CN112013972B - 横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法。该标定装置包括准直光源、带有已知底角度数的多边形相位台阶标定板，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，并结合差分波前的几何特征分布，计算出剪切量的大小，从而实现对波前传感器剪切量的标定。
Description
技术领域
本发明属于光学横向剪切干涉检测领域，涉及一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法。
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-Shear Interferometer Having VariableShear,”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 referencestandard.Part1.The wave-front shearing interferometer,”J.Res.Natl.Bur.Stand.Sect.B65,239–244(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。张周锋等人提出的在先技术(公开号CN201716108U)通过引入激光器调整支架和干涉仪校准平台等固定与调节机构，实现对剪切量的标定，但额外引入的机械结构使整体标定装置过于复杂，且影响了标定方法的易用性。2018年，R.Zhang等提出一种基于差分波前特征提取的剪切量标定方法(Rui Zhang,Yongying Yang,Zijian Liang,Jiabin Jiang,and Tong Ling,"High-precision calibration method for shear ratio based on the shearing wavefrontfeature extraction of a phase plate,"Appl.Opt.57,5121-5129(2018))。该方法以带有矩形凹槽的相位板作为标定物，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，相位板需要精确地沿剪切方向进行摆放，否则将在计算时引入大小为cosδ的角度误差项(δ为偏移角度，如图4、图5所示)，从而影响剪切量标定的精度，并加大了标定过程的操作难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述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方法。基于沿剪切方向上差分波前的特征图形对剪切量进行标定，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导致误差较大的问题。同时，本方法所使用的相位台阶标定板的图案形状为已知底角度数的多边形，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。
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，包括波前发生装置、相位台阶标定板、与待标定的波前传感器相连的计算机，其特征在于，所述的相位台阶标定板的台阶区域形状为一个已知底角度数的多边形，其中，该多边形沿剪切方向上的两个底角分别为α、β，且α+β≠180°；
所述的波前发生装置产生平面波前，依次经所述的相位台阶标定板和所述的待标定的波前传感器后，发生剪切干涉并将采集的干涉图传输至计算机。
所述的相位台阶标定板采用刻蚀或拼接方式加工而成，使入射波前透射经过该相位台阶标定板后，将携带相应形状与振幅大小的相位信息。
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所生成的。
所述的待标定的波前传感器由分光元件与光电探测器组成；其中，入射波前经分光元件后发生剪切干涉，并在光电探测器的光敏面处形成干涉图像；该干涉图像被光电探测器采集后传输至与之相连的计算机，供后续的标定方法所使用。
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。
一种利用所述的剪切量标定装置进行剪切量标定的方法，包含如下步骤：
1)计算机对接收到的干涉图进行傅里叶变换，通过频域滤波的方法提取沿剪切方向上的衍射级次，并平移至频域坐标的原点处，对平移后的频谱进行逆傅里叶变换，相位解包裹后得到沿该剪切方向上的差分波前信息ΔW；
2)对差分波前ΔW进行图像处理，获得特征图形的尺寸信息，其中，底角α所对应的差分波前特征图形的宽度为d1，底角β所对应的差分波前特征图形的宽度为d2；
3)计算待标定的波前传感器的剪切量S，公式如下：
与现有技术相比，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底角度数的多边形，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为横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置结构示意图；
图2(a)为已知底角大小的多边形相位台阶标定板；
图2(b)为采用刻蚀方式加工的相位标定板示意图；
图2(c)为采用拼接方式加工的相位标定板示意图；
图3为采用已知底角的多边形相位台阶标定板所提取的差分波前特征图形示意图；
图4(a)为传统采用矩形凹槽标定板在存在摆放角度误差时所提取的差分波前示意图；
图4(b)为传统采用矩形凹槽标定板的标定方法中摆放误差对标定结果的影响示意图；
图5为传统采用矩形凹槽标定板的标定方法在不同摆放角度误差δ下的差分波前提取示意图，其中(a)为δ＝0°、(b)为δ＝5°、(c)为δ＝10°、(d)为δ＝15°时的情况；
图6为采用等腰直角三角形标定板所提取的差分波前的特征图形示意图；
图7为采用等腰直角三角形标定板的标定方法在不同摆放角度误差δ下的差分波前提取示意图，其中(a)为δ＝0°、(b)为δ＝5°、(c)为δ＝10°、(d)为δ＝15°时的情况。
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，如图所示，一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，包括波前发生装置1-1、相位台阶标定板1-2、待标定的波前传感器1-3、支架1-4，计算机1-5。
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。
作为优选，1-1可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。
所述的相位台阶标定板1-2的图案形状为已知底角度数的多边形，沿剪切方向上的两个底角大小分别为α、β，且α+β≠180°。相位台阶图案区域采用刻蚀(图2b)或拼接(图2c)工艺进行加工。入射波前透射经过该相位台阶标定板后，将携带相应形状与振幅大小的相位信息。当采用刻蚀加工时，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，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，相位台阶标定板1-2台阶区域图案为等腰直角三角形，底边沿剪切方向X放置，底角α＝β＝45°。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。
所述待标定的波前传感器1-3由分光元件1-3-1与光电探测器1-3-2组成：分光元件1-3-1为棱镜、分束器、反光镜或二维光栅结构；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，分光元件1-3-1采用二维改进型Hartmann掩模(Modified HartmannMask,MHM)，光栅周期为80μm。光电探测器选用分辨率为1024×1204的CMOS传感器，像素尺寸为9.9μm×9.9μm。
所述的支架1-4用于固定波前发生装置1-1、相位台阶标定板1-2和待标定的波前传感器1-3。该支架具备多向调节能力，可使所述标定装置的各组件均沿光轴Z摆放，并通过调整各组件的垂直高度，使光轴通过各组件的中心区域。
采用所述剪切量标定装置进行剪切量标定的方法，包含如下步骤：
1)对采集到的干涉图进行傅里叶变换，通过频域滤波的方法提取沿X方向上的+1级衍射级次，并平移至频域坐标的原点处，对平移后的频谱进行逆傅里叶变换，相位解包裹后得到沿X方向上的差分波前信息ΔWX；
2)对差分波前ΔWX进行图像处理，获得特征图形的尺寸信息：α、β分别为标定板多边形图案沿剪切方向上的两个底角的大小，此处α＝β＝45°；d1、d2为α、β两角所对应的差分波前特征图形的宽度；
3)将上述参数带入剪切量S计算公式：
即得到待测波前传感器剪切量S的标定结果。
在待测波前传感器的探测器处，提取到的差分波前ΔWX如图6所示。沿剪切方向X上，底角α、β所对应的差分波前特征图形宽度d1、d2分别为：
d1＝S·sin(45-δ)
d2＝S·sin(45+δ)
其中，δ为本发明并不关心的摆放角度误差。
图7(a)-(d)所示为当摆放角度误差δ分别为0°、2°、5°和10°时的差分波前特征图形情况。采用本方法所述的标定装置和算法，可以有效消除由于标定板摆放角度误差所带来的标定误差。
Claims (8)
1.一种横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置，包括波前发生装置(1-1)、相位台阶标定板(1-2)、与待标定的波前传感器(1-3)相连的计算机(1-5)，其特征在于，所述的相位台阶标定板(1-2)的台阶区域形状为一个已知底角度数的多边形，其中，该多边形沿剪切方向上的两个底角分别为α、β，且α+β≠180°；所述的波前发生装置(1-1)产生平面波前，依次经所述的相位台阶标定板(1-2)和所述的待标定的波前传感器(1-3)后，发生剪切干涉并将采集的干涉图传输至计算机(1-5)。
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，所述的相位台阶标定板(1-2)采用刻蚀或拼接方式加工而成，使入射波前透射经过该相位台阶标定板(1-2)后，将携带相应形状与振幅大小的相位信息。
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所生成的。
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，所述的待标定的波前传感器(1-3)由分光元件(1-3-1)与光电探测器(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，并在光电探测器(1-3-2)的光敏面处形成干涉图像；该干涉图像被光电探测器(1-3-2)采集后传输至与之相连的计算机(1-5)，供后续的标定方法所使用。
5.根据权利要求4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)为棱镜、分束器、反光镜或二维光栅结构；所述的光电探测器(1-3-2)为CCD或CMOS。
6.根据权利要求4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，所述的光电探测器(1-3-2)为二维光电池阵列或二维光电二极管阵列。
7.根据权利要求4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，所述的光电探测器(1-3-2)为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。
8.一种利用权利要求1-5任一所述的剪切量标定装置进行剪切量标定的方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)计算机(1-5)对接收到的干涉图进行傅里叶变换，通过频域滤波的方法提取沿剪切方向上的衍射级次，并平移至频域坐标的原点处，对平移后的频谱进行逆傅里叶变换，相位解包裹后得到沿该剪切方向上的差分波前信息ΔW；
2)对差分波前信息ΔW进行图像处理，获得特征图形的尺寸信息，其中，底角α所对应的差分波前特征图形的宽度为d1，底角β所对应的差分波前特征图形的宽度为d2；
3)计算待标定的波前传感器(1-3)的剪切量S，公式如下：
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| GR01 | Patent grant | ||
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