前横向剪切干涉波前传感器为随机编码混合光栅波前传感器。
四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤(1)调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4使得两波前传感器的探测器位于等光程位置；
步骤(2)分别调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4中随机编码混合光栅与探测器感光面之间的距离，以得到不同的剪切率；
步骤(3)分别调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4的相对水平位置和俯仰角，以得到的两张空间位置重合的四波前横向剪切干涉图。
步骤(4)对两幅不同剪切率的四波前横向剪切干涉图采用组合剪切率傅里叶变换波前位相解调算法进行解调，如图4所示，包括如下步骤：
(1)分别对两个波前传感器采集得到的干涉图实施傅里叶变换，得到各自干涉图对应的频谱图；
(2)对干涉图频谱中正一级谱实施逆傅里叶变换和相位解包裹算法后得到各自x、y方向上的剪切波前；
(3)对x、y方向上的剪切波前再次进行傅里叶变换，对x、y方向剪切波前频谱采用最小二乘拟合法将频谱信息相互叠加，补足频谱周期性缺失的信息，消除相对灵敏度为零的区域，得到待测波前对应的频谱，再经傅里叶逆变换得到待测波前，实现高灵敏度的波前位相检测。
单四波前横向剪切干涉波前传感器相对于传统泰曼格林干涉系统检测的灵敏度表示为其中s为波前传感器对应的剪切率，u,v分别是傅里叶频谱空间的横纵坐标。虽然在大多数区域相对灵敏度值σ都大于1，但是当坐标位于u＝m/s,v＝n/s,(m,n∈N)位置时，对应的相对灵敏度为零，零点附近区域的相对灵敏度都将小于1，这些位置由于频谱泄漏效应，导致重构波前具有周期性振荡误差，对这些位置的波前信息无法进行高精度的检测。在此基础上，采用两个不同剪切率的随机编码混合光栅波前传感器，其相对灵敏度为其中s'表示第二个剪切率。当位置坐标位于u＝m/s,v＝n/s,(m,n∈N)时，第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2的相对灵敏度为零，但是第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4的相对灵敏度不为零；反之，第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4的相对灵敏度为零时，第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2的相对灵敏度不为零。如此，采用最小二乘技术叠加两波前传感器获得干涉图对应的频谱，可以极大程度的消除相对灵敏度小于1的区域，消除周期性振荡误差，提高测量灵敏度和检测精度。
实施例1：
本发明应用于相位板文字刻蚀深度高灵敏度测量实例描述如下：
图2是四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强装置对相位板文字刻蚀深度检测的光路布局图。实施例的待测元件是相位板上的刻蚀文字“S”。采用波长为623.8nm的He-Ne激光器。激光器A1发出激光经针孔滤波器A2以及准直透镜A3后产生亮度均匀的平行光，经过待测元件A4，经物镜A5、目镜A6后再经分光棱镜S1进行分束，一路透射进入第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2，被光栅周期为30μm的随机编码混合光栅衍射形成四个复制的波前入射到探测器上，在重叠区域形成干涉；另一路经反射镜S3后被第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4接收，同样经过一块光栅周期为30μm的随机编码混合光栅后打在探测器上，在重叠区域形成干涉。图3是实施例中光路调整流程图。
表一为实施例中的相位板文字刻蚀深度、剪切率、探测器像素数等参数
相位板刻蚀深度 剪切率1 剪切率2 探测器像素数
58nm 0.01935 0.01320 2056×2056
实施例中调节光路使得经过分光棱镜S1的两束光成90°夹角，其中一路透射进入探测器S2中，另一路反射光经反射镜S3再次反射被第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4接收。使用反射镜S3的目的是消除一次反射所带来的镜面效应。第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4的探测器与待测相位板A4位置共轭。分别改变两个波前传感器中的随机编码混合光栅与探测器之间的距离，可以得到两个不同的剪切率组合，当满足灵敏度增强条件时，可以实现对待测相位板A4的高灵敏度波前位相检测。图5(a)是第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2接收到的干涉图，图5(b)是第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4接收到的干涉图，两幅干涉图所对应的剪切量大小不同。
传统单个波前传感器的四波横向剪切干涉方法在使用光栅周期为30μm的随机编码混合光栅来进行波前位相检测时，由于空间分辨率较高且傅里叶变换过程中存在频率泄漏效应，其频谱会出现周期性振荡，导致周期性的误差。只用第一四波前横向剪切干涉波前传感器所获得的干涉图解调待测波前对应的频谱如图6(a)所示，可以看到频谱会出现周期性振荡现象，重构出的相位板文字二维刻蚀深度分布如图7(a)所示，从图中可以看到整张重构图中充满了周期性振荡误差，图中虚线位置对应截面图如图8(a)所示。采用本发明的双波前传感器获得的干涉图解调待测波前对应的频谱如图6(b)所示，通过对比可以发现大大消除了频谱中的振荡现象；重构出的相位板文字二维刻蚀深度分布如图7(b)所示，消除了高频振荡误差，背景相对较纯净；图7(b)中虚线位置对用截面图如图8(b)所示，从截面图也可看出对振荡误差有了极大的改善；双波前传感器波重构相位板文字的三维刻蚀深度分布如图9所示。
实施例2：
本发明应用于人血红细胞的高灵敏度定量相位显微的实例描述如下：
图10是四波前横向剪切干涉波前传感器灵敏度增强装置用于人血红细胞定量相位显微的光路布局图。实施例的待测元件B7是人血涂片，系统采用中心波长为623nm，半高全宽为18nm的LED光源。LED光源B1经针孔滤波器B2以及准直透镜B3后产生亮度均匀的平行光，再经反射镜B4和透镜B5后光束进入到聚光透镜B6中。将人血涂片B7置于聚光透镜B6和显微物镜B8的焦点位置，光束经过人血涂片B7后，携带了相关信息的待测波前经准直透镜B9进入到本发明中的四波前横向剪切干涉波前传感器灵敏度增强装置，分别在第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4中形成干涉图。
实施例中采用100X消色差油浸显微物镜作为聚光透镜B6和显微物镜B8，其数值孔径可达1.4，第一四波前横向剪切干涉波前传感器S2和第二四波前横向剪切干涉波前传感器S4对应的剪切率分别为0.02485和0.01935，CCD像素数为2056×2056。
图11是本发明用于人血红细胞定量相位显微获得的频谱图，可以看出频谱中没有周期性振荡现象。应用如图4所示波前位相重构算法即可得到人血涂片B7的定量相位显微图像，如图12所示。

Claims (1)

1.四波前横向剪切干涉波前传感器的灵敏度增强方法，其特征在包括如下步骤：
步骤(1)调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)使得两波前传感器的探测器位于等光程位置；
步骤(2)分别调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)中随机编码混合光栅与探测器感光面之间的距离，以得到不同的剪切率；
步骤(3)分别调节第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)的相对水平位置和俯仰角，以得到的两张空间位置重合的四波前横向剪切干涉图；
步骤(4)对两幅不同剪切率的四波前横向剪切干涉图采用组合剪切率傅里叶变换波前位相解调算法进行解调，包括如下步骤：
(1)分别对两个波前传感器采集得到的干涉图实施傅里叶变换，得到各自干涉图对应的频谱图；
(2)对干涉图频谱中正一级谱实施逆傅里叶变换和相位解包裹算法后得到各自x、y方向上的剪切波前；
(3)对x、y方向上的剪切波前再次进行傅里叶变换，对x、y方向剪切波前频谱采用最小二乘拟合法将频谱信息相互叠加，补足频谱周期性缺失的信息，消除相对灵敏度为零的区域，得到待测波前对应的频谱，再经傅里叶逆变换得到待测波前，实现高灵敏度的波前位相检测；
该方法使用的装置包括分光棱镜(S1)、第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)、反射镜(S3)、第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)；其中第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)和第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)置于等光程位置，分光棱镜(S1)以及第一四波前横向剪切干涉波前传感器(S2)在第一条光路中顺序排列；分光棱镜(S1)、反射镜(S3)以及第二四波前横向剪切干涉波前传感器(S4)在第二条光路中顺序排列；所述的四波前横向剪切干涉波前传感器为随机编码混合光栅波前传感器。
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