CN114354141B - 一种基于频域测量超表面相位的方法及系统 - Google Patents
一种基于频域测量超表面相位的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于频域测量超表面相位的方法及系统，其中，该方法包括：设置相干的测量光和参考光；在测量光的光路中设有待测超表面、未设有待测超表面的情况下，确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的干涉信息，在频域提取干涉信息中的相位信息，生成相位分布；基于两种相位分布之间的差值确定待测超表面的相位分布。通过本发明实施例提供的基于频域测量超表面相位的方法及系统，只需要将待测超表面移动至测量光的光路或者从测量光的光路中移出待测超表面，不需要精确移动器件，方法简单；且利用能够发出多种波长光线的光源，可以方便、精确地生成多种波长的测量光和参考光，因此能够简单、精确地确定待测超表面的相位分布。
Description
技术领域
本发明涉及相位检测技术领域，具体而言，涉及一种基于频域测量超表面相位的方法及系统。
背景技术
超透镜(metalense)在制作加工后，超透镜表面相位的测量具有很大的意义。例如，测量真实的超透镜表面相位，能够推算出超透镜的各种光学性能参数，例如焦距、PSF(point spread function，点扩散函数)等，该参数具有真实准确的优势。
当前测量相位的普遍方法是干涉法。而在干涉法中，如何测量干涉相位，方法有很多种，但当前的测量相位的方法都比较复杂，不能保证精度。例如，论文《Phasecharacterisation of metalenses》(Zhao,M.,Chen,M.K.,Zhuang,ZP.et al.)中采用的测量系统参见图1所示，其原理是利用其中一个透镜的横向移动(在x方向上移动透镜L2)，来引入相位变化，从而通过后续计算得到相位分布。
该方法由于需要对PB(Pancharatnam-Berry)相位等进行测量，需要引入偏振片、波片等，导致系统复杂，并且需要引入复杂算法。且该测量方法难以准确控制透镜的位移量和位移精度，会影响最终的测量结果。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种基于频域测量超表面相位的方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于频域测量超表面相位的方法，包括：
设置测量光和参考光，所述测量光和所述参考光为相干光；
在所述测量光的光路中设有待测超表面的情况下，确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取所述第一干涉信息中的第一相位信息，生成第一相位分布；
在所述测量光的光路中未设有待测超表面的情况下，确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取所述第二干涉信息中的第二相位信息，生成第二相位分布；
基于所述第一相位分布与所述第二相位分布之间的差值确定所述待测超表面的相位分布。
在一种可能的实现方式中，所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取所述第一干涉信息中的第一相位信息，包括：
通过改变所述测量光与所述参考光的波长，确定每种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息；以及
根据每种波长对应的所述第一干涉信息的光强分布，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息；
所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取所述第二干涉信息中的第二相位信息，包括：
通过改变所述测量光与所述参考光的波长，确定每种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息；以及
根据每种波长对应的所述第二干涉信息的光强分布，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息。
在一种可能的实现方式中，所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取所述第一干涉信息中的第一相位信息，包括：
确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉合成的第一干涉信息；以及
对所述第一干涉信息进行光谱分析，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息；
所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取所述第二干涉信息中的第二相位信息，包括：
确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉合成的第二干涉信息；以及
对所述第二干涉信息进行光谱分析，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息。
在一种可能的实现方式中，所述对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息，包括：
对光频进行傅里叶变换，取傅里叶变换后第一光程差处的相位值作为第一相位信息；所述第一光程差Δz1满足：
Δz1＝zwm-zref；
其中，zwm表示在所述测量光的光路中设有待测超表面的情况下所述测量光的光程，zref表示所述参考光的光程；
所述对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息，包括：
对光频进行傅里叶变换，取傅里叶变换后第二光程差处的相位值作为第二相位信息；所述第二光程差Δz2满足：
Δz2＝zwom-zref；
其中，zwom表示在所述测量光的光路中未设有待测超表面的情况下所述测量光的光程。
第二方面，本发明实施例还提供了一种实现如上所述的基于频域测量超表面相位的方法的系统，包括：光源、分束器、合束器和图像采集装置；
所述光源用于发出射向所述分束器的光线，且所述光源能够发出多种波长的光线；
所述分束器用于将入射至所述分束器的光线分为测量光和参考光，且所述测量光和所述参考光均能够射向所述合束器；所述测量光的光路中能够增加待测超表面；
所述合束器用于将入射的所述测量光和所述参考光进行合束，并将合束后的光线入射至所述图像采集装置；
所述图像采集装置用于采集合束后的所述测量光和所述参考光生成的干涉信息。
在一种可能的实现方式中，所述光源为能够按照一定的波长间隔依次发出不同波长的光线的可调谐光源。
在一种可能的实现方式中，系统还包括控制器；所述控制器与所述光源、所述图像采集装置相连；
所述控制器用于控制所述光源依次发出每种波长的光线，并记录所述图像采集装置所采集的与每种波长对应的干涉信息。
在一种可能的实现方式中，系统还包括光纤系统；
所述光源为能够发出包含多种波长的光线的宽带光源，所述图像采集装置包括光谱仪；
所述光纤系统位于所述合束器与所述光谱仪之间，用于将每个位置处的干涉信息传输至所述光谱仪。
在一种可能的实现方式中，所述光纤系统包括采样光纤和位移平台；
所述采样光纤用于将某个位置处的干涉信息传输至所述光谱仪；
所述位移平台用于将所述采样光纤移动至不同的位置。
在一种可能的实现方式中，系统还包括：成像物镜和/或扩束系统；
所述成像物镜设置在所述测量光的光路中，且用于设置所述待测超表面的位置位于所述成像物镜与所述分束器之间；
所述扩束系统设置在所述参考光的光路中，所述扩束系统位于所述分束器与所述合束器之间。
在一种可能的实现方式中，系统还包括：第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜设置在所述测量光的光路或所述参考光的光路中；
所述第一反射镜用于将所述分束器所分束的光线反射至所述第二反射镜；所述第二反射镜用于将入射的光线反射至所述合束器；
或者，所述第一反射镜用于将所述分束器所分束的所述测量光反射至所述合束器；所述第二反射镜用于将所述分束器所分束的所述参考光反射至所述合束器。
在一种可能的实现方式中，所述测量光的主光轴与所述待测超表面垂直。
本发明实施例上述第一方面提供的方案中，在测量光的光路中存在待测超表面以及不存在待测超表面时，利用多种波长的光线所生成的干涉信息进行频域分析，可以在频域提取出相应的相位信息，进而确定两种情况下的相位分布，并可以确定该待测超表面的相位分布。该方法只需要将待测超表面移动至测量光的光路或者从测量光的光路中移出待测超表面，不需要精确移动器件，方法简单；且利用能够发出多种波长光线的光源，可以方便、精确地生成多种波长的测量光和参考光，因此能够简单、精确地确定待测超表面的相位分布。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有的相位测量系统的一种结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种基于频域测量超表面相位的方法的流程图；
图3示出了本发明实施例所提供的基于频域测量超表面相位系统的第一结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的基于频域测量超表面相位系统的第二结构示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的基于频域测量超表面相位系统的第三结构示意图；
图6示出了本发明实施例所提供的基于频域测量超表面相位系统的第四结构示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的会聚超透镜理论上的相位分布；
图8示出了本发明实施例所提供的不放置会聚超透镜时的干涉图样的示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的不放置会聚超透镜时光强与波长的曲线示意图；
图10示出了本发明实施例所提供的不放置会聚超透镜时的相位分布示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的放置会聚超透镜时的干涉图样的示意图；
图12示出了本发明实施例所提供的放置会聚超透镜时的相位分布示意图；
图13示出了本发明实施例所提供的会聚超透镜的相位分布示意图。
图标：
10-光源、20-分束器、30-成像物镜、40-扩束系统、41-正透镜、42-负透镜、50-第一反射镜、60-第二反射镜、70-合束器、80-光纤系统、81-采样光纤、82-位移平台、90-图像采集装置、100-待测超表面。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供了一种基于频域测量超表面相位的方法，在不需要改变待测超表面在光路中位置的情况下，从频域中提取出相位信息，实现对该待测超表面的相位测量。参见图2所示，该方法包括：
步骤S101：设置测量光和参考光，该测量光和参考光为相干光。
本发明实施例采用干涉的方法实现相位测量，其借助于能够干涉的两组相干光，本实施例将两组相干光分别称为测量光和参考光；测量光和参考光具有不同的光路。其中，测量光为能够经过待测超表面的光线，参考光为不需要经过待测超表面的光线。
其中，可以采用现有的干涉方法得到相干的测量光和参考光。例如，本实施例所采用的基于频域测量超表面相位的系统的结构图可参见图3所示，该系统包括光源10、分束器20、合束器70和图像采集装置90。光源10发出的光线经过分束器20后，可以被分为两路光线，这两路光线相干，两路光线可以分别作为测量光101和参考光102。其中，该分束器20可以为透反元件，即透过一部分光线，并反射一部分光线；本实施例中可以将分束器20透过的光线作为测量光101、将分束器20反射的光线作为参考光102(如图3所示)，或者，也可以将分束器20反射的光线作为测量光101、将分束器20透过的光线作为参考光102，本实施例对此不做限定。本实施例中，可以将测量光的光路称为测量臂，其能够设置待测超表面100，将参考光的光路称为参考臂，其不包含待测超表面100。
步骤S102：在测量光的光路中设有待测超表面的情况下，确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取第一干涉信息中的第一相位信息，生成第一相位分布。
步骤S103：在测量光的光路中未设有待测超表面的情况下，确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取第二干涉信息中的第二相位信息，生成第二相位分布。
本发明实施例中，测量光和参考光具有不同的光路，但二者最终能够会合并干涉。如图3所示，测量光101和参考光102最终均能够射向合束器70，合束后的测量光101和参考光102能够干涉，并能够形成相应的干涉信息；图3中可以利用图像采集装置90采集测量光101和参考光102干涉时生成的干涉信息，该干涉信息具体可以为干涉图样。本发明实施例中，不需要精确移动待测超表面100或其他元件，只需要将待测超表面100完全移走或者完全移至测量光的光路中即可。本发明实施例中，利用不同波长的干涉信息进行频域分析，以确定光强分布。
参见图3所示，将待测超表面100设置在测量臂中，即在测量光的光路中引入待测超表面100。在这种情况下，光源10发出多种波长的光线，从而生成多种波长的测量光101以及多种波长的参考光102。其中，该光源10可以依次发出一种波长的光线，每种波长的测量光101与参考光102分别干涉，并形成相应的干涉信息(即第一干涉信息)，例如多个干涉图样；或者，该光源也可以发出包含多种波长的光线，多种波长的测量光101与参考光102的干涉信息叠加，合成总的干涉信息(第一干涉信息)。
此外，本发明实施例还需要在测量光的光路中未设有待测超表面100的情况下，再次引入多种波长，从而形成相应的干涉信息，即第二干涉信息。类似地，在测量光的光路中未设有待测超表面100的情况下，光源10可以依次发出一种波长的光线，每种波长的测量光101与参考光102分别干涉，并形成相应的第二干涉信息，例如多个干涉图样；或者，该光源也可以发出包含多种波长的光线，多种波长的测量光101与参考光102的干涉信息叠加，合成总的第二干涉信息。
在确定干涉信息(第一干涉信息、第二干涉信息)之后，本发明实施例对该干涉信息进行频域分析，从频域中提取出相应的相位信息，进而生成包含该相位信息的相位分布。
例如，在生成第一干涉信息后，对该第一干涉信息进行频域分析，从频域中提取出第一干涉信息中每个位置处的第一相位信息，进而生成包含每个位置处的第一相位信息的第一相位分布，该第一相位分布能够表示在测量光的光路中设有待测超表面的情况下，每个位置处的相位值。同样地，对第二干涉信息也可采用相似的处理方式，此处不做赘述。
本领域技术人员可以理解，在实施本实施例提供的方法时，可以先执行步骤S102、后执行步骤S103，也可以先执行步骤S103、后执行步骤S102，本实施例对上述步骤的执行顺序不做限定。
步骤S104：基于第一相位分布与第二相位分布之间的差值确定待测超表面的相位分布。
本发明实施例中，第一相位分布为在存在待测超表面100时所采集到的相位分布，而第二相位分布为在不存在待测超表面100时所采集到的相位分布，因此，第一相位分布与第二相位分布之间的差值能够表示该待测超表面的相位分布，故基于第一相位分布与第二相位分布之间的差值可以确定待测超表面100的相位分布。
本发明实施例提供的基于频域测量超表面相位的方法，在测量光的光路中存在待测超表面以及不存在待测超表面时，利用多种波长的光线所生成的干涉信息进行频域分析，可以在频域提取出相应的相位信息，进而确定两种情况下的相位分布，并可以确定该待测超表面的相位分布。该方法只需要将待测超表面移动至测量光的光路或者从测量光的光路中移出待测超表面，不需要精确移动器件，方法简单；且利用能够发出多种波长光线的光源10，可以方便、精确地生成多种波长的测量光和参考光，因此能够简单、精确地确定待测超表面的相位分布。
可选地，在利用多种波长的测量光和参考光分别干涉的情况下，上述步骤S102“确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取第一干涉信息中的第一相位信息”包括：
步骤A1：通过改变测量光与参考光的波长，确定每种波长的测量光与参考光干涉所生成的第一干涉信息。
本发明实施例中，若利用多种波长的测量光和参考光分别干涉，则通过改变测量光与参考光的波长，确定每种波长的测量光与参考光干涉所生成的干涉信息，即第一干涉信息。例如，可以采集测量光与参考光干涉所生成的干涉图样(后续称为第一干涉图样)，将其作为第一干涉信息。参见图3所示，在测量光101的光路中设有待测超表面100的情况下，光源10发出波长为λ1的光线，图像采集装置90采集波长为λ1的测量光101和参考光102干涉所形成的第一个第一干涉图样；之后同样地，光源10发出波长为λ2、λ3、…、λn的光线，图像采集装置90同样能够采集多个不同的第一干涉图样，最终可以采集到与波长数量相同的第一干涉图样，即n个第一干涉图样。
步骤A2：根据每种波长对应的第一干涉信息的光强分布，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息。
本发明实施例中，干涉信息能够表示干涉时的光强分布；对于某位置(x,y)，基于不同波长对应的第一干涉信息可以确定该位置(x,y)处在不同波长下的光强，进而可以确定该位置(x,y)处光强与光频之间的对应关系。其中，光频为光的角频率，且光频ω与波长λ之间的关系满足：ω＝2πV/λ，V表示光速。通过对光频ω进行傅里叶变换，可以提取出位置(x,y)处的第一相位信息；对于不同位置均采用相同的方式，从而可以提取出每个位置处的第一相位信息。
具体地，当测量臂中有待测超表面(with metalens)时，测量光在位置(x,y)处的光场分布Ewm(x,y,z)可表示如下：
其中，Awm为测量光的振幅，Ψwm(x,y)为与测量臂相关的相位，其可当作固定相位，为待测超表面的相位。kxy＝(kx,ky)，r＝(x,y)，kx、ky、kz分别为x、y、z方向的波数；zwm表示在测量光的光路中设有待测超表面100的情况下，测量光的光程。
相应的，参考臂中位置(x,y)处的光场Eref(x,y,z)可表示如下：
其中，Aref为参考光的振幅，Ψref(x,y)为与参考臂相关的相位，其可当作固定相位。kref-xy、kref-z等与上述的kxy、kz相似，也表示相应的波数；zref表示参考光的光程。
由于测量光与参考光的波长相同，故上式(1)和(2)中的波数k也相同，且波数k满足：
并且，无论波长为多少，测量臂与参考臂之间具有固定的光程差Δz1和固定相位差ΔΨ，且：
若某种波长的测量光和参考光发生干涉，在图像采集装置90采集到的干涉图样作为干涉信息，且干涉图样(即第一干涉图样)的光强分布可以表示为下式：
其中，Iwm和Iref为测量臂和参考臂的光强。
对于不同波长或者光频的的测量光和参考光，光频ω发生变化，进而得到位置(x,y)处光强I(x,y)的变化，从而可以确定光强与光频之间的对应关系。基于上述的公式(4)可知，此时对光频ω进行傅里叶变换，可以提取出位置(x,y)处的相位值，即第一相位信息。
可选地，上述步骤A2“对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息”可以包括：对光频进行傅里叶变换，取傅里叶变换后第一光程差处的相位值作为第一相位信息；该第一光程差Δz1满足：Δz1＝zwm-zref。
本发明实施例中，对光频ω进行傅里叶变换，取傅里叶变换的幅度值J，可以得到频率信息：
J＝J(0)+J(-Δz1)+J(Δz1) (5)
在频域可以通过滤波技术提取第一光程差Δz1的频率分量J(Δz1)，可以得到Δz1处的信息，取Δz1处的相位值作为第一相位信息，并最终可以得到整个面的相位信息，即第一相位分布。
例如，对光频ω进行傅里叶变换，取傅里叶变换的幅度值J；以横坐标表示光程差、纵坐标表示幅度值J，可以发现在该第一光程差Δz1处的幅度值最大，此时可以锁定Δz1；之后对傅里叶变换前的信号，利用滤波技术，提取出Δz1处的信息，然后取傅里叶变换的相位值(例如，借助matlab中的arg函数)，从而可以得到Δz1处的相位值，该相位值即为所需的(x,y)处的相位值，即(x,y)处的第一相位信息。
由于除直流分量J(0)之外，主要有一个频率分量；虽然第一里程差Δz1的其他频率分量会影响测量准确度，但由于其他频率分量的幅度比较小，可以忽略；因此，在对相位测量准确度要求不高的情况下，可以在对光频ω进行傅里叶变换时直接提取出每个位置处的相位值(即第一相位信息)，此时不需要通过滤波技术提取第一光程差Δz1的频率分量J(Δz1)。
类似地，若未将待测超表面设置在测量臂中(without metalens)，将图像采集装置90采集到的干涉图样(后续称为第二干涉图样)作为干涉信息(即第二干涉信息)，其光强分布如下式所示：
其中，Iwom为测量臂此时的光强；Δz2也表示光程差，且其满足：Δz2＝zwom-zref；其中，zwom表示在测量光的光路中未设有待测超表面的情况下测量光的光程。
与上述在待测超表面设置在测量臂中时的处理方式相似，基于多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第二干涉图样，可以提取出相应的第二相位信息，进而生成第二相位分布。例如，上述步骤S103“确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取第二干涉信息中的第二相位信息”可以包括：
步骤B1：通过改变测量光与参考光的波长，确定每种波长的测量光与参考光干涉所生成的第二干涉信息。
步骤B2：根据每种波长对应的第二干涉信息的光强分布，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息。
可选地，上述步骤B2“对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息”的过程与上述步骤A2相似，其可以包括：对光频进行傅里叶变换，取傅里叶变换后第二光程差处的相位值作为第二相位信息；第二光程差Δz2满足：
Δz2＝zwom-zref；
其中，zwom表示在测量光的光路中未设有待测超表面的情况下测量光的光程。本实施例中，第一光程差和第二光程差分别表示在存在待测超表面100、不存在待测超表面时的光程差。
本发明实施例提供的基于频域测量超表面相位的方法，在用每种波长的参考光和测量光分别干涉时，利用多个干涉信息的光强分布可以确定光强与光频之间的对应关系，通过对光频进行傅里叶变换可以提取出所需的相位信息，从而可以方便快速地确定相位分布。
可选地，在利用多种波长的测量光和参考光干涉叠加的情况下，上述步骤S102“确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取第一干涉信息中的第一相位信息”包括：
步骤C1：确定多种波长的测量光与参考光干涉合成的第一干涉信息。
步骤C2：对第一干涉信息进行光谱分析，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息。
本发明实施例中，多种波长的测量光与参考光叠加干涉时，可以采集到完整的第一干涉信息。通过对该第一干涉信息进行光谱分析，可以得到与上述步骤A2所述相似的“光强与光频之间的对应关系”，进而通过对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息。其中，上述步骤C2中“对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息”的过程与步骤A2中的过程相似，例如，步骤C2也可取傅里叶变换后第一光程差处的相位值作为第一相位信息，此处不做赘述。
如图3所示，光源10同时发出多种波长的光线，测量光101和参考光102也具有多种波长，图像采集装置90能够采集到完整的干涉信息，之后即可对采集到的干涉信息进行光谱分析。或者，参见图4所示，该图像采集装置90包括光谱仪，可以利用光谱仪直接进行光谱分析。如图4所示，光源10可以为能够发出包含多种波长的光线的宽带光源，光谱仪采集多种波长的测量光101和参考光102干涉时的干涉信息，从而可以实现光谱分析，进而提取出每个位置处的相位信息。
相应地，在利用多种波长的测量光和参考光叠加干涉的情况下，上述步骤S103“确定多种波长的测量光与参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取第二干涉信息中的第二相位信息”可以包括：
步骤D1：确定多种波长的测量光与参考光干涉合成的第二干涉信息。
步骤D2：对第二干涉信息进行光谱分析，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息。
本发明实施例提供的基于频域测量超表面相位的方法，在用多种波长的参考光和测量光叠加干涉时，可以确定干涉合成的干涉信息，通过对该干涉信息进行光谱分析，也可以确定光强与光频之间的对应关系，通过对光频进行傅里叶变换可以提取出所需的相位信息，从而可以方便快速地确定相位分布。
本发明实施例还提供一种能够实现上述任意基于频域测量超表面相位的方法的系统，参见图3所示，该系统包括：光源10、分束器20、合束器70和图像采集装置90。
光源10用于发出射向分束器20的光线，且光源能够发出多种波长的光线；分束器20用于将入射至分束器20的光线分为测量光101和参考光102，且测量光101和参考光102均能够射向合束器70；测量光101的光路中能够增加待测超表面100；合束器70用于将入射的测量光101和参考光102进行合束，并将合束后的光线入射至图像采集装置90；图像采集装置90用于采集合束后的测量光101和参考光102生成的干涉信息。
本发明实施例中，光源10发出的光线被分束器20分束，可以生成相干的测量光101和参考光102，测量光101能够经过待测超表面100。测量光101和参考光102均能够到达合束器70，并干涉，使得图像采集装置90能够采集到相应的干涉信息。该图像采集装置90具体可以为CCD(电荷耦合器件，charge coupled device)相机。合束器70与分束器20类似，也能够透射一部分光线，并能够反射一部分光线。
可选地，该系统的光源10为能够按照一定的波长间隔依次发出不同波长的光线的可调谐光源(如可调谐激光器等)，即该光源10能够在一定范围内调节发出光线的波长。对于每种波长，图像采集装置90均可采集到相应的干涉信息，例如干涉图样。可调谐光源通过改变波长引入变化相位，使得系统简单；并且，可以控制波长调谐的间隔，实现相位的精确微小变化，使得最终测量精确度较高。
为了方便采集多个干涉信息，参见图5所示，该系统还包括控制器91；该控制器91与光源10、图像采集装置90相连。控制器91用于控制光源10依次发出每种波长的光线，并记录图像采集装置90所采集的与每种波长对应的干涉信息。本发明实施例中，控制器91控制光源10发出一种波长的光线，然后图像采集装置90记录相应的干涉信息；之后控制器91再控制光源10发出另一种波长的光，图像采集装置90再次相应的干涉信息……以此类推，直至光源10遍历所需的波长。此时可以基于上述的步骤A1-A2、步骤B1-B2来确定相位分布。利用控制器91实现光源10和图像采集装置90同步调节和采集，可以实现快速相位测量。
或者，可选地，该光源10为能够发出包含多种波长的光线的宽带光源，该图像采集装置90可以包括光谱仪。参见图4所示，该系统还包括光纤系统80；光纤系统80位于合束器70与光谱仪之间，用于将每个位置处的干涉信息传输至光谱仪。本发明实施例中，可以借助光纤系统80采集干涉信息，并将干涉信息发送至光谱仪进行光谱分析。
可选地，参见图4所示，该光纤系统80包括采样光纤81和位移平台82；采样光纤81用于将某个位置处的干涉信息传输至光谱仪；位移平台82用于将采样光纤81移动至不同的位置。
本发明实施例中，连接光谱仪的采样光纤81可以探测到某个位置的光谱，基于光谱分析可以得到该位置处在不同波长下的光强值，进而通过傅里叶变换等可以提取出所需的相位值。通过位移平台82移动该采样光纤81的位置，使得采样光纤81可以采集到不同位置处的光谱，从而实现对整个干涉信息的采集，最终得到完整的相位分布。
可选地，该待测超表面100可以为超透镜，为了能够将分束器20分出的光线均射向合束器70，本实施例通过反射镜对测量光101或参考光102进行反射。具体地，该系统还包括第一反射镜50和第二反射镜60，第一反射镜50和第二反射镜60设置在测量光101的光路或参考光102的光路中，图3和图4等以第一反射镜50和第二反射镜60均设置在参考光102的光路中为例示出。
其中，如图3和图4所示，第一反射镜50用于将分束器20所分束的光线反射至第二反射镜60；第二反射镜60用于将入射的光线反射至合束器70。或者，类似于图1所示，第一反射镜50用于将分束器20所分束的测量光101反射至合束器70；第二反射镜60用于将分束器20所分束的参考光102反射至合束器70。
可选地，参见图5和图6所示，该系统还包括：成像物镜30和/或扩束系统40。其中，成像物镜30设置在测量光101的光路中，且用于设置待测超表面100的位置位于成像物镜30与分束器20之间；扩束系统40设置在参考光102的光路中，扩束系统40位于分束器20与合束器70之间。本发明实施例中，该扩束系统40能够将参考光102进行扩束，从而形成更大的光斑；成像物镜30能够使得测量光101在图像采集装置90处成像，且也能够起到一定的扩束作用。其中，该成像物镜30可以为显微物镜，其与扩束系统40可以采用相同或不同的放大倍率，尽量保证参考臂和测量臂上的光斑大小一致，且使得干涉图样能够尽量大的占据图像采集装置90的采集面，以保证干涉充分，并且全部被图像采集装置90接收。例如，参见图5和图6所示，该扩束系统40可以包括正透镜41和负透镜42，实现光束扩束。
可选地，测量光101的主光轴与待测超表面100垂直，以使得最终确定的相位分布更加真实准确，畸变小。
下面以一个实施例详细介绍测量超表面相位的过程。
本发明实施例中，待测超表面为会聚超透镜，其直径为50um，焦距f为50um，会聚超透镜的相位公式如下：
理论计算得到该会聚超透镜的一维相位分布如图7所示。
本实施例采用图5所示的系统对该会聚超透镜进行相位测量。其中，光源10为可调谐激光器，成像物镜30的放大倍率为45X，负透镜42焦距为2mm，正透镜41的焦距为100mm。实验过程中，光源10的波长调节从900nm到940nm，扫描步长为0.1nm。图像采集装置90为CCD，其记录干涉图样，每次扫描过程可以得到401张干涉图样。
在没有放置会聚超透镜的情况下，CCD采集到的三个波长910nm、920nm、930nm下的干涉图样(即第二干涉图样)如下8所示。
对于干涉图样某点(x0,y0)，可以得到从0.90um到0.94um每个波长对应的干涉图样中该点的灰度值(区间为0～255)，对该灰度值进行归一化处理，得到光强与波长之间的曲线如图9所示。
通过傅里叶变换，得到该点(x0,y0)的相位值为41.6π。对干涉图样中每个点均执行本实施例提供的方法，进而可以得到整个面的相位分布(即第二相位分布)，其如图10所示。
在放置待测的会聚超透镜的情况下，同样地，光源10的波长调节范围为900-940nm，扫描步长为0.1nm；其中，三个波长910nm、920nm、930nm下的干涉图样(即第一干涉图样)如图11所示。
同样地，通过傅里叶变换可以得到每个点(x,y)的相位值，如图11中点(x0,y0)的相位值，从而得到整个面的相位分布(即第一相位分布)，该相位分布可参见图12所示。
将上述的相位分布(即第一相位分布)与无会聚超透镜时的相位分布(即第二相位分布)相减，即可得到该会聚超透镜的相位分布，其可参见图13所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种基于频域测量超表面相位的方法，其特征在于，包括：
设置测量光和参考光，所述测量光和所述参考光为相干光；
在所述测量光的光路中设有待测超表面的情况下，通过使得光源依次发出一种波长的光线，或者通过使得所述光源发出包含多种波长的光线，确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取所述第一干涉信息中的第一相位信息，生成第一相位分布；
在所述测量光的光路中未设有待测超表面的情况下，通过使得光源依次发出一种波长的光线，或者通过使得所述光源发出包含多种波长的光线，确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取所述第二干涉信息中的第二相位信息，生成第二相位分布；
基于所述第一相位分布与所述第二相位分布之间的差值确定所述待测超表面的相位分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取所述第一干涉信息中的第一相位信息，包括：
在所述光源依次发出一种波长的光线的情况下，确定每种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息；以及
根据每种波长对应的所述第一干涉信息的光强分布，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息；
所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取所述第二干涉信息中的第二相位信息，包括：
通过改变所述测量光与所述参考光的波长，确定每种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息；以及
根据每种波长对应的所述第二干涉信息的光强分布，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第一干涉信息，在频域提取所述第一干涉信息中的第一相位信息，包括：
在所述光源发出包含多种波长的光线的情况下，确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉合成的第一干涉信息；以及
对所述第一干涉信息进行光谱分析，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息；
所述确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉所生成的第二干涉信息，在频域提取所述第二干涉信息中的第二相位信息，包括：
确定多种波长的所述测量光与所述参考光干涉合成的第二干涉信息；以及
对所述第二干涉信息进行光谱分析，确定光强与光频之间的对应关系，并对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第一相位信息，包括：
对光频进行傅里叶变换，取傅里叶变换后第一光程差处的相位值作为第一相位信息；所述第一光程差Δz1满足：
Δz1＝zwm-zref；
其中，zwm表示在所述测量光的光路中设有待测超表面的情况下所述测量光的光程，zref表示所述参考光的光程；
所述对光频进行傅里叶变换，提取出每个位置处的第二相位信息，包括：
对光频进行傅里叶变换，取傅里叶变换后第二光程差处的相位值作为第二相位信息；所述第二光程差Δz2满足：
Δz2＝zwom-zref；
其中，zwom表示在所述测量光的光路中未设有待测超表面的情况下所述测量光的光程。
5.一种实现如权利要求1-4任意一项所述的基于频域测量超表面相位的方法的系统，其特征在于，包括：光源(10)、分束器(20)、合束器(70)和图像采集装置(90)；
所述光源(10)用于发出射向所述分束器(20)的光线，且所述光源能够发出多种波长的光线；
所述分束器(20)用于将入射至所述分束器(20)的光线分为测量光(101)和参考光(102)，且所述测量光(101)和所述参考光(102)均能够射向所述合束器(70)；所述测量光(101)的光路中能够增加待测超表面(100)；
所述合束器(70)用于将入射的所述测量光(101)和所述参考光(102)进行合束，并将合束后的光线入射至所述图像采集装置(90)；
所述图像采集装置(90)用于采集合束后的所述测量光(101)和所述参考光(102)生成的干涉信息。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光源(10)为能够按照一定的波长间隔依次发出不同波长的光线的可调谐光源。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括控制器(91)；所述控制器(91)与所述光源(10)、所述图像采集装置(90)相连；
所述控制器(91)用于控制所述光源(10)依次发出每种波长的光线，并记录所述图像采集装置(90)所采集的与每种波长对应的干涉信息。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括光纤系统(80)；
所述光源(10)为能够发出包含多种波长的光线的宽带光源，所述图像采集装置(90)包括光谱仪；
所述光纤系统(80)位于所述合束器(70)与所述光谱仪之间，用于将每个位置处的干涉信息传输至所述光谱仪。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光纤系统(80)包括采样光纤(81)和位移平台(82)；
所述采样光纤(81)用于将某个位置处的干涉信息传输至所述光谱仪；
所述位移平台(82)用于将所述采样光纤(81)移动至不同的位置。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：成像物镜(30)和/或扩束系统(40)；
所述成像物镜(30)设置在所述测量光(101)的光路中，且用于设置所述待测超表面(100)的位置位于所述成像物镜(30)与所述分束器(20)之间；
所述扩束系统(40)设置在所述参考光(102)的光路中，所述扩束系统(40)位于所述分束器(20)与所述合束器(70)之间。
11.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：第一反射镜(50)和第二反射镜(60)，所述第一反射镜(50)和所述第二反射镜(60)设置在所述测量光(101)的光路或所述参考光(102)的光路中；
所述第一反射镜(50)用于将所述分束器(20)所分束的光线反射至所述第二反射镜(60)；所述第二反射镜(60)用于将入射的光线反射至所述合束器(70)；
或者，所述第一反射镜(50)用于将所述分束器(20)所分束的所述测量光(101)反射至所述合束器(70)；所述第二反射镜(70)用于将所述分束器(20)所分束的所述参考光(102)反射至所述合束器(70)。
12.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测量光(101)的主光轴与所述待测超表面(100)垂直。
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| 低相干光干涉法测量光子晶体光纤延时;闫成至;光电子 激;第73-76页 * |
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