CN111256582B - 一种瞬态移相横向剪切干涉仪及测量方法 - Google Patents

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CN111256582B CN202010075881.9A CN202010075881A CN111256582B CN 111256582 B CN111256582 B CN 111256582B CN 202010075881 A CN202010075881 A CN 202010075881A CN 111256582 B CN111256582 B CN 111256582B
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Abstract

本发明公开了一种瞬态移相横向剪切干涉仪，包括线性偏振器、偏振分光板、平面反射镜、四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，其中，所述线性偏振器设置于偏振分光板的上方，所述四分之一波片、成像透镜、偏振相机依次设置于所述偏振分光板的一侧，所述偏振分光板与X轴方向呈45°夹角，所述平面反射镜设置于偏振分光板下方并与偏振分光板平行。相应的，本发明还公开了瞬态移相横向剪切干涉仪的测量方法。通过本发明提供了一种测量速度快、剪切量任意可调的瞬态移相横向剪切干涉仪。

Description

一种瞬态移相横向剪切干涉仪及测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种瞬态移相横向剪切干涉仪及测量方法。
背景技术
随着现代精密测量技术的快速发展，光学干涉测量技术得到广泛应用，例如用干涉法实现波面测量的技术方案。现有技术中，横向剪切干涉仪（LSI）可避免引入参考波面，仅通过原始波面与剪切波面进行干涉来实现波面测量。但其大多数系统不适用于非相干光，并且在测量中要根据被测波面的孔径、动态范围、灵敏度、测量精度来确定合适的固定剪切量，对于畸变较大的被测波面需要较小的剪切量，增加剪切量又将导致实际干涉区域和空间分辨率降低。目前的Mach-Zehnder干涉仪其的剪切量通常由剪切干涉仪的参数预先确定，例如光栅周期、板厚和倾斜度等参数，该干涉仪虽可调整剪切量，但其装置复杂、笨重、通用性差。
基于交叉光栅的四波横向剪切干涉仪对光源的带宽没有要求，但由于横向采样分辨率低，导致其图像分辨率受到很大的限制。相移干涉技术（PSI）也应用于横向剪切干涉仪（LSI）中并通过各种相移机制来获得准确的波面，例如楔形板、双光栅步进器、偏振移相器和液晶相位可变延迟器等。但这些相移方法中大多数都需要使用昂贵的压电换能器或线性转换器进行精确的机械运动，且无法快速实现多步相移，环境干扰可能会在波面测量中引入额外误差，从而对波面测量系统的稳定性提出了极高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种瞬态移相横向剪切干涉仪及测量方法，克服了现有技术中的问题，提供了一种测量速度快、剪切量任意可调的瞬态移相横向剪切干涉仪。
为实现上述目的，本发明提供了一种瞬态移相横向剪切干涉仪，包括线性偏振器、偏振分光板、平面反射镜、四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，其中，所述线性偏振器设置于偏振分光板的上方，所述四分之一波片、成像透镜、偏振相机依次设置于所述偏振分光板的一侧，所述偏振分光板与X轴方向呈45°夹角，所述平面反射镜设置于偏振分光板下方并与偏振分光板平行。
优选的，所述偏振分光板的分光面位于所述平面反射镜的一侧，通过任意调整所述偏振分光板与平面反射镜的间距，实现剪切比为从0到1范围中的任意值。
优选的，调整的剪切比为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，其中，u为横向剪切量,T为被测波面的孔径大小。
优选的，被测波面经过所述线性偏振器进入所述偏振分光板，将光束分为透射光p和反射光s，并将透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面，透射光p经所述平面反射镜的反射后，再次经过偏振分光板后的透射光p与反射光s保持光路的同向，所述透射光p与反射光s为横向剪切量为u的光波，所述透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片4后变为两个旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜后被偏振相机采集，并获取4幅相位差为
Figure 761890DEST_PATH_IMAGE002
的瞬态移相干涉图。
优选，所述瞬态移相横向剪切干涉仪还包括重构模块，用于基于波前重构算法对获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。
优选的，所述重构模块包括第一计算单元，用于根据琼斯矩阵计算经过所述四分之一波片后的原始波面
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和剪切波面
Figure 445681DEST_PATH_IMAGE004
，其中，所述原始波面
Figure 33788DEST_PATH_IMAGE003
和剪切波面
Figure 754619DEST_PATH_IMAGE004
用式（1）表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（1）；
其中，u是横向剪切量，k是波数，
Figure 77279DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
是相应的琼斯矩阵系数。
优选的，所述重构模块还包括第二计算单元，用于根据琼斯矩阵计算通过所述偏振相机中的微偏振器阵列后的原始波面
Figure 328875DEST_PATH_IMAGE008
和剪切波面
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 161702DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 443648DEST_PATH_IMAGE009
用式（2）表示为：
Figure 502870DEST_PATH_IMAGE010
（2）；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是所述偏振相机中的微偏振器的琼斯矩阵，其中j=1、2、3、4，其透光轴分别指向0°、45°、90°和135°。
优选，所述重构模块还包括第三计算单元，用于计算所述原始波面
Figure 403830DEST_PATH_IMAGE012
和剪切波面
Figure DEST_PATH_IMAGE013
在所述偏振相机中不同的微偏振器方向上的叠加值
Figure 248421DEST_PATH_IMAGE014
，以及计算所述偏振相机上采集的相应强度
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，其中所述
Figure 717579DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 591994DEST_PATH_IMAGE015
用式（3）表示为：
Figure 421279DEST_PATH_IMAGE016
（3）；
其中，
Figure 963119DEST_PATH_IMAGE015
、是与线偏振方向（0°、45°、90°、135°）相对应的第j个（j=1、2、3、4）相移x方向剪切干涉图的相应光强。
优选的，所述重构模块还包括第四计算单元，用于利用四步相移算法，根据获取的4幅相位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的瞬态移相干涉图，计算x方向的剪切波面
Figure 603179DEST_PATH_IMAGE018
和y方向的剪切波面
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure 408234DEST_PATH_IMAGE019
，并根据差分Zernike多项式拟合的方法，得到被测波面
Figure 260783DEST_PATH_IMAGE020
，其中，
Figure 657130DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 327145DEST_PATH_IMAGE019
通过式（4）、（5）和（6）计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（4）；
Figure 566366DEST_PATH_IMAGE022
（5）；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（6）；
其中，r为x或y剪切方向。
为实现上述目的，本发明提供了一种瞬态移相横向剪切干涉仪的测量方法，所述测量方法包括：
被测波面经过所述线性偏振器进入所述偏振分光板，将光束分为透射光p和反射光s，并将透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面；
透射光p经所述平面反射镜的反射后，再次经过偏振分光板后的透射光p与反射光s保持光路的同向，所述透射光p与反射光s为横向剪切量为u的光波；
所述透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片4后变为两个旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜后被偏振相机采集，并获取4幅相位差为
Figure 940715DEST_PATH_IMAGE002
的瞬态移相干涉图；
根据波前重构算法对所述获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。
与现有技术相比，本发明提供一种瞬态移相横向剪切干涉仪及测量方法，所带来的有益效果为：
（1）、改善了传统横向剪切干涉仪的剪切量由装置参数预先设定以及难以调整的问题，本发明可通过调整偏振分光板与平面反射镜的间隔以实现剪切量的任意可调；
（2）、将被测波面的原始波面和剪切波面两次通过偏振分光板，使色散得到固有补偿，能适用于低相干光的波面测量；
（3）、利用带有微偏振器阵列的偏振相机单帧拍摄，可同时提取到四幅瞬态移相干涉图，无需使用昂贵的压电换能器、线性转换器等机械相移机制，就可实现波面的瞬态干涉测量，具有很强抗干扰能力，提高了测量速度并且降低了测量的成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的瞬态移相横向剪切干涉仪的结构示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的四个相位差为π/2瞬态移相干涉图和被测波面的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例中的不同横向剪切比的干涉图和相应的波面信息的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的瞬态移相横向剪切干涉仪的测量方法的流程图。
附图说明：
1-线性偏振器；2-偏振分光板；3-平面反射镜3；4-四分之一波片；5-成像透镜；6-偏振相机。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明一实施例，本发明提供一种瞬态移相横向剪切干涉仪，包括线性偏振器1、偏振分光板2、平面反射镜3、四分之一波片4、成像透镜5以及偏振相机6，其中，所述线性偏振器1设置于偏振分光板2的上方，所述四分之一波片4、成像透镜5、偏振相机6依次设置于所述偏振分光板2的一侧（如图示中的左侧），所述偏振分光板2与X轴方向呈45°夹角，所述平面反射镜3设置于偏振分光板2下方并与偏振分光板2平行。
被测波面经过线性偏振器1后输出偏振光束，该偏振光束入射到所述偏振分光板2后，所述偏振分光板将该偏振光束分为透射光p和反射光s，将透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面。透射光p经所述平面反射镜3的反射后，再次经过偏振分光板2后的透射光p与反射光s保持光路的同向，所述透射光p与反射光s为横向剪切量为u的光波。所述透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片4后变为两个旋向相反的圆偏振光。两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜5后被偏振相机6采集，在所述偏振相机6获得干涉条纹，所述偏振相机6具有微偏振器阵列，所述微偏振器阵列上具有0°，45°，90°和135°四个彼此相邻的线性偏振器，通过所述偏振相机6进行单帧拍摄，并获取4幅相位差为
Figure 598093DEST_PATH_IMAGE002
的瞬态移相干涉图。所述偏振分光板2的分光面位于所述平面反射镜3的一侧，通过任意调整所述偏振分光板2与平面反射镜3的间距，实现剪切比为从0到1范围内的任意值。通过调整所述偏振分光板2与平面反射镜3的间距，可以获取不同的横向剪切量u。调整的剪切比
Figure 94802DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 696685DEST_PATH_IMAGE001
,u为横向剪切量,T为被测波面的孔径大小。
根据本发明的一具体实施例，所述瞬态移相横向剪切干涉仪还包括重构模块，用于基于波前重构算法对所述获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。
具体地，所述重构模块包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元。光束的偏振和传播可用琼斯矩阵来进行描述。具体地，以x轴剪切方向为例进行说明。所述第一计算单元用于根据琼斯矩阵计算经过所述四分之一波片4后的原始波面
Figure DEST_PATH_IMAGE025
和剪切波面
Figure 422195DEST_PATH_IMAGE026
，其中，所述原始波面
Figure 527554DEST_PATH_IMAGE025
和剪切波面
Figure 162542DEST_PATH_IMAGE026
用式（1）表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（1）；
其中，u是横向剪切量，k是波数，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
是相应的琼斯矩阵系数。
所述第二计算单元用于根据琼斯矩阵计算通过所述偏振相机中的微偏振器阵列后的原始波面
Figure 579617DEST_PATH_IMAGE032
和剪切波面
Figure 702293DEST_PATH_IMAGE033
，其中，
Figure 927738DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 985824DEST_PATH_IMAGE033
用式（2）表示为：
Figure 47452DEST_PATH_IMAGE034
（2）；
其中，
Figure 534672DEST_PATH_IMAGE035
是所述偏振相机中的微偏振器的琼斯矩阵，其中j=1、2、3、4，其透光轴分别指向0°，45°，90°和135°。
所述第三计算单元用于计算所述原始波面
Figure 801574DEST_PATH_IMAGE032
和剪切波面
Figure 92878DEST_PATH_IMAGE033
在所述偏振相机中不同的微偏振器方向上的叠加值
Figure 782748DEST_PATH_IMAGE036
，以及计算所述偏振相机上采集的相应强度
Figure 388173DEST_PATH_IMAGE037
，其中，所述
Figure 588210DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 502945DEST_PATH_IMAGE037
用式（3）表示为：
Figure 522854DEST_PATH_IMAGE038
（3）；
其中，
Figure 931969DEST_PATH_IMAGE040
是与线偏振方向（0°，45°，90°，135°）相对应的第j个（j=1、2、3、4）相移x方向剪切干涉图的相应光强。基于同样的计算原理对于线偏振方向相对应的四个相移y方向剪切干涉图的光强可以表示为
Figure 986513DEST_PATH_IMAGE042
。
所述第四计算单元利用四步相移算法，根据获取的4幅相位差为
Figure 39526DEST_PATH_IMAGE043
的瞬态移相干涉图，计算x方向的剪切波面
Figure 812310DEST_PATH_IMAGE044
和y方向的剪切波面
Figure 618592DEST_PATH_IMAGE045
Figure 137429DEST_PATH_IMAGE045
，并根据差分Zernike多项式拟合的方法，得到被测波面
Figure 3754DEST_PATH_IMAGE046
,其中，
Figure 998255DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 732862DEST_PATH_IMAGE045
通过式（4）、（5）和（6）计算得到；
Figure 496418DEST_PATH_IMAGE047
（4）；
Figure 268065DEST_PATH_IMAGE048
（5）；
Figure 890808DEST_PATH_IMAGE049
（6）；
其中，r为x或y剪切方向。
本发明以x方向剪切波面测量为实例进行详细说明，测量一个基于90°离轴抛物面反射镜的反射准直器的准直波面，偏振分光板2采用中心波长为633nm，厚度为2mm带宽为+17nm/-4.5nm的偏振分光板；偏振相机6采用分辨率为2448×2048像素，象元大小为3.45μm的偏振相机。基于90°离轴抛物面反射镜的反射准直器的波长为633nm的准直光束经过线性偏振器1后变为偏振光束，偏振光束入射到所述偏振分光板2后将偏振光束分为透射光p和反射光s，透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面，调节偏振分光板2和平面反射镜3的间距，使透射光p经所述平面反射镜3反射后再次经过偏振分光板2与反射光s保持光路同向，形成横向剪切量为u的两束光波。透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片4后变为两种旋向相反的圆偏振光；两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜5后被偏振相机6采集，经偏振相机6的微偏振器阵列上0°，45°，90°和135°彼此相邻的四个线性偏振器作用，单帧拍摄并提取得到四个相位差为π/2瞬态移相干涉图，如图2中(a)、(b)、(c)、(d)所示。利用上述方法重构波面得到相应的被测波面信息，如图2中（e）所示。在图2中（e）可以看到反射准直器中反射镜由金刚石车削加工出现的明显划痕，并且其剪切波面的RMS值为0.0212μm。为了进一步说明本发明中横向剪切干涉仪剪切量的任意可调性以及对剪切波面测量结果的影响，本实施例不同程度调节了偏振分光板2和平面反射镜3之间的间隔以获得不同横向剪切量u，调整的剪切比
Figure 38892DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 656955DEST_PATH_IMAGE001
，u为横向剪切量，T为被测波面的孔径大小，其范围为[0，0.18]，并用上述方法提取到不同横向剪切比β的干涉图和相应的波面信息，如图3所示。
如图4所示，根据本发明的一个实施例，本发明提供一种瞬态移相横向剪切干涉仪的测量方法，所述测量方法包括：
S401、被测波面经过所述线性偏振器进入所述偏振分光板，将光束分为透射光p和反射光s，并将透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面；
S402、透射光p经所述平面反射镜的反射后，再次经过偏振分光板后的透射光p与反射光s保持光路的同向，所述透射光p与反射光s为横向剪切量为u的光波；
S403、所述透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片4后变为两个旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜后被偏振相机采集，并获取4幅相位差为
Figure 599504DEST_PATH_IMAGE002
的瞬态移相干涉图；
S404、根据波前重构算法对所述获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。
将被测波面经过所述瞬态移相横向剪切干涉仪，获取到4幅相位差为
Figure 194695DEST_PATH_IMAGE002
的瞬态移相干涉图。根据波前重构算法对所述获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。所述重构算法与上述实施例一致，在此不再做详细描述。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (8)

1.一种瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，包括线性偏振器、偏振分光板、平面反射镜、四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，其中，所述线性偏振器设置于偏振分光板的上方，所述四分之一波片、成像透镜、偏振相机依次设置于所述偏振分光板的一侧，所述偏振分光板与X轴方向呈45°夹角，所述平面反射镜设置于偏振分光板下方并与偏振分光板平行；
被测波面经过所述线性偏振器进入所述偏振分光板，将光束分为透射光p和反射光s，并将透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面，透射光p经所述平面反射镜的反射后，再次经过偏振分光板后的透射光p与反射光s保持光路的同向，所述透射光p与反射光s为横向剪切量为u的光波，所述透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片（ 4） 后变为两个旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜后被偏振相机采集，并获取4幅相位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的瞬态移相干涉图；
所述偏振分光板的分光面位于所述平面反射镜的一侧，通过任意调整所述偏振分光板与平面反射镜的间距，实现剪切比为从0到1范围中的任意值。
2.如权利要求1所述的瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，调整的剪切比为
Figure 413095DEST_PATH_IMAGE002
，其中，u为横向剪切量，T为被测波面的孔径大小。
3.如权利要求2所述的瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，所述瞬态移相横向剪切干涉仪还包括重构模块，用于基于波前重构算法对获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。
4.如权利要求3所述的瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，所述重构模块包括第一计算单元，用于根据琼斯矩阵计算经过所述四分之一波片后的原始波面
Figure 354506DEST_PATH_IMAGE004
和剪切波面
Figure 733535DEST_PATH_IMAGE006
，其中，所述原始波面
Figure 127607DEST_PATH_IMAGE004
和剪切波面
Figure 555178DEST_PATH_IMAGE006
用式（1）表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（1）；
其中，u是横向剪切量，k是波数，
Figure 849631DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 602823DEST_PATH_IMAGE011
是相应的琼斯矩阵系数。
5.如权利要求4所述的瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，所述重构模块还包括第二计算单元，用于根据琼斯矩阵计算通过所述偏振相机中的微偏振器阵列后的原始波面
Figure 218612DEST_PATH_IMAGE013
和剪切波面
Figure 715452DEST_PATH_IMAGE015
，其中，
Figure 162614DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 555550DEST_PATH_IMAGE019
用式（2）表示为：
Figure 720952DEST_PATH_IMAGE020
（2）；
其中，
Figure 755904DEST_PATH_IMAGE022
是所述偏振相机中的微偏振器的琼斯矩阵，其中j=1、2、3、4，其透光轴分别指向0°、45°、90°和135°。
6.如权利要求5所述的瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，所述重构模块还包括第三计算单元，用于计算所述原始波面
Figure 260834DEST_PATH_IMAGE024
和剪切波面
Figure 886988DEST_PATH_IMAGE026
在所述偏振相机中不同的微偏振器方向上的叠加值
Figure 477369DEST_PATH_IMAGE028
，以及计算所述偏振相机上采集的相应强度
Figure 814547DEST_PATH_IMAGE030
，其中，所述
Figure 970722DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 971039DEST_PATH_IMAGE030
用式（3）表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（3）；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
是与线偏振方向（0°、45°、90°、135°）相对应的第j个（j=1、2、3、4）相移x方向剪切干涉图的相应光强。
7.如权利要求6所述的瞬态移相横向剪切干涉仪，其特征在于，所述重构模块还包括第四计算单元，用于利用四步相移算法，根据获取的4幅相位差为
Figure 517558DEST_PATH_IMAGE034
的瞬态移相干涉图，计算x方向的剪切波面
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和y方向的剪切波面
Figure 159892DEST_PATH_IMAGE036
Figure 577098DEST_PATH_IMAGE036
，并根据差分Zernike多项式拟合的方法，得到被测波面
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，其中，
Figure 778010DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 342984DEST_PATH_IMAGE036
通过式（4）、（5）和（6）计算得到：
Figure 257850DEST_PATH_IMAGE038
（4）；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
（5）；
Figure 857459DEST_PATH_IMAGE040
（6）；
其中，r为x或y剪切方向。
8.一种如权利要求1-7任一所述的瞬态移相横向剪切干涉仪的测量方法，
其特征在于，所述测量方法包括：
被测波面经过所述线性偏振器进入所述偏振分光板，将光束分为透射光p和反射光s，并将透射光p和反射光s分别作为剪切波面和原始波面；
透射光p经所述平面反射镜的反射后，再次经过偏振分光板后的透射光p与反射光s保持光路的同向，所述透射光p与反射光s为横向剪切量为u的光波；
所述透射光p和反射光s再经过所述四分之一波片4后变为两个旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的圆偏振光经过成像透镜后被偏振相机采集，并获取4幅相位差为
Figure 199578DEST_PATH_IMAGE001
的瞬态移相干涉图；
根据波前重构算法对所述获取的瞬态移相干涉图进行波前重构，并获取被测波面的信息。
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