CN110736543B - 光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法。该标定装置包括点光源显微聚焦系统、待标定的光栅剪切干涉波前传感器和位移调节装置；点光源经显微聚焦系统后成像于待标定波前传感器的探测面。该剪切量标定方法，通过记录点光源经剪切光栅后的各衍射级次在传感器探测面上的成像位置，根据所用剪切光栅衍射频谱分布的几何关系，计算得到待标定波前传感器的剪切量。该标定装置及方法简化了光栅剪切干涉波前传感器剪切量的标定过程，同时提高了标定结果的精度。

Description

光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法

技术领域

本发明属于光学干涉测量领域，具体为一种剪切量的标定装置及方法，特别涉及一种光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法。

背景技术

光栅剪切干涉技术是一种使用光栅作为分光元件的横向剪切干涉技术，具有不需要参考波前、对振动不敏感、测量范围大等优点，主要应用于高精度波像差检测领域。基于光栅的多波前横向剪切干涉技术，由于其无需级次选择窗口，系统结构更为简单、紧凑，而被广泛运用于波前传感领域。

2000年，J.Primot等(J.Primot,N.Guerineau,Extended Hartmann test basedon the pseudoguiding property of a Hartmann mask completed by a phasechessboard,Appl.Opt.(2000).)提出一种改进型Hartmann掩模结构(MHM)。该结构由振幅光栅与棋盘型相位光栅混合组成，且在其衍射频谱中，所有的偶数级次、3的倍数级次的衍射光均被消除。在采用MHM作为剪切光栅的波前传感器中，主要由待测波前的4个一级剪切波前，即(+1,+1)、(+1,-1)、(-1,+1)、(-1,-1)，发生干涉，并形成携带待测波前斜率(差分波前)信息的干涉图，使用相应的波前还原算法可以求得待测波前的相位信息。2015年，Ling等(Tong Ling,Dong Liu,Xiumei Yue,Yongying Yang,Yibing Shen,and Jian Bai,"Quadriwave lateral shearing interferometer based on a randomly encoded hybridgrating,"Opt.Lett.40,2245-2248(2015).)提出一种基于随机编码混合光栅(REHG)的四波前横向剪切干涉仪，采用随机编码的方式对振幅光栅的光通量进行量化，使其衍射频谱中仅包含4个一级衍射级次，更接近于理想的四波前横向剪切干涉。2019年，Peng等(PengC,Tang F,Wang X,et al.Circular-aperture Modified Hartmann Mask for quadriwavelateral shearing interferometry[J].Optics Communications,2019.)提出一种圆形MHM结构(cMHM)，采用圆形透光孔径的振幅光栅替代MHM中的矩形通光孔径振幅光栅，降低了寄生衍射级次的强度，在保证测量精度的前提下降低了剪切光栅的加工难度。与MHM、REHG类似，在采用cMHM作为剪切光栅的波前传感器中，参与剪切干涉的同样为4个一级衍射级次。

光栅剪切干涉技术通过测量待测波前在剪切方向上的斜率(差分波前)，使用波前重建算法从差分波前中恢复待测波前的相位信息。对于非旋转对称波前，一般需要在两个正交方向上分别进行一次测量，获取两个相互垂直方向上的差分信息才能完整地重建待测波前。待测波前的重建算法主要分为两类，即模式法和区域法。1975年，Rimmer和Wyant提出的Rimmer-Wyant方法是最早出现的基于Zernike多项式的模式法(M.P.Rimmer andJ.C.Wyant,“Evaluation of Large Aberrations Using a Lateral-ShearInterferometer Having Variable Shear,”Appl.Opt.14,142–150(1975).)。区域法重建技术的基本思想由Saunders于1961年提出(J.B.Saunders,“Measurement of wavefronts without a reference standard.Part 1.Thewave-front shearinginterferometer,”J.Res.Natl.Bur.Stand.Sect.B 65,239–244(1961).)。而无论是模式法还是区域法，系统剪切量大小的准确性对于重建结果的精确程度都至关重要。

传统的剪切量标定方法根据波前传感器的尺寸参数，通过几何公式计算剪切量的大小。但在波前传感器的实际加工、装调和使用过程中，无法保证各组件的相对位置均处于理想状态，从而影响剪切量标定的准确性，并在波前测量中引入系统误差。

在先技术1(张周锋、赵建科、李霞，一种干涉仪剪切量的标定装置，CN102269624A)提出一种基于对干涉条纹信息处理的剪切量标定装置。该装置包含光源、准直镜、调整平台、CCD摄像机等部件。准直光正入射干涉仪后产生干涉条纹，被光路后方的CCD摄像机采集，通过对干涉条纹间距的分析计算，得到待标定的剪切量。该标定装置的准确度依赖于准直波前的精度、干涉仪的摆放角度、CCD的摆放角度等多重因素，标定过程繁琐且对装调精度要求较高。

在先技术2(刘峰、张周锋、赵建科等，干涉仪剪切量在线检测系统，CN103017906B)采用扫描系统与傅氏系统结合的方式，对平面波入射干涉仪后得到的干涉图空间分布进行测量。该检测系统包含光源准直系统、扫描系统、傅氏系统和采集系统，且对各组件的装调精度要求较高，从而增加了检测系统的复杂性和操作难度。

在先技术3(Rui Zhang,Yongying Yang,Zijian Liang,Jiabin Jiang,and TongLing,"High-precision calibration method for shear ratio based on the shearingwavefront feature extraction of a phase plate,"Appl.Opt.57,5121-5129(2018))提出一种基于差分波前特征提取的剪切量标定方法，采用带有矩形凹槽的位相板作为标定参照物，通过对差分波前信息进行特征处理，得到相应剪切方向上的剪切量。该方法解决了传统基于几何公式的剪切率计算方法由于各元件的相对位置难以精准确定而引入较大误差的问题。但该方法中，需要使用对加工精度要求较高的位相板作为标定物，且位相板需要精确地沿剪切方向进行摆放，否则将会引入大小为cosδ的角度误差项(δ为摆放偏移角度)，从而影响剪切量标定的精度，增加了标定的操作难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统方法与在先技术的不足之处，提供一种光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法。该标定装置及方法简化了光栅剪切干涉波前传感器剪切量的标定过程，同时提高了标定结果的精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，其特征在于该装置包括点光源显微聚焦系统、待标定的波前传感器及位移调节装置；所述的点光源显微聚焦系统包括点光源、准直透镜与显微物镜，准直透镜将点光源输出光准直为平行光，由显微物镜聚焦输出；所述的待标定的波前传感器包括剪切光栅和二维光电探测器，且沿显微物镜的光输出方向依次为剪切光栅和二维光电探测器，聚焦光斑聚焦在二维光电探测器光敏面；所述的位移调节装置用于承托和固定待标定的波前传感器，实现沿X、Y、Z轴的位移调整及俯仰、偏摆角度的调节。

所述的剪切量标定装置，其特征在于，所述的点光源显微聚焦系统中，显微物镜为可更换镜头设计，可根据待测波前传感器的参数而选择特定数值孔径和焦距的显微物镜，从而使点光源经显微聚焦光路所成的像位于待标定波前传感器的二维光电探测器的光敏面之上，且此时被照亮的剪切光栅周期数N≥2。

所述的剪切量标定装置，其特征在于，所述的点光源显微聚焦系统包含一条校准光路，由分束器、校准透镜和位于其后焦面上的校准二维光电探测器组成，且依次沿剪切光栅的反射光路方向排列。校准光路用于校准待标定波前传感器的摆放角度，使光轴入射方向Z垂直于剪切光栅和二维光电探测器所在的平面。使用校准光路进行校准时，需卸下显微物镜，此时平面波入射在剪切光栅上，反射波前通过分束器进入校准光路，各衍射级次经校准透镜成像于校准二维光电探测器。通过位移调节装置调整待标定的波前传感器的摆放角度，使校准二维光电探测器采集到的同一衍射级次的亮度相等，即可认为光轴的方向垂直于待标定的波前传感器所在的平面。

所述的剪切量标定装置，其特征在于，二维光电探测器和校准二维光电探测器为CCD、CMOS、二维光电池阵列、二维光电二极管阵列、具有针孔或狭缝光阑的二维光电探测器阵列、具有荧光转换片的二维光电探测器阵列或具有光纤面板的二维光电探测器阵列。

一种采用所述的剪切量标定装置进行光栅剪切干涉波前传感器剪切量标定的方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1)卸下点光源显微聚焦系统中的显微物镜，此时点光源显微光路输出准直的平面波，采用以下操作进行待标定波前传感器的调平：

1)将待标定波前传感器置于位移调节装置上，并沿X、Y方向调节位移，使剪切光栅位于光轴附近，此时在校准二维光电探测器处可以采集到剪切光栅的衍射级次光斑分布图；

2)调整位移调节装置的俯仰、偏摆角度，使各相同衍射级次的光斑亮度相等，此时光轴的方向即垂直于待标定的波前传感器所在的平面，调平完成；

步骤2)根据待标定波前传感器的尺寸和剪切光栅的周期大小，选择具有合适数值孔径、焦距的显微物镜，并装载于所示光路的相应位置。沿位移调节装置的Z轴方向调整待标定波前传感器的位置，使点光源聚焦于二维光电探测器的光敏面上，在二维光电探测器上可以观察到点光源各衍射级次的光斑分布。显微物镜的数值孔径、焦距的选择标准为：在对焦状态下，被照亮的剪切光栅周期数N≥2。

步骤3)从二维光电探测器所采集到的点光源各衍射级次分布图中，选取衍射级次分别为(M₁,N₁)、(M₂,N₂)的两个衍射光斑，光斑的中心位置(像素数或长度单位)分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)。剪切量的标定结果由以下公式计算得到：

其中，C为差分波前提取算法中参与剪切干涉的波前所对应的衍射级次数之差。

本发明具有如下有益效果：

1.无需精确测量待标定波前传感器中各组件的尺寸参数，避免了在生产、装调与使用过程中各组件相对位置的改变所引起的系统误差；

2.仅需调整位移调节装置即可完成校准和标定的操作，简化了标定流程；

3.无需使用额外的标准件(如位相板等)作为标定物，使系统结构更为简单，同时避免了标定物摆放角度的偏差所引入的系统误差；

4.使用待标定波前传感器自身的光电探测器进行标定，无需引入新的光电探测器，且避免了由于光电探测器摆放位置的偏差所引入的系统误差，提高了标定结果的准确度。

附图说明

图1：光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置的结构示意图；

图2：光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置在自准直模式下进行调平的结构示意图；

图3(a)：自准直模式下，校准光电探测器所采集到的剪切光栅衍射级次光斑分布图(未调平状态)；

图3(b)：自准直模式下，校准光电探测器所采集到的剪切光栅衍级次光斑分布图(已调平状态)；

图4：对焦状态下，点光源经剪切光栅后在探测器上的成像示意图；

图5(a)：MHM的衍射级次分布的理论仿真结果；

图5(b)：采用所述标定方法所采集到的MHM衍射级次的实际分布；

图6：采用所述剪切量标定方法选取衍射光斑并进行剪切量计算的示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容、实施过程和优点更加清晰，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但并不以此限制本发明的保护范围。以下内容中的编号、符号等表述与说明书附图相对应。

图1所示，为本发明所述的光栅剪切干涉波前传感器剪切量标定装置的示意图。该装置包括点光源显微聚焦系统(1-1)、待标定的波前传感器(1-2)及位移调节装置(1-3)；所述的点光源显微聚焦系统(1-1)包括点光源(1-1-1)、准直透镜(1-1-2)与显微物镜(1-1-3)，准直透镜(1-1-2)将点光源(1-1-1)输出光准直为平行光，由显微物镜(1-1-3)聚焦输出；所述的待标定的波前传感器(1-2)包括剪切光栅(1-2-1)和二维光电探测器(1-2-2)，且沿显微物镜(1-1-3)的光输出方向依次为剪切光栅(1-2-1)和二维光电探测器(1-2-2)，聚焦光斑聚焦在二维光电探测器(1-2-2)光敏面；所述的位移调节装置(1-3)用于承托和固定待标定的波前传感器，实现沿X、Y、Z轴的位移调整及俯仰、偏摆角度的调节。

点光源显微聚焦系统(1-1)中，显微物镜(1-1-3)为可更换镜头设计，可根据待测波前传感器的参数而选择特定数值孔径和焦距的显微物镜(1-1-3)，从而使点光源(1-1-1)经显微聚焦光路所成的像位于待标定波前传感器(1-2)的二维光电探测器(1-2-2)的光敏面之上。本实施例中，所用点光源(1-1-1)为532nm光纤激光器的出射光；所用显微物镜(1-1-3)的放大倍率为5×、数值孔径NA＝0.15、焦距f＝200mm。

图2所示，所述的点光源显微聚焦系统(1-1)包含一条校准光路，由分束器(1-1-6)、校准透镜(1-1-4)和位于其后焦面上的校准二维光电探测器(1-1-5)组成，用于校准待标定波前传感器的摆放角度，使光轴入射方向Z垂直于剪切光栅(1-2-1)和二维光电探测器(1-2-2)所在的平面。使用校准光路进行校准时，需卸下显微物镜(1-1-3)(图2中显微物镜以虚线表示)，此时平面波入射在剪切光栅(1-2-1)上，反射波前通过分束器(1-1-6)进入校准光路，各衍射级次经校准透镜(1-1-4)成像于校准二维光电探测器(1-1-5)。通过位移调节装置(1-3)调整待标定的波前传感器(1-2)的摆放角度，使校准二维光电探测器(1-1-5)采集到的同一衍射级次的亮度相等，即可认为光轴的方向垂直于待标定的波前传感器(1-2)所在的平面。

本实施例中，二维光电探测器(1-2-2)和校准二维光电探测器(1-1-5)为CCD探测器。待标定波前传感器(1-2)所用的剪切光栅(1-2-1)为MHM，该光栅见在先技术4(J.Primot,N.Guerineau,Extended Hartmann test based on the pseudoguidingproperty of a Hartmann mask completed by a phase chessboard,Appl.Opt.(2000).)。

采用所述的剪切量标定装置进行光栅剪切干涉波前传感器剪切量标定的方法，包含如下步骤：

步骤1)卸下点光源显微聚焦系统(1-1)中的显微物镜(1-1-3)，此时点光源显微光路输出准直的平面波(如图2所示)，采用以下操作进行待标定波前传感器(1-2)的调平：

1)将待标定波前传感器(1-2)置于位移调节装置(1-3)上，并沿X、Y方向调节位移，使剪切光栅(1-2-1)位于光轴附近，此时在校准二维光电探测器(1-1-5)处可以采集到剪切光栅(1-2-1)的衍射级次光斑分布图；

2)调整位移调节装置(1-3)的俯仰、偏摆角度，使各相同衍射级次的光斑亮度相等，此时光轴的方向即垂直于待标定的波前传感器(1-2)所在的平面，调平完成；

步骤2)根据待标定波前传感器(1-2)的尺寸和剪切光栅(1-2-1)的周期大小，选择具有合适数值孔径、焦距的显微物镜(1-1-3)，并装载于所示光路的相应位置。沿位移调节装置(1-3)的Z轴方向调整待标定波前传感器(1-2)的位置，使点光源(1-1-1)聚焦于二维光电探测器(1-2-2)的光敏面上，在二维光电探测器(1-2-2)上可以观察到点光源各衍射级次的光斑分布。显微物镜(1-1-3)的数值孔径、焦距的选择标准为：在对焦状态下，被照亮的剪切光栅周期数N≥2。

步骤3)从二维光电探测器(1-2-2)所采集到的点光源各衍射级次分布图中，选取衍射级次分别为(M₁,N₁)、(M₂,N₂)的两个衍射光斑，光斑的中心位置(像素数或长度单位)分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)。剪切量的标定结果由以下公式计算得到：

其中，C为差分波前提取算法中参与剪切干涉的波前所对应的衍射级次数之差。

图3所示，为标定方法“步骤1)”所述自准直模式下，校准CCD所采集到的剪切光栅衍射频谱分布图。其中，图3(a)为未调平状态，衍射级次的强度分布不均；图3(b)为已调平状态，各相同衍射级次的亮度相等。

图4所示为标定方法“步骤2)”所述对焦状态下，点光源(1-1-1)经显微对焦系统(1-1)及剪切光栅(1-2-1)后，各衍射级次成像在待测波前传感器的CCD(1-2-2)上的情况。其中区域(4-1)为对焦状态下，被照亮的剪切光栅区域，该区域包含的光栅周期数N≥2。

图5(a)所示，为本实施例所采用的剪切光栅MHM(1-2-1)的衍射级次分布的理论仿真结果；图5(b)为标定方法“步骤3)”中所采集到的衍射级次的实际分布情况。

图6为根据标定方法“步骤3)”选取衍射光斑并进行剪切量计算的示意图。。其中，(6-1)和(6-2)为所选取的两个用于计算的衍射级次光斑，级次数分别为(-1,5)和(1,-5)；光斑的中心位置(单位为像素数)分别为(1416,610)、(1451,651)。对于采用MHM作为剪切光栅的四波干涉波前传感器，对应的差分波前提取算法中参与剪切干涉的波前所对应的衍射级次数之差C＝2。代入剪切量计算公式得到标定结果为：

上述实施例具有以下技术效果：

1.无需精确测量待标定波前传感器中各组件的尺寸参数，避免了在生产、装调与使用过程中各组件相对位置的改变所引起的系统误差；

2.仅需调整位移调节装置即可完成校准和标定的操作，简化了标定流程；

3.无需使用额外的标准件(如位相板等)作为标定物，使系统结构更为简单，同时避免了标定物摆放角度的偏差所引入的系统误差；

4.使用待标定波前传感器自身的光电探测器进行标定，无需引入新的光电探测器，且避免了由于光电探测器摆放位置的偏差所引入的系统误差，提高了标定结果的准确度。

Claims (4)

1.一种光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，其特征在于包括点光源显微聚焦系统(1-1)和位移调节装置(1-3)；所述的点光源显微聚焦系统(1-1)包括点光源(1-1-1)、准直透镜(1-1-2)与显微物镜(1-1-3)，准直透镜(1-1-2)将点光源(1-1-1)输出光准直为平行光，由显微物镜(1-1-3)聚焦输出；待标定的波前传感器(1-2)包括剪切光栅(1-2-1)和二维光电探测器(1-2-2)，且沿显微物镜(1-1-3)的光输出方向依次为剪切光栅(1-2-1)和二维光电探测器(1-2-2)，聚焦光斑聚焦在二维光电探测器(1-2-2)光敏面；所述的位移调节装置(1-3)用于承托和固定待标定的波前传感器，实现沿X、Y、Z轴的位移调整及俯仰、偏摆角度的调节；所述的点光源显微聚焦系统(1-1)包含一条校准光路，由分束器(1-1-6)、校准透镜(1-1-4)和位于其后焦面上的校准二维光电探测器(1-1-5)组成，且依次沿剪切光栅(1-2-1)的反射光路方向排列；校准光路用于校准待标定波前传感器的摆放角度，使光轴入射方向Z垂直于剪切光栅(1-2-1)和二维光电探测器(1-2-2)所在的平面；使用校准光路进行校准时，需卸下显微物镜(1-1-3)，此时平面波入射在剪切光栅(1-2-1)上，反射波前通过分束器(1-1-6)进入校准光路，各衍射级次经校准透镜(1-1-4)成像于校准二维光电探测器(1-1-5)上；通过位移调节装置(1-3)调整待标定的波前传感器(1-2)的摆放角度，使校准二维光电探测器(1-1-5)采集到的同一衍射级次的亮度相等，即可认为光轴的方向垂直于待标定的波前传感器(1-2)所在的平面。

2.根据权利要求1所述的剪切量标定装置，其特征在于，所述的点光源显微聚焦系统(1-1)中，显微物镜(1-1-3)为可更换镜头设计，可根据待测波前传感器的参数而选择特定数值孔径和焦距的显微物镜(1-1-3)，从而使点光源(1-1-1)经显微聚焦光路所成的像位于待标定波前传感器(1-2)的二维光电探测器(1-2-2)的光敏面之上，且此时被照亮的剪切光栅周期数N≥2。

3.根据权利要求1或2所述的剪切量标定装置，其特征在于，二维光电探测器(1-2-2)和校准二维光电探测器(1-1-5)为CCD、CMOS、二维光电池阵列、二维光电二极管阵列、具有针孔或狭缝光阑的二维光电探测器阵列、具有荧光转换片的二维光电探测器阵列或具有光纤面板的二维光电探测器阵列。

4.一种采用权利要求1～3任一所述的剪切量标定装置进行光栅剪切干涉波前传感器剪切量标定的方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1)卸下点光源显微聚焦系统(1-1)中的显微物镜(1-1-3)，此时点光源显微光路输出准直的平面波，采用以下操作进行待标定波前传感器(1-2)的调平：

1)将待标定波前传感器(1-2)置于位移调节装置(1-3)上，并沿X、Y方向调节位移，使剪切光栅(1-2-1)位于光轴附近，此时在校准二维光电探测器(1-1-5)处采集到剪切光栅(1-2-1)的衍射级次光斑分布图；

2)调整位移调节装置(1-3)的俯仰、偏摆角度，使各相同衍射级次的光斑亮度相等，此时光轴的方向即垂直于待标定的波前传感器(1-2)所在的平面，调平完成；

步骤2)根据待标定波前传感器(1-2)的尺寸和剪切光栅(1-2-1)的周期大小，选择具有合适数值孔径、焦距的显微物镜(1-1-3)，并装载于所示光路的相应位置；沿位移调节装置(1-3)的Z轴方向调整待标定波前传感器(1-2)的位置，使点光源(1-1-1)聚焦于二维光电探测器(1-2-2)的光敏面上，在二维光电探测器(1-2-2)上观察到点光源各衍射级次的光斑分布；显微物镜(1-1-3)的数值孔径、焦距的选择标准为：在对焦状态下，被照亮的剪切光栅周期数N≥2；

步骤3)从二维光电探测器(1-2-2)所采集到的点光源各衍射级次分布图中，选取衍射级次分别为(M₁,N₁)、(M₂,N₂)的两个衍射光斑，光斑的中心位置分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，单位为像素数或长度，剪切量的标定结果由以下公式计算得到：

其中，C为差分波前提取算法中参与剪切干涉的波前所对应的衍射级次数之差。

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