CN110736544B - 横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及标定方法。该标定装置包括准直光源、圆形相位台阶标定板，以及待标定的横向剪切干涉波前传感器。该标定方法利用差分波前的提取算法，从待标定传感器所采集到的干涉图提取沿剪切方向的差分波前信息，并根据差分波前的特征图形面积大小，计算剪切量的标定结果。本发明采用圆形相位台阶标定板，基于差分波前的特征图形对剪切量进行标定，对相位板的摆放角度无特殊要求，从而在简化了标定装置的同时，提高了剪切量标定的精度。

Description

横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及标定方法

技术领域

本发明属于光学干涉测量领域，特别是一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及标定方法。

背景技术

横向剪切干涉是一种典型的无需标准镜的波前干涉测量技术。待测波前与其自身横向错位后的剪切波前叠加发生干涉。由于不依赖标准镜或小孔衍射产生所需的理想参考波前，故相比于相移点衍射干涉等传统干涉技术，横向剪切干涉技术可以简化光路结构、减小操作难度，具有动态范围大、易于集成化和仪器化等优点，常用于测试大型光学元件的表面面形。此外，等光程、共路的特性使得横向剪切干涉技术受空气扰动和机械振动等环境噪声的影响更小。

横向剪切干涉测量的是待测波前在剪切方向的斜率或差分信息，需要进行波前重建才能获取待测波前自身。而且对于非旋转对称波前，一般需要在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 and J.C.Wyant,“Evaluation ofLarge 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 wave fronts without a reference standard.Part1.Thewave-front shearing interferometer,”J.Res.Natl.Bur.Stand.Sect.B 65,239–244(1961).)。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(如附图5(a)、5(b)、7(a)所示，其中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，提供一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及标定方法。本发明基于沿剪切方向上的差分波前的特征图形对剪切量进行标定，解决了由于各元件的相对位置难以精准确定而导致误差较大的问题。本方法所使用的相位台阶标定板的图案形状为已知半径大小为R的圆形，通过采用相应的标定算法，可以消除实际使用过程中由于标定板摆放角度偏离理想情况时所引入的系统误差，从而提高了标定结果的准确度，且进一步降低了标定操作的复杂度。

本发明的技术解决方案如下：

一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，包括平面波发生装置、相位台阶标定板、连接装置和计算机；其特点在于，所述的连接装置用于固定沿依次放置同光轴的平面波发生装置、相位台阶标定板和待标定的波前传感器，所述的相位台阶标定板具有已知半径R的圆形区域。

所述的波前发生装置出射的平面波前是由点光源经准直和扩束后形成。

所述的相位台阶标定板采用刻蚀或拼接方式加工而成；当平面波前入射至该相位台阶标定板后，透射波前将携带一块圆形区域的相位信息，该区域的形状、相位值大小与相位台阶标定板的形状、相位值大小相同。

所述的分光元件为棱镜、分束器、反光镜或二维光栅结构；

所述的二维光电探测器为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。

利用上述横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置对波前传感器进行剪切量标定的方法，其特点在于，包含如下步骤：

1)将所述的待标定的波前传感器放置在所述的连接装置上并置于所述的相位台阶标定板后，与所述的平面波发生装置、相位台阶标定板同光轴，所述的待标定的波前传感器由沿光轴依次放置的分光元件与二维光电探测器组成；所述的二维光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连；所述的启动所述的平面波发生装置，所述的平面波发生装置产生平面波前，经所述的相位台阶标定板形成携带相位信息的测试波前；该测试波前到达待标定波前传感器的分光元件后，发生剪切干涉并形成干涉图，由位于分光元件后方的二维光电探测器采集干涉图I(x,y)并输入所述的计算机，所述的计算机对二维光电探测器接收到的干涉图I(x,y)进行傅里叶变换，通过频域滤波的方法，提取沿剪切方向X、Y上与剪切量大小对应的衍射级次C(f_x±f₀)、C(f_y±f₀)，并平移至频域坐标的原点处，其中f_x、f_y为频域坐标，f₀为干涉条纹的载波频率在频谱上的位置；对平移后的频谱C(f_x)、C(f_y)进行逆傅里叶变换，解相位包裹后得到沿剪切方向X、Y上的差分波前信息ΔW_x、ΔW_y；

2)对差分波前ΔW_x、ΔW_y进行图像处理，获得特征图形中非重叠区域的面积A_x、A_y；

3)按下列公式计算沿剪切方向X的剪切量S_x、沿剪切方向Y的剪切量S_y：

式中，R为所述的相位台阶标定板(1-2)的圆形半径。

本发明具有如下有益效果：

1.基于差分波前的特征图形对剪切量进行标定，无需精确测量待标定的波前传感器中各组件的尺寸参数，避免了在生产、装调与使用波前传感器的过程中各组件相对位置的改变所引起的系统误差。

2.本方法所使用的相位台阶标定板的图案形状为已知半径大小的圆形，通过采用相应的标定法，可以消除实际使用过程中由于标定板摆放方向偏离剪切方向所引入的标定误差，从而使标定结果更加精确，且进一步降低了标定操作的复杂度。

附图说明

图1是本发明横向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(a)是已知半径为R的圆形相位台阶标定板；

图2(b)是采用刻蚀方式加工的相位标定板；

图2(c)是采用拼接方式加工的相位标定板；

图3是圆形相位台阶标定板的差分波前特征图形示意图；

图4(a)是所述的圆形相位台阶标定板的相位分布；

图4(b)是所述的圆形相位台阶标定板的差分波前特征图形(剪切量为10px时)；

图4(c)是所述的圆形相位台阶标定板的差分波前特征图形(剪切量为50px时)；

图5(a)是传统矩形相位台阶标定板存在摆放角度误差时所提取的差分波前示意图；

图5(b)是传统矩形相位台阶标定板的摆放误差对标定结果的影响示意图；

图6是传统矩形相位台阶标定板在不同摆放角度误差δ下的差分波前提取示意图，(a)δ＝0°、(b)δ＝5°、(c)δ＝10°、(d)δ＝15°；

图7(a)是传统矩形相位台阶标定板的实际差分波前特征图形；

图7(b)是本发明圆形相位台阶标定板的实际差分波前特征图形。

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，以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但并不以此实施例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。

请参阅图1，图1是本发明横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置的结构示意图，由图可见，本发明横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置包括平面波发生装置1-1、相位台阶标定板1-2和连接装置1-4；所述的连接装置1-4用于固定沿依次放置同光轴的平面波发生装置1-1、相位台阶标定板1-2和待标定的波前传感器1-3，所述的相位台阶标定板1-2具有已知半径R的圆形区域；所述的待标定的波前传感器1-3由沿光轴依次放置的分光元件1-3-1与二维光电探测器1-3-2组成；所述的二维光电探测器1-3-2的输出端与计算机的输入端相连。

所述的平面波发生装置1-1产生平面波前，经所述的相位台阶标定板1-2形成携带相位信息的测试波前；该测试波前到达待标定波前传感器1-3的分光元件1-3-1后，发生剪切干涉并形成干涉图，由位于分光元件1-3-1后方的二维光电探测器1-3-2所采集。

波前发生装置1-1用于产生平面波前。所出射的平面波前是由点光源经准直、扩束后所生成的，且该平面波前的面型质量满足剪切量标定的精度需求。

本实施例中，波前发生装置1-1采用光纤激光器出射端的点光源放置在高精度透镜物方焦点处所形成的平面波，也可直接采用激光干涉仪出射的平面波前。出射光波长为532nm。

请参阅图1、2，所述的相位台阶标定板1-2采用刻蚀(图2b)或拼接(图2c)方式加工而成；当平面波前垂直入射至该相位台阶标定板1-2后，透射波前将携带一块圆形区域的相位信息，且该区域的形状、相位值大小与相位台阶标定板1-2的形状、相位值大小相同。当采用刻蚀加工时(图2b)，相位大小

其中n₁为基底材料的折射率，h₁为刻蚀深度，λ为入射光的波长；当采用拼接方式加工时(图2c)，相位大小

其中n₁为基底材料的折射率，n₂为拼接区域材料的折射率，h₂为相位板的厚度，λ为入射光的波长。

本实施例中，所述的相位台阶标定板1-2台阶区域图案为半径R＝300px([px]为像素单位)的圆形。相位板采用刻蚀工艺加工，如图2(b)。基板的材料为熔融石英，折射率n₁＝1.46，刻蚀深度h₁＝300nm。

请参阅图1，所述的待标定的波前传感器1-3由分光元件1-3-1与二维光电探测器1-3-2组成；其中，入射波前经分光元件1-3-1后发生剪切干涉，并在二维光电探测器1-3-2的光敏面处形成干涉图像I(x,y)；该干涉图像I(x,y)被二维光电探测器1-3-2采集，供后续的标定方法所使用。

所述的分光元件1-3-1为棱镜、分束器、反光镜或二维光栅结构；

所述的二维光电探测器1-3-2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。

本实施例中，波前传感器1-3的分光元件1-3-1采用二维改进型Hartmann掩模(MHM)，技术方案见在先技术4(J.Primot,N.Guerineau,Extended Hartmann test basedon the pseudoguiding property of a Hartmann mask completed by a phasechessboard,Appl.Opt.(2000))。光电探测器选用分辨率为2048×2048的CMOS传感器。

利用所述的剪切量标定装置对待标定的波前传感器1-3进行剪切量标定的方法，包含如下步骤：

1)将所述的待标定的波前传感器1-3放置在所述的连接装置1-4上并置于所述的相位台阶标定板1-2后，与所述的平面波发生装置1-1、相位台阶标定板1-2同光轴，所述的待标定的波前传感器1-3由沿光轴依次放置的分光元件1-3-1与二维光电探测器1-3-2组成；所述的二维光电探测器1-3-2的输出端与所述的计算机的输入端相连；所述的启动所述的平面波发生装置1-1，所述的平面波发生装置1-1产生平面波前，经所述的相位台阶标定板1-2形成携带相位信息的测试波前；该测试波前到达待标定波前传感器1-3的分光元件1-3-1后，发生剪切干涉并形成干涉图，由位于分光元件1-3-1后方的二维光电探测器1-3-2采集干涉图I(x,y)并输入所述的计算机，所述的计算机对二维光电探测器接收到的干涉图I(x,y)进行傅里叶变换，通过频域滤波的方法，提取沿剪切方向X、Y上与剪切量大小对应的衍射级次C(f_x±f₀)、C(f_y±f₀)，并平移至频域坐标的原点处，其中f_x、f_y为频域坐标，f₀为干涉条纹的载波频率在频谱上的位置；对平移后的频谱C(f_x)、C(f_y)进行逆傅里叶变换，解相位包裹后得到沿剪切方向X、Y上的差分波前信息ΔW_x、ΔW_y；

2)对差分波前ΔW_x、ΔW_y进行图像处理，获得特征图形中非重叠区域的面积A_x、A_y；

3)按下列公式计算沿剪切方向X的剪切量S_x、沿剪切方向Y的剪切量S_y：

式中，R为所述的相位台阶标定板1-2的圆形半径。

请参阅图3，C₁、C₂为两个剪切波前的圆心所在位置坐标，R为圆形相位台阶的半径大小，S为待标定的剪切量，根据几何关系，计算非重叠区域面积(图中浅灰色部分所示)：

请参阅图4，图4(a)为圆形相位台阶标定板的相位分布；图4(b)为当剪切量为10px时，差分波前的特征图形；图4(c)为当剪切量为50px时，差分波前的特征图形；

请参阅图5、6，图5(a)所示为当传统的矩形相位台阶标定板存在摆放角度误差时，所提取的差分波前示意图；图5(b)所示，当摆放角度存在大小为δ的误差时，该标定方法将会引入大小为cosδ的误差项。图6所示为矩形相位台阶标定板在不同摆放角度误差δ下的差分波前示意图，(a)δ＝0°、(b)δ＝5°、(c)δ＝10°、(d)δ＝15°；

本实施例中，以X方向的剪切量标定为例：

图7(a)所示，为采用传统的矩形相位台阶标定板所提取的差分波前ΔW_x，由于矩形的边未与剪切方向X、Y重合，故引入了大小为cosδ的误差项，其中δ为未知的摆放角度误差。

作为对比，本发明采用圆形相位台阶标定板，台阶区域半径R＝300[px]。图7(b)所示为沿剪切方向X上的差分波前ΔW_x，特征图形的面积A_x＝18000[px²]。采用数值分析的方法，令收敛误差ε<10[px²]，带入方程

中，得到沿X方向的剪切量标定结果为S_x＝14.47[px]。该标定结果与圆形相位台阶标定板的摆放角度无关。

Claims (6)

1.一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，包括平面波发生装置(1-1)、相位台阶标定板(1-2)、连接装置(1-4)和计算机；其特征在于，所述的连接装置(1-4)用于固定沿依次放置同光轴的平面波发生装置(1-1)、相位台阶标定板(1-2)和待标定的波前传感器(1-3)，所述的相位台阶标定板(1-2)具有已知半径R的圆形区域，所述的待标定的波前传感器(1-3)由沿光轴依次放置的分光元件(1-3-1)与二维光电探测器(1-3-2)组成。

2.根据权利要求1所述的横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，其特征在于，所述的波前发生装置(1-1)出射的平面波前是由点光源经准直和扩束后形成。

3.根据权利要求1所述的横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，其特征在于，所述的相位台阶标定板(1-2)采用刻蚀或拼接方式加工而成；当平面波前入射至该相位台阶标定板(1-2)后，透射波前将携带一块圆形区域的相位信息，该区域的形状、相位值大小与相位台阶标定板(1-2)的形状、相位值大小相同。

4.根据权利要求1所述的横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，其特征在于，所述的分光元件(1-3-1)为分束器、反光镜或二维光栅结构。

5.根据权利要求1所述的横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，其特征在于，所述的二维光电探测器(1-3-2)为CCD、CMOS或二维光电池阵列。

6.利用权利要求1-5任一所述的横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置对波前传感器(1-3)进行剪切量标定的方法，其特征在于，包含如下步骤：

1)将所述的待标定的波前传感器(1-3)放置在所述的连接装置(1-4)上并置于所述的相位台阶标定板(1-2)后，与所述的平面波发生装置(1-1)、相位台阶标定板(1-2)同光轴，所述的待标定的波前传感器(1-3)由沿光轴依次放置的分光元件(1-3-1)与二维光电探测器(1-3-2)组成；所述的二维光电探测器(1-3-2)的输出端与所述的计算机的输入端相连；启动所述的平面波发生装置(1-1)，所述的平面波发生装置(1-1)产生平面波前，经所述的相位台阶标定板(1-2)形成携带相位信息的测试波前；该测试波前到达待标定波前传感器(1-3)的分光元件(1-3-1)后，发生剪切干涉并形成干涉图，由位于分光元件(1-3-1)后方的二维光电探测器(1-3-2)采集干涉图I(x,y)并输入所述的计算机，所述的计算机对二维光电探测器(1-3-2)接收到的干涉图I(x,y)进行傅里叶变换，通过频域滤波的方法，提取沿剪切方向X、Y上与剪切量大小对应的衍射级次C(f_x±f₀)、C(f_y±f₀)，并平移至频域坐标的原点处，其中f_x、f_y为频域坐标，f₀为干涉条纹的载波频率在频谱上的位置；对平移后的频谱C(f_x)、C(f_y)进行逆傅里叶变换，解相位包裹后得到沿剪切方向X、Y上的差分波前信息ΔW_x、ΔW_y；

2)对差分波前ΔW_x、ΔW_y进行图像处理，获得特征图形中非重叠区域的面积A_x、A_y；

3)按下列公式计算沿剪切方向X的剪切量S_x、沿剪切方向Y的剪切量S_y：

式中，R为所述的相位台阶标定板(1-2)的圆形半径。

Images