CN114323312B - 一种实现同步四波横向剪切干涉测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现同步四波横向剪切干涉测量装置及方法，属于光学测量技术领域，解决了现有技术结构复杂、成本高，存在其他级次衍射光影响的问题。本发明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同步四波横向剪切，具体为一种实现同步四波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、第一λ/4波片、第二晶体偏振分束器、第二λ/4波片、检偏器、成像透镜、CCD相机，还包括与主光轴平行且同心设置的激光光源、显微物镜、透镜和平面反射镜。本发明光路调试简单，避免了二维光栅透射级次限定的问题，设计成本低、抗干扰能力强，稳定性和可靠性较好。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种实现同步四波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够高等问题。目前实现横向剪切干涉的方法有很多，如用于瞬态波前检测的四波横向剪切干涉系统(朱文华，陈磊等)中四波横向剪切干涉仪一般采用二维光栅作为分光器件将待测波前分为四支，并使他们发生横向剪切干涉，此时得到的单幅载频干涉图中包含两正交方向的差分波前信息，通过波前重构，可实现瞬态波前检测，表现出的优点是系统结构简单易于操作，分光效率高。由于二维光栅很难设计成理想的正弦透射结构以实现只产生(±1,±1)级四支光，故而只能设计成近似正弦透射结构的矩形结构以较大程度上地抑制其他级次的衍射光。虽然其他级次的衍射光较弱，但难免会对干涉图产生影响。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。
根据现有技术的问题是：二维光栅实现四波横向剪切的干涉方法，设计理想的正弦透射结构只产生(±1,±1)级四支光难度大、结构复杂、成本高，避免不了其他级次衍射光的影响，另外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且极容易引入额外的相移误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现同步四波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同步四波横向剪切。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种实现同步四波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、第一λ/4波片、第二晶体偏振分束器、第二λ/4波片、检偏器、成像透镜、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、显微物镜、透镜和平面反射镜；所述激光光源的光束经过透镜扩束准直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°，第一λ/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其光轴方向与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均为双折射晶体，且正交放置；所述第二λ/4波片的快轴方向与x轴正方向的夹角为90°，检偏器的偏透光轴相对于x轴方向成45°。
上述激光光源为JDSU氦氖激光器，波长632.8mm，0.5mw，随机偏振。
一种实现同步四波横向剪切干涉测量方法，基于上述实现同步四波横向剪切干涉测量装置，具体包含下列步骤：
步骤一、由被测元件反射的入射光经过标准镜成像在分束棱镜之上，经过起偏器后垂直入射至第一晶体偏振分束器；
步骤二、从第一晶体偏振分束器出射的光波经过第一λ/4波片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第二λ/4波片后，产生四束携带固定相位延迟量的圆偏振光，两束左旋圆偏振光和两束右旋圆偏振光；
步骤四、步骤三中出射的四束圆偏振光在检偏器上发生干涉，之后在CCD相机的成像面板上接收到一幅实现同步四波横向剪切干涉图，其中通过检偏器偏透光轴后得到矢量方向一致的六组干涉波，两两相互叠加干涉，且得到固定相移量。
上述步骤二中，第一晶体偏振分束器，是从第一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，固定相移量约为其中δc经计算得知，该值非常小，可忽略不计。
与现有技术相比，本发明提供一种实现同步四波横向剪切干涉测量装置及方法，所带来的有益效果为：
(1)光路调试简单，且适用于低相干光的波面测量，相移共光路，本发明即可通过共光路光学系统实现在单次采集的情况下同步获得四波横向剪切干涉图，对干涉光路中光学器件的质量要求也可降低。
(2)本发明采用两块具有双折射效应的晶体偏振分束器组合同步实现同步四波横向剪切，避免了二维光栅透射级次限定的问题，且具有结构简单、设计成本低、抗干扰能力强，稳定性和可靠性较好，以及可实现波面的瞬态干涉测量等优点，提高了测量速度并且降低了测量的成本。
(3)采用偏振干涉，噪声及与被测波前不相干信息被抑制，并且不需要剪切量的标定，有效减少了系统的随机误差和额外相移误差。
(4)利用固定偏透角度为45°或135°的检偏器实现偏振光的空间相移与剪切干涉，可以同步实现得到四束光波两两叠加的六组干涉波，且具有相近的固定相移量。
附图说明
图1是实现同步四波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同步实现四波横向剪切干涉的示意图。
图3是经过第二晶体偏振分束器四个光斑剪切的示意图。
图4是同步获取得到的单幅四波横向剪切干涉图。
图5是单幅四波横向剪切干涉图经过傅里叶变换后的频谱图。
图6是实现同步四波横向剪切干涉波前重构流程图。
图7是差分Zernike多项式法重构待测面形的原理示意图。
图中，激光光源1、显微物镜2、透镜3、平面反射镜4、被测元件5、标准镜6、分束棱镜7、起偏器9、第一晶体偏振分束器9、第一λ/4波片10、第二晶体偏振分束器11、第二λ/4波片12、检偏器13、成像透镜14、CCD相机15。
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，一种实现同步四波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5、标准镜6、分束棱镜7、起偏器8、第一晶体偏振分束器9、第一λ/4波片10、第二晶体偏振分束器11、第二λ/4波片12、检偏器13、成像透镜14、CCD相机15，所述CCD相机15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1、显微物镜2、透镜3和平面反射镜4；所述激光光源1的光束经过透镜3扩束准直后通过平面反射镜4进入分束棱镜7。
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8的角度相对于x轴方向成45°，第一λ/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9在水平放置时其光轴方向与x轴正方向夹角为45°，第二晶体偏振分束器11与第一晶体偏振分束器9均为双折射晶体，且正交放置；
上述第二λ/4波片12的快轴方向与x轴正方向的夹角为90°，检偏器13的偏透光轴相对于x轴方向成45°。
如图3所示，所述第二晶体偏振分束器11出射四束光波，且四个光斑两两相互横向剪切。
如图4所示，上述通过第二λ/4波片12和检偏器13后四束光波发生干涉，之后在CCD相机的成像面板上接收到的一幅实现同步四波横向剪切干涉图，形成矢量方向一致的六组干涉波，两两相互叠加干涉，且得到固定相移量。
基于以上装置，本发明还公开了一种实现同步四波横向剪切干涉测量方法，具体包括以下步骤：
①由被测元件5反射的入射光经过标准镜6成像在分束棱镜7之上，经过起偏器8后垂直入射至第一晶体偏振分束器9；
②从第一晶体偏振分束器9出射的光波经过第一λ/4波片10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11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第二λ/4波片12后，产生四束携带固定相位延迟量的圆偏振光(两束左旋圆偏振光和两束右旋圆偏振光)；
④步骤③中出射的四束圆偏振光在检偏器13上发生干涉，之后在CCD相机的成像面板上接收到一幅实现同步四波横向剪切干涉图，其中通过检偏器偏透光轴后得到矢量方向一致的六组干涉波，两两相互叠加干涉，且得到固定相移量。
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，经过第一λ/4波片10，由于该第一λ/4波片10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11上，经过第二晶体偏振分束器11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同步四波的横向剪切干涉。
分束后的光波经过第二λ/4波片12后，产生四束携带固定相位延迟量的圆偏振光(两束左旋圆偏振光和两束右旋圆偏振光)。
如图4所示，图4为同步获取得到的单幅四波横向剪切干涉图。
这四束光波在经过检偏器13产生相移干涉后进入CCD相机的成像面板，并接收得到一幅实现同步四波横向剪切干涉图，其中通过检偏器偏透光轴后得到矢量方向一致的六组干涉波，两两相互叠加干涉，且得到固定相移量。
上述出射光波经过检偏器13后，当通过透偏光轴方向为45°时，出射的四束光波的琼斯矢量表达式分别为：
上式(3)、(4)和(5)中δc为晶体偏振分束器出射o光与e光的相位差。当通过透偏光轴方向为135°时，出射的四束光波的琼斯矢量表达式与上述相同。
这四束光波经过检偏器13后产生相移干涉，并可以在CCD相机成像面板上接收得到一幅实现同步四波横向剪切干涉图。假设在被测元件携带的初始相位为的情况下，其中通过透偏光轴方向为45°的检偏器13时，则有E1、E2、E3和E4这四束光波两两互相叠加产生干涉，形成六组具有固定相移量的干涉波，其干涉图的光强表达式分别可表示为：
上式(6)-(11)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上获取到单幅实现同步四波横向剪切干涉图，并且得到六组矢量方向一致的干涉波，两两相互叠加干涉，且得到固定相移量。
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，获取单幅实现同步四波横向剪切干涉图；
步骤2，利用傅里叶变换FT操作，如图5频谱示意图所示，分别对频谱图取x方向的+1级频谱和y方向+1级频谱，然后再通过傅里叶逆变换FT-1操作进行相位解调和相位解包，并分别求解得出x方向和y方向的差分相位分布。
步骤3，对求解出相位展开后x方向的差分波面和y方向的差分波面，并利用差分Zernike多项式拟合方法进行波面重构，求解出待测面形。
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 (5)
1.一种实现同步四波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(5)、标准镜(6)、分束棱镜(7)、起偏器(8)、第一晶体偏振分束器(9)、第一λ/4波片(10)、第二晶体偏振分束器(11)、第二λ/4波片(12)、检偏器(13)、成像透镜(14)、CCD相机(15)，所述CCD相机(15)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(1)、显微物镜(2)、透镜(3)和平面反射镜(4)；所述激光光源(1)的光束经过透镜(3)扩束准直后通过平面反射镜(4)进入分束棱镜(7)；所述起偏器(8)的角度相对于x轴方向成45°，第一λ/4波片(10)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(9)在水平放置时其光轴方向与x轴正方向夹角为45°，第二晶体偏振分束器(11)与第一晶体偏振分束器(9)均为双折射晶体，且正交放置；所述第二λ/4波片(12)的快轴方向与x轴正方向的夹角为90°，检偏器(13)的透光轴相对于x轴方向成45°。
2.根据权利要求1所述的一种实现同步四波横向剪切干涉测量装置，其特征在于：所述激光光源为JDSU氦氖激光器，波长为632.8mm，功率为0.5mw，随机偏振。
3.一种实现同步四波横向剪切干涉测量方法，基于权利要求1所述的实现同步四波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(5)反射的入射光经过标准镜(6)成像在分束棱镜(7)之上，经过起偏器(8)后垂直入射至第一晶体偏振分束器(9)；
步骤二、从第一晶体偏振分束器(9)出射的光波经过第一λ/4波片(10)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(11)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第二λ/4波片(12)后，产生四束携带固定相位延迟量的圆偏振光，两束左旋圆偏振光和两束右旋圆偏振光；
步骤四、步骤三中出射的四束圆偏振光在检偏器(13)上发生干涉，之后在CCD相机的成像面板上接收到一幅实现同步四波横向剪切干涉图，其中通过检偏器透光轴后得到矢量方向一致的六组干涉波，两两相互叠加干涉，且得到固定相移量。
4.根据权利要求3所述的一种实现同步四波横向剪切干涉测量方法，其特征在于：步骤二中，第一晶体偏振分束器(9)出射的光波是从第一晶体偏振分束器(9)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。
5.根据权利要求4所述的一种实现同步四波横向剪切干涉测量方法，其特征在于：
步骤四中，固定相移量为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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