CN114397092B - 一种测量超表面相位的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种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以及未设有待测超表面的情况下，为目标光路分别引入多个相位，并确定在引入多个相位时测量光与参考光生成的干涉图样，以及相位分布；基于两个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；且利用相位调制器可以直接引入相位，方法简单，可以精确控制所引入的相位，能够简单、精确地确定待测超表面的相位分布。

Description

一种测量超表面相位的方法及系统

技术领域

本发明涉及相位测量技术领域，具体而言，涉及一种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。

该方法由于需要对几何相位等进行测量，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

为解决当前测量相位的方法难以保证精度的问题，本发明实施例的目的在于提供一种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，为目标光路分别引入n₁个第一相位，并确定在引入所述第一相位时所述测量光与所述参考光生成的第一干涉图样；所述目标光路为所述测量光的光路或所述参考光的光路；

在所述测量光的光路中未设有所述待测超表面的情况下，为所述目标光路分别引入n₂个第二相位，并确定在引入所述第二相位时所述测量光与所述参考光生成的第二干涉图样；

根据n₁个所述第一干涉图样中的光强分布确定第一相位分布，根据n₂个所述第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布；

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，所述根据n₁个所述第一干涉图样中的光强分布确定第一相位分布，根据n₂个所述第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布，包括：

基于N个待处理干涉图样的光强分布确定每个位置处的中间相位的正切值，所述正切值对应的相位为相应的所述中间相位；所述待处理干涉图样为所述第一干涉图样或所述第二干涉图样；以及

基于多个位置处的所述中间相位生成相应的相位分布；

其中，在所述待处理干涉图样为所述第一干涉图样的情况下，N＝n₁，且所述相位分布为所述第一相位分布；在所述待处理干涉图样为所述第二干涉图样的情况下，N＝n₂，且所述相位分布为所述第二相位分布。

在一种可能的实现方式中，为所述目标光路所引入的N个相位能够形成等差数列，且所述等差数列的公差为2π/N；

其中，为所述目标光路所引入的N个相位为n₁个所述第一相位或n₂个所述第二相位。

在一种可能的实现方式中，所述基于N个待处理干涉图样的光强分布确定每个位置处的中间相位的正切值，包括：

确定在N个待处理干涉图样中相同的目标位置处的光强I_i，并确定所述目标位置处的光强I_i对应的为所述目标光路所引入的相位

基于所述目标位置处的中间相位的正切值确定所述目标位置处的中间相位，且所述目标位置处的中间相位满足：

其中，Ψ(x,y)表示目标位置(x,y)处的中间相位。

在一种可能的实现方式中，所述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，包括：

在所述目标光路为所述测量光的光路的情况下，将所述第一相位分布与所述第二相位分布之间的差值作为所述待测超表面的相位分布；

在所述目标光路为所述参考光的光路的情况下，将所述第二相位分布与所述第一相位分布之间的差值作为所述待测超表面的相位分布。

在一种可能的实现方式中，n₁＝n₂。

在一种可能的实现方式中，所述第一相位与相应的所述第二相位相同。

第二方面，本发明实施例还提供了一种实现如上所述的测量超表面相位的方法的系统，包括：光源、分束器、相位调制器、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；

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图样；

所述相位调制器设置在所述测量光的光路或所述参考光的光路中，用于引入n₁个第一相位或n₂个第二相位；并且，所述测量光的光路中能够增加待测超表面。

在一种可能的实现方式中，该系统还包括：成像物镜和/或扩束器；

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；

所述扩束器设置在所述参考光的光路中，且在所述相位调制器位于所述参考光的光路的情况下，所述相位调制器位于所述扩束器与所述分束器之间。

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。

在一种可能的实现方式中，所述光源为波长可调的单色光源。

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，利用引入的多个不同相位分别确定两种情况下的相位分布，进而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；且利用相位调制器可以直接引入相位，方法简单，可以精确控制所引入的相位，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测量超表面相位系统存在待测超表面时的结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的测量超表面相位系统不存在待测超表面时的结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的测量超表面相位系统的另一种结构示意图；

图6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7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8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9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10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11示出了本发明实施例所提供的在一维坐标系下会聚超透镜的相位曲线示意图。

图标：

10-光源、20-分束器、30-成像物镜、40-相位调制器、50-扩束器、60-第一反射镜、70-第二反射镜、80-合束器、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，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、相位调制器40、合束器80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，其包含待测超表面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，为目标光路分别引入n₁个第一相位，并确定在引入第一相位时测量光与参考光生成的第一干涉图样；目标光路为测量光的光路或参考光的光路。

步骤S103：在测量光的光路中未设有待测超表面的情况下，为目标光路分别引入n₂个第二相位，并确定在引入第二相位时测量光与参考光生成的第二干涉图样。

步骤S104：根据n₁个第一干涉图样中的光强分布确定第一相位分布，根据n₂个第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布。

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80，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图样；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干涉时生成的干涉图样。本发明实施例中，不需要精确移动待测超表面，只需要将待测超表面完全移走或者完全移至测量光的光路中即可。其中，通过在光路中引入多个相位，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，将测量光的光路或参考光的光路中的一个作为目标光路，为该目标光路引入n₁个第一相位，每次引入不同的第一相位，且每引入第一相位时，均确定测量光与参考光干涉时生成的干涉图样，即第一干涉图样，第一干涉图样的数量也为n₁个。本实施例中，利用相位调制器40为光路引入不同的相位，该相位调制器40所在的光路即为目标光路。如图3所示，图3中将相位调制器40设置在参考臂中，故参考光的光路为目标光路。本实施例中，该相位调制器40用来改变所在光路中的相位，且所改变的相位可调；例如，该相位调制器40可以为电光调制器、空间光延时线、空间光调制器、延时器等。

具体地，如图3所示，在测量光101的光路中设有待测超表面100的情况下，利用相位调制器40为参考臂引入相位此时图像采集装置90采集得到一个第一干涉图样；之后同样地，利用相位调制器40为参考臂分别引入相位/>最终可以得到n₁个第一干涉图样。

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的情况下，再次为目标光路引入多个相位，即引入n₂个第二相位，并分别确定相应的干涉图样，即n₂个第二干涉图样。如图4所示，在不存在待测超表面100的情况下，利用相位调制器40引入多个不同的第二相位，并采集得到多个第二干涉图样。其中，测量光的光路中是否有待测超表面，得到干涉图样的过程相似，本实施例对不存在待测超表面100时得到第二干涉图样的详细过程不做赘述。

在执行步骤S102确定n₁个第一干涉图样后，可以利用这些第一干涉图样中的光强分布确定在存在待测超表面100的情况下，每个位置的相位，进而确定包含所有位置相位的相位分布，即第一相位分布。同理，在执行步骤S103确定n₂个第二干涉图样后，也可以根据n₂个第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布。

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；此外，在执行步骤S104中确定相位分布时，也可以在步骤S102或步骤S103之后执行，本实施例对上述步骤的执行顺序不做限定。

步骤S105：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，利用引入的多个不同相位分别确定两种情况下的相位分布，进而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；且利用相位调制器可以直接引入相位，方法简单，可以精确控制所引入的相位，能够简单、精确地确定待测超表面的相位分布。

可选地，上述步骤S102和步骤S103的执行过程相似，为方便描述，本实施例将上述生成干涉图样的过程统一称为生成N个待处理干涉图样。在测量光的光路中设有待测超表面的情况下，该待处理干涉图样为第一干涉图样，N＝n₁；在测量光的光路中未设有待测超表面的情况下，待处理干涉图样为第二干涉图样，N＝n₂。上述步骤S104“根据n₁个第一干涉图样中的光强分布确定第一相位分布，根据n₂个第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布”包括：

步骤A1：基于N个待处理干涉图样的光强分布确定每个位置处的中间相位的正切值，正切值对应的相位为相应的中间相位；待处理干涉图样为第一干涉图样或第二干涉图样。

步骤A2：基于多个位置处的中间相位生成相应的相位分布。

本发明实施例中，若将相位调制器设置在参考臂中，当测量臂中有待测超表面100时，测量光在位置(x,y)处的光场可表示如下：

其中，A₁为测量光的振幅，C₁(x,y)为与测量臂相关的相位；由于本实施例中，测量臂和参考臂的z方向的相位差是恒定的，这里为使表达简洁，不考虑z方向的相位变化，认为z方向相位恒定；为待测超表面的相位。

相应的，若将相位调制器设置在参考臂中，参考臂中位置(x,y)处的光场可表示如下：

其中，A₂为参考光的振幅，C₂(x,y)为与参考臂相关的相位，φ(x,y)为相位调制器的相位，即第一相位或第二相位。

在图像采集装置90采集到的图样为干涉图样，且干涉图样(即第一干涉图样)的光强分布如下式所示：

其中，I_A和I_B为测量臂和参考臂的光强。

类似地，若未将待测超表面设置在测量臂中，则图像采集装置90采集到的干涉图样(即第二干涉图样)的光强分布如下式所示：

本发明实施例中，在相位调制器设置在参考臂的情况下，在位置(x,y)处，N个待处理干涉图样的光强分布均可表示为上述的公式(3)，只是其中相位调制器的相位φ(x,y)不同，进而可以确定与该相位调制器的相位φ(x,y)无关的相位，即中间相位Ψ(x,y)；例如，在存在待测超表面时，可以将作为中间相位；在不存在待测超表面时，可以将C₂(x,y)-C₁(x,y)作为中间相位。

本实施例中，利用N个光强分布确定该中间相位的正切值，即tan(Ψ(x,y))，进而通过反正切函数可以确定相应的中间相位，进而基于多个位置处的中间相位生成相应的相位分布；在待处理干涉图样为第一干涉图样的情况下，该相位分布为第一相位分布；在待处理干涉图样为第二干涉图样的情况下，该相位分布为第二相位分布。

可选地，为目标光路所引入的N个相位能够形成等差数列，且等差数列的公差为2π/N；其中，为目标光路所引入的N个相位为n₁个第一相位或n₂个第二相位。即，n₁个第一相位能够形成公差为2π/n₁的等差数列，n₂个第二相位能够形成公差为2π/n₂的等差数列。其中，N可以取一个合适的值，例如N取3或4等。

并且，上述步骤A1“基于N个待处理干涉图样的光强分布确定每个位置处的中间相位的正切值”包括：

步骤A11：确定在N个待处理干涉图样中相同的目标位置处的光强I_i，并确定目标位置处的光强I_i对应的为目标光路所引入的相位

步骤A12：基于目标位置处的中间相位的正切值确定目标位置处的中间相位，且目标位置处的中间相位满足：

其中，Ψ(x,y)表示目标位置(x,y)处的中间相位。

本发明实施例提供的方法中，只需要调整相位调制器所引入的相位的大小，以及控制是否将待测超表面100设置于测量臂中，其余参数是固定不变的，例如上述的光强I_A、I_B，以及测量臂、参考臂本身的相位C₁(x,y)、C₂(x,y)。因此，在相位调制器40引入的相位为的情况下(即/>)，此时的干涉图样(包括第一干涉图样和第二干涉图样)的光强分布可以表示为：

其中，A和B为常数。

基于相移法可以确定，故该中间相位

本发明实施例中，存在超表面透镜100以及不存在超表面透镜时，均可按照上式确定中间相位，从而形成相应的相位分布，进而利用两个相位分布之间的差异可以确定超表面透镜100的相位分布。

其中，在目标光路为参考光的光路的情况下，即在相位调制器40设置在参考臂的情况下，如上述公式(3)、(4)可知，第一相位分布中的中间相位为第二相位分布中的中间相位为C₂(x,y)-C₁(x,y)，故第二相位分布与第一相位分布之间的差值为待测超表面的相位分布/>即第二相位分布减去第一相位分布可得该待测超表面的相位分布/>

在目标光路为测量光的光路的情况下，即在相位调制器40设置在测量臂的情况下，第一干涉图样、第二干涉图样的光强分布如下式所示：

此时，第一相位分布中的中间相位为第二相位分布中的中间相位为C₁(x,y)-C₂(x,y)，故第一相位分布与第二相位分布之间的差值为待测超表面的相位分布/>即第一相位分布减去第二相位分布可得该待测超表面的相位分布/>

可选地，为了方便在存在待测超表面、不存在待测超表面两种情况下能够统一确定中间相位，本实施例中，n₁＝n₂。可选地第一相位与相应的第二相位相同。例如，n₁＝n₂＝3，且第一相位、第二相位依次为：0、2π/3、4π/3；或者，n₁＝n₂＝4，且第一相位、第二相位依次为：0、π/2、π、3π/2。

本发明实施例还提供一种能够实现上述任意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、相位调制器40、合束器80和图像采集装置90。

其中，光源10用于发出射向分束器20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80；合束器80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生成的干涉图样；相位调制器40设置在测量光101的光路或参考光102的光路中，用于引入n₁个第一相位或n₂个第二相位；并且，测量光101的光路中能够增加待测超表面100。

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80，并干涉，使得图像采集装置90能够采集到相应的干涉图样。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80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，该光源10为波长可调的单色光源。该光源10每发出一种波长的光线后，确定一次该待测超表面100的相位分布，从而可以确定该待测超表面100对不同波长的光线的相位调制能力。

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80，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60和第二反射镜70，第一反射镜60和第二反射镜70设置在测量光101的光路或参考光102的光路中，图3中以第一反射镜60和第二反射镜70均设置在参考光102的光路中为例示出。

其中，如图3所示，第一反射镜60用于将分束器20所分束的光线反射至第二反射镜70；第二反射镜70用于将入射的光线反射至合束器80。或者，类似于图1所示，第一反射镜60用于将分束器20所分束的测量光101反射至合束器80；第二反射镜70用于将分束器20所分束的参考光102反射至合束器80。

可选地，参见图5所示，该系统还包括：成像物镜30和/或扩束器50。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；扩束器50设置在参考光102的光路中，且在相位调制器40位于参考光102的光路的情况下，该相位调制器40位于扩束器50与分束器20之间。本发明实施例中，该扩束器50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，其与扩束器50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。

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，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100um，焦距为100um，会聚超透镜的相位公式如下：

若光线的波长为1550nm，则该会聚超透镜的理论相位参见图6所示；图6右侧为该会聚超透镜的整体相位分布示意图，左侧为虚线处的相位分布；图6的纵坐标为相位值，单位为弧度rad。

本发明实施例中，采用图5所示的系统进行测量。其中，光源10发出波长为1550nm单波长光源，相位调制器40选择电光调制器，成像物镜30的放大倍率为45X，扩束器50的倍率为75X。

在不放置该会聚超透镜的情况下，将电光调制器依次设置四个相位(即第二相位)0，π/2，π，3π/2，其干涉图样(即第二干涉图样)如图7所示。在该干涉图样中，对于固定某点(x₀,y₀)，得到4个不同相位(0，π/2，π，3π/2)下的灰度值，该灰度值能够表示光强大小。基于上述公式(7)可知，四个干涉图样的光强分布为：

进而，可以得到该点(x₀,y₀)的中间相位Ψ_wom。且

对于每个点(x₀,y₀)，均可以确定相应的中间相位，最终得到整个面的相位分布(即第二相位分布)如图8所示，图8以不同的颜色表示相位值，其单位为弧度rad。

相似地，在放置该会聚超透镜的情况下，将电光调制器依次设置四个相位(即第一相位)0，π/2，π，3π/2，其干涉图样(即第一干涉图样)如图9所示。基于上述的公式(6)所确定光强，也可以得到此时点(x₀,y₀)的中间相位Ψ_wm，且

最终得到整个面的相位分布(即第一相位分布)如图10所示。

将两个相位分布相减，即可得到该会聚超透镜的相位分布，即：

其中，在一维坐标系下的相位曲线参见图11所示。由图11可知，基于本实施例提供的方法和系统所确定的相位与真实相位相似，本实施例提供的方法和系统能够准确地测量超表面的相位。

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 (11)

1.一种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，为目标光路分别引入n₁个第一相位，并确定在引入所述第一相位时所述测量光与所述参考光生成的第一干涉图样；所述目标光路为所述测量光的光路或所述参考光的光路；

在所述测量光的光路中未设有所述待测超表面的情况下，为所述目标光路分别引入n₂个第二相位，并确定在引入所述第二相位时所述测量光与所述参考光生成的第二干涉图样；

根据n₁个所述第一干涉图样中的光强分布确定第一相位分布，根据n₂个所述第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布；

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；

其中，所述根据n₁个所述第一干涉图样中的光强分布确定第一相位分布，根据n₂个所述第二干涉图样中的光强分布确定第二相位分布，包括：

基于N个待处理干涉图样的光强分布确定每个位置处的中间相位的正切值，所述正切值对应的相位为相应的所述中间相位；所述待处理干涉图样为所述第一干涉图样或所述第二干涉图样；以及

基于多个位置处的所述中间相位生成相应的相位分布；

其中，在所述待处理干涉图样为所述第一干涉图样的情况下，N=n₁，且所述相位分布为所述第一相位分布；在所述待处理干涉图样为所述第二干涉图样的情况下，N=n₂，且所述相位分布为所述第二相位分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述目标光路所引入的N个相位能够形成等差数列，且所述等差数列的公差为2π/N；

其中，为所述目标光路所引入的N个相位为n₁个所述第一相位或n₂个所述第二相位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于N个待处理干涉图样的光强分布确定每个位置处的中间相位的正切值，包括：

确定在N个待处理干涉图样中相同的目标位置处的光强I_i，并确定所述目标位置处的光强I_i对应的为所述目标光路所引入的相位基于所述目标位置处的中间相位的正切值确定所述目标位置处的中间相位，且所述目标位置处的中间相位满足：

其中，/>表示目标位置(x,y)处的中间相位。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述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，包括：

在所述目标光路为所述测量光的光路的情况下，将所述第一相位分布与所述第二相位分布之间的差值作为所述待测超表面的相位分布；

在所述目标光路为所述参考光的光路的情况下，将所述第二相位分布与所述第一相位分布之间的差值作为所述待测超表面的相位分布。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，n₁=n₂。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一相位与相应的所述第二相位相同。

7.一种实现如权利要求1-6任意一项所述的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）、相位调制器（40）、合束器（80）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；

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（80）；

所述合束器（80）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）生成的干涉图样；

所述相位调制器（40）设置在所述测量光（101）的光路或所述参考光（102）的光路中，用于引入n₁个第一相位或n₂个第二相位；并且，所述测量光（101）的光路中能够增加待测超表面（100）。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：成像物镜（30）和/或扩束器（50）；

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；

所述扩束器（50）设置在所述参考光（102）的光路中，且在所述相位调制器（40）位于所述参考光（102）的光路的情况下，所述相位调制器（40）位于所述扩束器（50）与所述分束器（20）之间。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：第一反射镜（60）和第二反射镜（70），所述第一反射镜（60）和所述第二反射镜（70）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（60）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（70）；所述第二反射镜（70）用于将入射的光线反射至所述合束器（80）；

或者，所述第一反射镜（60）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（80）；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（80）。

10.根据权利要求7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。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光源（10）为波长可调的单色光源。