CN110530530A - 一种波前提取算法及采用该算法的剪切干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种波前提取算法及采用该算法的剪切干涉仪，其算法将x坐标的相位差分成第一奇数阶项和第一偶数阶项，再分别计算出x坐标波前的偶阶项和奇阶项，最后与y轴的波前计算总和既可以得到波前，有效的简化了提取流程；其相应的剪切干涉仪也仅通过一个分束立方体调节待测光束的相移，实现了超快光束波前的提取，简化了仪器结构，使得对激光光束的波前提取更为简单。

Description

一种波前提取算法及采用该算法的剪切干涉仪
技术领域
本发明涉及光学测量领域，具体而言，涉及一种波前提取算法及采用该算法的剪切干涉仪。
背景技术
波前测量技术和波前提取算法在现代物理学、生物医学以及工程技术等领域发挥着越来越重要的作用。尤其在光束准直性测量、光学系统波像差测量和光学元件表面面形测量等领域具有重要的实用价值。尤其在实现超快光束波前提取时，超快光束如飞秒激光的光程短，激发频率高，要实现光束相干后提取波前的难度相当复杂且相应的剪切干涉仪结构紧密复杂，工艺难度大。
可见，现有的波前提取算法其计算步骤较为繁琐，相应剪切干涉仪结构与光路器件也精密复杂，很难直观且简便的实现波前提取。因此现有的技术存在不足。
发明内容
本发明实施例提供了波前提取算法及剪切干涉仪，至少解决了目前波前提取算法和波前测量仪器结构较为复杂的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种波前提取算法，包括以下步骤：
S1.提取待测光束的x坐标的相位差；
S2.将所述x坐标的相位差分成第一奇数阶项和第一偶数阶项；
S3.通过所述第一奇数阶项计算波前的x坐标偶阶项，通过所述第一偶数阶项计算波前的x坐标奇阶项；
S4.通过剪切方向为y轴的相位差计算剪切方向为y轴的波前；
S5.计算所述波前的x坐标偶阶项与所述波前的x坐标奇阶项与所述y轴的波前的总和。
优选的，所述步骤S4包括：
S41.提取所述待测光束剪切方向为y轴的相位差；
S42.将所述剪切方向为y轴的相位差分成第二奇数阶项和第二偶数阶项；
S43.通过所述第二奇数阶项计算波前的y坐标偶阶项，通过所述第二偶数阶项计算波前的y坐标奇阶项；
S44.计算所述波前的y坐标偶阶项与所述波前的y坐标奇阶项的总和。
优选的，所述步骤S1后还包括以下步骤：
S11.对所述x坐标的相位差进行相位解缠。
优选的，所述步骤S11后还包括以下步骤：
S12.将解缠完成的所述x坐标的相位差拟合泽尔尼克多项式。
优选的，所述步骤S1之前后还包括以下步骤：
Q1.以π/2为相移的增量，相移光路中的剪切干涉仪，使待测光束产生干涉图；
Q2.通过所述干涉图的光束强度总和提取出所述待测光束的x坐标的相位差。
优选的，所述相移为沿y轴方向平移，所述相移的次数为4次。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种适用上述任意一项波前提取算法的剪切干涉仪，包括分束立方体以及与所述分束立方体光路连接的成像设备，其特征在于，还包括支撑所述分束立方体的调控支架；所述分束立方体的姿态由所述调控支架控制。
优选的，所述调控支架包括三维倾斜模块和三维移动模块。
优选的，还包括设置在光源与所述分束立方体的光路之间的滤镜。
优选的，所述成像设备包括ccd成像器与显示器；所述显示器与所述ccd成像器电连接并显示其上的干涉图像。
在本发明实施例中将x坐标的相位差分成第一奇数阶项和第一偶数阶项，再分别计算出x坐标波前的偶阶项和奇阶项，最后与y轴的波前计算总和既可以得到波前，有效的简化了提取流程，其相应的剪切干涉仪也仅通过一个分束立方体调节待测光束的相移，简化了超快光束波前提取仪器结构，使得对激光光束的波前提取更为简单。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明波前提取算法的主要流程示意图；
图2为本发明剪切干涉仪的结构示意图；
图3为现有技术中单一光学元件的剪切干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明说明书的附图1-附图3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、算法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、算法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如附图3所示，现有的剪切干涉仪采用单一的光学元件构成，可以提取波前,干涉光束的光程差是不过a+by不会扫过0，其设备不能用于超快光束。有更复杂的剪切干涉仪配置能使a+by扫过0。但现在没有单一光学元件能做到。
具体的，因为超快光束的时间相干性很短(通常情况下只有几飞秒)，现有技术的光学元件的光程差无法扫过0则兩个超快光束基本上不会干涉，故现有技术的剪切干涉仪是无法提取超快光束的波前。可见，现有的单一光学元件的剪切干涉仪不能测量超快光束的波前。
实施例1
一种波前提取算法，包括以下步骤：
S1.提取待测光束的x坐标的相位差；
S2.将所述x坐标的相位差分成第一奇数阶项和第一偶数阶项；
S3.通过所述第一奇数阶项计算波前的x坐标偶阶项，通过所述第一偶数阶项计算波前的x坐标奇阶项；
S4.通过剪切方向为y轴的相位差计算剪切方向为y轴的波前；
S5.计算所述波前的x坐标偶阶项与所述波前的x坐标奇阶项与所述y轴的波前的总和。
优选的，所述步骤S4包括：
S41.提取所述待测光束剪切方向为y轴的相位差；
S42.将所述剪切方向为y轴的相位差分成第二奇数阶项和第二偶数阶项；
S43.通过所述第二奇数阶项计算波前的y坐标偶阶项，通过所述第二偶数阶项计算波前的y坐标奇阶项；
S44.计算所述波前的y坐标偶阶项与所述波前的y坐标奇阶项的总和。
优选的，所述步骤S1后还包括以下步骤：
S11.对所述x坐标的相位差进行相位解缠。
优选的，所述步骤S11后还包括以下步骤：
S12.将解缠完成的所述x坐标的相位差拟合泽尔尼克多项式。
尼克多项式:
在这aj是系數，Zj(x,y)是泽尔尼克多项式(Noll index j)。在这总计达36项(多项式达7阶)，但我们可以添加更多项。
优选的，所述步骤S1之前后还包括以下步骤：
Q1.以π/2为相移的增量，相移光路中的剪切干涉仪，使待测光束产生干涉图；
Q2.通过所述干涉图的光束强度总和提取出所述待测光束的x坐标的相位差。
优选的，所述相移为沿y轴方向平移，所述相移的次数为4次。
实施例2
如图1所示，为了解决上述问题，本申请还提供一种适用上述任意一项波前提取算法的剪切干涉仪，包括分束立方体以及与所述分束立方体光路连接的成像设备，其特征在于，还包括支撑所述分束立方体的调控支架；所述分束立方体的姿态由所述调控支架控制。
优选的，所述调控支架包括三维倾斜模块和三维移动模块。
优选的，还包括设置在光源与所述分束立方体的光路之间的滤镜。
优选的，所述成像设备包括ccd成像器与显示器；所述显示器与所述ccd成像器电连接并显示其上的干涉图像。
具体的，在相移干涉测量的幅度和相位检索中；相移可以通过朝着y方向平移来实现。对楔形反转剪切干涉仪来说，相移0，π/2，π和3π/2的四个步骤产生四个干涉图，可以写成如下的强度分布：
I(x,y；0)＝I'(x,y)+I”(x,y)cosφx(x,y) (2)
I(x,y；π/2)＝I'(x,y)-I”(x,y)sinφx(x,y) (3)
I(x,y；π)＝I'(x,y)-I”(x,y)cosφx(x,y) (4)
I(x,y；3π/2)＝I'(x,y)+I”(x,y)sinφx(x,y) (5)
在这里I'(x,y)＝I1(x,y)+I1(-x+s,y)是两个干涉光束的强度总和，可计算相位差:
這相位差与式(1)相同，如下
改变剪切方向為y轴通过相同的四相移相位检索程序计算相位差会得到
通过上述算法，既可以得到相位差，以便于后期提取波前。
本申请WRSI干涉光束的光程差是
因为加入了第五项参数，故本申请楔形反转剪切干涉仪能够提取波前并测量波前倾斜。
我们把相位差φx(x,y)(式(1))分成奇数和偶数项:
φox(x,y)是相位差φx(x,y)的奇数项。φex(x,y)是相位差φx(x,y)的偶数项。Wox(x,y)是波前的x坐标的奇数项。Wox(x,y)是波前的x坐标的偶数项。s是剪切量。
现在我们可以计算出波前:
W(x,y)＝Wox(x,y)+Wex(x,y)+f(y) (14)
现在可以用剪切方向為y轴的干涉图來提取剪切方向为y轴的波前f(y):
φy(x,y)是剪切方向为y的干涉图的相位差。cj是系數。
Woy(x,y)是波前的y坐标的奇数项。Wey(x,y)是波前的y坐标的偶数项。
式(14)的f(y)是:
由式(14),式(12,13,20)的总和就是波前。
本发明的算法实施例中采用将x坐标的相位差分成第一奇数阶项和第一偶数阶项，再分别计算出x坐标波前的偶阶项和奇阶项，最后与y轴的波前计算总和既可以得到波前，有效的简化了提取流程。
本发明的装置实施例中采用分束立方体的不同入射面折射和反射同一束入射光束的不同部分，使同一束光线的不同部分形成干涉，避免了现有设备提取超快光束波前时，其激发频率太高不宜形成相干的情况。有效的简化了光学元件的结构，使得对超快光束的波前提取更为简单而直观。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种波前提取算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提取待测光束的x坐标的相位差；
S2.将所述x坐标的相位差分成第一奇数阶项和第一偶数阶项；
S3.通过所述第一奇数阶项计算波前的x坐标偶阶项，通过所述第一偶数阶项计算波前的x坐标奇阶项；
S4.通过剪切方向为y轴的相位差计算剪切方向为y轴的波前；
S5.计算所述波前的x坐标偶阶项与所述波前的x坐标奇阶项与所述y轴的波前的总和。
2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41.提取所述待测光束剪切方向为y轴的相位差；
S42.将所述剪切方向为y轴的相位差分成第二奇数阶项和第二偶数阶项；
S43.通过所述第二奇数阶项计算波前的y坐标偶阶项，通过所述第二偶数阶项计算波前的y坐标奇阶项；
S44.计算所述波前的y坐标偶阶项与所述波前的y坐标奇阶项的总和。
3.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤S1后还包括以下步骤：
S11.对所述x坐标的相位差进行相位解缠。
4.根据权利要求3所述的算法，其特征在于，所述步骤S11后还包括以下步骤：
S12.将解缠完成的所述x坐标的相位差拟合泽尔尼克多项式。
5.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤S1之前后还包括以下步骤：
Q1.以π/2为相移的增量，相移光路中的剪切干涉仪，使待测光束产生干涉图；
Q2.通过所述干涉图的光束强度总和提取出所述待测光束的x坐标的相位差。
6.根据权利要求5所述的算法，其特征在于，所述相移为沿y轴方向平移，所述相移的次数为4次。
7.一种适用权利要求1-6中任意一项波前提取算法的剪切干涉仪，包括分束立方体以及与所述分束立方体光路连接的成像设备，其特征在于，还包括支撑所述分束立方体的调控支架；所述分束立方体的姿态由所述调控支架控制。
8.根据权利要求7所述的剪切干涉仪，其特征在于，所述调控支架包括三维倾斜模块和三维移动模块。
9.根据权利要求8所述的剪切干涉仪，其特征在于，还包括设置在光源与所述分束立方体的光路之间的滤镜。
10.根据权利要求7所述的剪切干涉仪，其特征在于，所述成像设备包括ccd成像器与显示器；所述显示器与所述ccd成像器电连接并显示其上的干涉图像。
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