CN114136466B - 一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法 - Google Patents

一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法，所述实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置包括在主光轴上依次同心放置的被测元件、标准镜、分束棱镜、起偏器、第一晶体偏振分束器、1/4波片、第二晶体偏振分束器、正交光栅、透镜、空间滤波器、成像透镜、检偏器阵列、CCD相机；还包括与主光轴平行且同心设置的激光光源、衰减片、物镜、针孔、透镜；所述激光光源的光束经过透镜后通过平面反射镜进入分束棱镜。本发明可以在单次采集的情况下同步获得四幅两组相同相移量的横向剪切干涉图，无需使用机械相移机制，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。

Description

一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法。
背景技术
横向剪切干涉技术是通过一定的光机系统，将待测波前分为完全相同的在空间上具有一定横向位移的两束待测波前。这项技术的应用，避免了在光学干涉中采用标准波前时所引入的系统误差，也可以在一定程度上简化系统的结构，降低测试系统对光学元件的精度影响，提高测量精度。
在现有技术中，仍存在剪切元件复位不准引起的剪切量计算不准确、剪切干涉图采样点太少造成的面形重构精度不高等问题。目前实现横向剪切干涉的方法有很多，如基于交叉光栅横向剪切干涉仪的共光路紧凑波前诊断系统(Tong Ling,ect,“Common-pathand compact wavefront diagnosissystem based on cross gratinglateralshearinginterferometer”.AppliedOpticsVol.53,Issue 30,pp.7144-7152，2014)中提出了一种基于交叉光栅横向剪切干涉仪的连续和瞬态波前测量共路紧凑诊断系统，此系统以十字交叉光栅作为剪切元件，利用掩膜版只让±1级次的衍射光通过，实现x和y两个方向上的横向剪切。该系统结构简单易于操作，但是对于光栅的制作精度要求非常高，且横向采样分辨率低，导致其图像分辨率受到很大的限制。
如单曝光自由曲面轮廓仪(YONGBUMSEO,etc.,“Single-shot freeform surfaceprofiler”Vol.28,No.3/3February 2020,Optics Express,3401-3409)中提出了一种基于空间移相横向剪切干涉法的测量自由曲面的新方法。利用双折射晶体实现剪切干涉，但光路搭建较为复杂，是非共光路系统，调试难度大，容易产生额外的误差；如在专利“移相横向剪切干涉仪(200710045147.2)”，“偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法(200710047254.9)”和“偏振移相双剪切干涉波面测量仪(200720075604.8)”中描述了一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法，它通过固定的波片和旋转的检偏器组成相移系统，通过两块平行平板实现剪切。该仪器对于平行平板的定位精度要求非常高，且通过一定的机械运动机构实现相移，因此，干涉图的获取对系统环境的变化比较敏感。
如在专利“一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法(CN202011643062.6)”中描述了一种基于直角反射棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法，利用四个直角棱镜产生具有一定横向位移参考光和测试光，并且将其中一个直角反射棱镜安装在一维位移器上，通过一维位移器可以控制直角反射棱镜沿其斜边或直角边方向移动，来改变剪切量，因此需要一定的运动机构支撑,所以环境的变化将对测量结果产生影响。系统中剪切的实现需要保证四个直角反射棱镜在一定的空间姿态下，直角反射棱镜的反射表面面形误差和空间定位误差将降低系统的测量精度。
综上所述现有技术的问题是：实现多方向横向剪切的干涉方法的光路较为复杂，需要搭建两条或以上的光路来实现多方向剪切。调试难度较大、设计成本高、结构复杂、稳定性差且极容易引入额外的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法，克服了现有技术中的问题。本发明的核心思想在于，利用两块具有双折射效应的晶体偏振分束器组合同步实现瞬时两步相移的横向剪切干涉。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，包括在主光轴上依次同心放置的被测元件、标准镜、分束棱镜、起偏器、第一晶体偏振分束器、1/4波片、第二晶体偏振分束器、正交光栅、第二透镜、空间滤波器、成像透镜、检偏器阵列、CCD相机，所述CCD相机与计算机相连接；还包括与主光轴平行且同心设置的激光光源、衰减片、物镜、针孔、第一透镜；所述激光光源的光束经过第一透镜后通过平面反射镜进入分束棱镜；所述起偏器的角度相对于x轴方向成45°，1/4波片的快轴方向与x轴正方向的夹角为45°；所述第一晶体偏振分束器在水平放置时光轴方向与x轴正方向夹角为45°，第二晶体偏振分束器与第一晶体偏振分束器为双折射晶体，正交放置；所述检偏器阵列由四个偏振片方形阵列组合，相邻两个偏振片的透光轴分别沿x方向和y方向。
上述激光光源为JDSU氦氖激光器，波长为632.8mm，功率为0.5mw，激光的偏振方向为具有随机偏振特性。
上述正交光栅为位相型光栅，产生固定相移量为π/2。
一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量方法，基于上述实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，具体包含下列步骤：
步骤一、由被测元件7反射的入射光经过标准镜8成像在分束棱镜9之上，经过起偏器10后垂直入射至第一晶体偏振分束器11；
步骤二、从第一晶体偏振分束器11出射的光波经过1/4波片12后变为两束旋向相反的圆偏振光，该圆偏振光再次经过第二晶体偏振分束器13后分束成为四束线偏振光；
步骤三、步骤二中出射的线偏振光经过正交光栅14衍射分光后，通过空间滤波器16，只让四束(±1，±1)级衍射光通过；
步骤四、步骤三中出射的所有衍射光在检偏器阵列18上发生干涉，之后在CCD相机19的靶面上接收到四幅瞬时两步相移的横向剪切干涉图，其中通过检偏器阵列中透偏角度相同的偏振片得到的两幅干涉图为一组，对比两组干涉图，得到固定相移量。
上述步骤二中，晶体偏振分束器从晶体偏振分束器出射两束具有横向位移的线偏振光，即o光和e光；出射时，o光和e光的相位差为：
其中，λ为晶体偏振分束器的工作波长，no、ne分别为从晶体偏振分束器出射的o光和e光的折射率，Lo、Le分别为o光和e光的光程，Lo、Le都可根据晶体厚度计算得出。
上述步骤四中，固定相移量为
与现有技术相比，本发明提供一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置及方法，所带来的有益效果为：
(1)操作简便：本发明不需要任何机械运动就可以在单次采集的情况下同步获得四幅两组相同相移量的横向剪切干涉图，以减少多次采集步骤，并且剪切的实现是通过共光路光学系统实现的。
(2)本发明利用由四个角度不同的偏振片组合而成的检偏器阵列，实现两组相同相移量的横向剪切干涉图同时获取，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。
(3)由式(1)可知剪切量固定，避免了剪切量计算问题，减少计算误差。
(4)在剪切干涉图获取的过程中，剪切的实现是通过共光路光学系统实现，无需搭建两条或以上光路，光路调试简单，且适用于低相干光的波面测量。
附图说明
图1是实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量的装置原理图。
图2是基于两个晶体偏振分束器实现四波剪切的示意图。
图3是空间滤波器结构示意图。
图4是组合检偏器阵列中各偏振片透振方向示意图。
图5是同步获取到的两组具有一定相移量的横向剪切干涉图。
图6是瞬时两步相移横向剪切干涉图波前重构流程图。
图7是随机两步相移算法的原理示意图。
图中，激光光源1、衰减片2、物镜3、针孔4、第一透镜5、平面反射镜6、被测元件7、标准镜8、分束棱镜9、起偏器10、第一晶体偏振分束器11、1/4波片12、第二晶体偏振分束器13、正交位相光栅14、第二透镜15、空间滤波器16、成像透镜17、检偏器阵列18、CCD相机19。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，包括在主光轴上依次同心放置的被测元件7、标准镜8、分束棱镜9、起偏器10、第一晶体偏振分束器11、1/4波片12、第二晶体偏振分束器13、正交光栅14、第二透镜15、空间滤波器16、成像透镜17、检偏器阵列18、CCD相机19，所述CCD相机19与计算机20相连接；还包括与主光轴平行且同心设置的激光光源1、衰减片2、物镜3、针孔4、第一透镜5；所述激光光源1的光束经过第一透镜5后通过平面反射镜6进入分束棱镜9。
上述激光光源1为JDSU氦氖激光器，波长632.8mm，0.5mw，随机偏振。
上述起偏器10的角度相对于x轴方向成45°，1/4波片的快轴方向与x轴正方向的夹角为45°。
上述第一晶体偏振分束器11在水平放置时光轴方向与x轴正方向夹角为45°，第二晶体偏振分束器13与第一晶体偏振分束器11正交放置。
如图3所示，所述空间滤波器16为方形片，与检偏器阵列18对应的中心位置开有四个方形2×2阵列小孔。
如图4所示，上述检偏器组合阵列18由四个偏振片方形阵列组合，相邻两个偏振片的透光轴分别沿x轴正方向和y轴正方向。
基于以上装置，本发明还公开了一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量方法，具体包括以下步骤：
①由被测元件7反射的入射光经过标准镜8成像在分束棱镜9之上，经过起偏器10后垂直入射至第一晶体偏振分束器11；
②从第一晶体偏振分束器11出射的光波经过1/4波片12后变为两束旋向相反的圆偏振光，该圆偏振光再次经过第二晶体偏振分束器13后分束成为四束线偏振光；
③步骤②中出射的线偏振光经过正交光栅14衍射分光后，通过空间滤波器16，只让四束(±1,±1)级衍射光通过；
④步骤③中出射的所有衍射光在检偏器阵列18上发生干涉，之后在CCD相机19的靶面上接收到四幅瞬时两步相移的横向剪切干涉图，这四幅干涉图是光波通过检偏器阵列的两个不同透偏角度之后得到的，其中通过检偏器阵列中透偏角度相同的偏振片得到的两幅干涉图为一组，这两组干涉图之间具有一定的固定相移量其中δc为晶体偏振分束器出射o光与e光的相位差，具体由式(1)给出。
由于晶体偏振分束器具有双折射特性，所以测试波前出射时分束成具有一定横向位移的两束振动方向互相垂直的线偏振光，即o光和e光；出射时，o光和e光的相位差为：
其中，λ为晶体偏振分束器的工作波长，no、ne分别为从晶体偏振分束器出射的o光和e光的折射率，Lo、Le分别为o光和e光的光程，Lo、Le都可根据晶体厚度计算得出。
这两束光，即o光和e光，经过1/4波片12，由于该1/4波片12的快轴方向与x轴正方向的夹角为45°，因此，入射的两束线偏振光分别变为左旋和右旋圆偏振光。
该圆偏振光垂直照射到第二晶体偏振分束器13上，经过晶体偏振分束器13分束后，这两束圆偏振光再次分束为四束线偏振光，实现波面的再次分束。如图2所示，本发明通过基于两个晶体偏振分束器实现瞬时两步相移的横向剪切干涉。
分束后的光波经过正交光栅14衍射分光，分束成为不同级次的衍射光，分束后的光波被四孔空间滤波器16滤波后，只有(±1,±1)级次的衍射光通过。
如图5所示，图5为同步获取到的两组具有一定相移量的横向剪切干涉图。
这四束衍射光在经过检偏器阵列18后进入CCD相机19，检偏器阵列18由四个偏振片拼接而成，相邻两个偏振片的透光轴分别沿x轴正方向和y轴正方向；最终在计算机20上接收到四幅剪切干涉图，这四幅干涉图是光波通过检偏器阵列的两个不同透偏角度之后得到的，其中通过阵列中透偏角度相同的偏振片得到的两幅干涉图为一组，这两组干涉图之间具有一定的固定相移量
上述出射光经过检偏器阵列18后，当通过透偏方向为0°，即沿x轴方向的检偏器时，出射的四束光波的琼斯矢量表达式分别为：
E2＝0 (4)
E4＝0 (6)
当通过透偏方向为90°(即沿y轴方向)的检偏器时，出射的四束光波的琼斯矢量表达式分别为：
E1＝0 (7)
E3＝0 (9)
其中，式(5)、(8)和(10)中δc为晶体偏振分束器出射o光与e光的相位差。
这四束光波分别干涉后，可以在CCD相机靶面上接收到四幅干涉图，在被测元件携带的初始相位为的情况下，其中通过透偏方向为0°的检偏器时，则由E1和E3这两束光波叠加产生干涉，其干涉图的光强表达式可表示为：
当通过透偏方向为90°的检偏器时，则由E2和E4这两束光波叠加产生干涉，其干涉图的光强表达式可表示为：
式(11)和(12)中，为被测元件面形携带的初始相位。
由上述特征可知，本发明所提供的测量装置可以在CCD上同步获取到四幅瞬时两步相移的横向剪切干涉图，并且获取到的这两组干涉图之间有一定的固定相移量
通过本发明提供的测量装置，如图6所示，可以进行波面重构，具体包含下列步骤：
步骤1，图像采集：
根据原理图搭建装置光路，获取四幅瞬时两步相移的横向剪切干涉图；
步骤2，利用随机两步相移算法，如图7原理示意图所示，分别对通过x和y方向检偏器获取到的两组有相移的横向剪切干涉图I1、I2进行相位解调，求解出待测相位的值；
其中，δK为最小二乘矩阵K阶求解的相移量，为背景光强。
步骤3，对求解出的待测相位进行相位解包，求解出相位展开后差分波面；并利用Zernike多项式拟合方法进行波面拟合求解待测面形。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，其特征在于：
包括在主光轴上依次同心放置的被测元件(7)、标准镜(8)、分束棱镜(9)、起偏器(10)、第一晶体偏振分束器(11)、1/4波片(12)、第二晶体偏振分束器(13)、正交光栅(14)、第二透镜(15)、空间滤波器(16)、成像透镜(17)、检偏器阵列(18)、CCD相机(19)，所述CCD相机(19)与计算机(20)相连接；还包括与主光轴平行且同心设置的激光光源(1)、衰减片(2)、物镜(3)、针孔(4)、第一透镜(5)；所述激光光源(1)的光束经过第一透镜(5)后通过平面反射镜(6)进入分束棱镜(9)；所述起偏器(10)的角度相对于x轴方向成45°，1/4波片的快轴方向与x轴正方向的夹角为45°；所述第一晶体偏振分束器(11)在水平放置时光轴方向与x轴正方向夹角为45°，第二晶体偏振分束器(13)与第一晶体偏振分束器(11)为双折射晶体，正交放置；所述检偏器阵列(18)由四个偏振片方形阵列组合，相邻两个偏振片的透光轴分别沿x方向和y方向。
2.根据权利要求1所述的一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，其特征在于：
所述激光光源(1)为JDSU氦氖激光器，波长为632.8mm，功率为0.5mw，激光的偏振方向为具有随机偏振特性。
3.根据权利要求1所述的一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，其特征在于：
所述正交光栅(14)为位相型光栅，产生固定相移量为π/2。
4.一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量方法，基于权利要求1-3任一项所述的实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量装置，其特征在于，具体包含下列步骤：
步骤一、由被测元件(7)反射的入射光经过标准镜(8)成像在分束棱镜(9)之上，经过起偏器(10)后垂直入射至第一晶体偏振分束器(11)；
步骤二、从第一晶体偏振分束器(11)出射的光波经过1/4波片(12)后变为两束旋向相反的圆偏振光，该圆偏振光再次经过第二晶体偏振分束器(13)后分束成为四束线偏振光；
步骤三、步骤二中出射的线偏振光经过正交光栅(14)衍射分光后，通过空间滤波器(16)，只让四束(±1，±1)级衍射光通过；
步骤四、步骤三中出射的所有衍射光在检偏器阵列(18)上发生干涉，之后在CCD相机(19)的靶面上接收到四幅瞬时两步相移的横向剪切干涉图，其中通过检偏器阵列中透偏角度相同的偏振片得到的两幅干涉图为一组，对比两组干涉图，得到固定相移量。
5.根据权利要求4所述的一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量方法，其特征在于：
所述步骤二中，从第一晶体偏振分束器(11)出射的光波是从晶体偏振分束器出射两束具有横向位移的线偏振光，即o光和e光；出射时，o光和e光的相位差为：
其中，λ为第一晶体偏振分束器的工作波长，no、ne分别为从第一晶体偏振分束器出射的o光和e光的折射率，Lo、Le分别为o光和e光的光程，Lo、Le都可根据晶体厚度计算得出。
6.根据权利要求5所述的一种实现瞬时两步相移的横向剪切干涉测量方法，其特征在于：所述步骤四中，固定相移量为
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