CN101451890B - 一种三光波横向剪切干涉装置及提取差分相位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三光波横向剪切干涉的装置及提取差分相位的方法，该装置包括：光源、待测物体、第一透镜、空间光调制器、第二透镜和电荷耦合器件，其中待测物***于第一透镜的前焦面上，第一透镜的后焦面放置空间光调制器，空间光调制器位于第二透镜的前焦面，电荷耦合器件位于第二透镜的后焦面上，且光源、待测物体、第一透镜、空间光调制器、第二透镜和电荷耦合器件构成共轴装置。本发明利用加载到空间光调制器上的计算全息余弦光栅，控制±1级衍射光相对零级的相移量和剪切量，可以实时动态地生成相移剪切干涉图，通过对干涉图强度的计算求出差分相位。本发明具有原理简单、结构紧凑、调控精度高、动态调控等优点。

Description

一种三光波横向剪切干涉装置及提取差分相位的方法

技术领域

本发明涉及一种光学干涉装置，尤其涉及一种三光波横向剪切干涉的装置及提取差分相位的方法。

背景技术

光学测试方法具有非接触、高灵敏度的特点，是计量测试技术领域的主要方法。在光学测试方法中，光干涉测量是一种能精确到百分之一波长量级的精密测量技术，而其中的横向剪切干涉方法因具备对光源的相干性要求低，抗干扰能力强等优点，受到广泛关注。实现横向剪切干涉的光学***有Mach-Zehnder横向剪切干涉仪，偏振光横向剪切干涉仪，双光栅横向剪切干涉仪等多种。人们通常采用相移法对剪切干涉图进行处理，得到待测波前的差分相位。因此，能否对相移量及剪切量的灵活调控是决定是否能够充分发挥剪切干涉***的优越性的一个关键因素。

1964年，M.V.R.K.Murty在Appl.Opt上发表文章，介绍了一种单平行板剪切干涉仪。用产生的剪切干涉图来检测光束的相位分布情况，并且可以通过旋转平板的角度来调节剪切量(M.V.R.K.Murty，Appl.Opt.3，531(1964))。

1973年，J.C.Wyant在Appl.Opt上发表文章，提出了用双频交叉光栅产生剪切干涉的方法。利用这种光栅的衍射特性可以同时产生在x和y方向剪切的干涉图，但是，这是一种离轴干涉的方法，要保证衍射角度足够大，才能避免与零级之间的重叠(J.C.Wyant，Appl.Opt.12，2057(1973))。

1997年，H.Schreiber and J.Schwider在Appl.Opt上发表文章，设计了一种用两片Ronchi相位光栅实现的横向剪切干涉***，它利用光栅的两次衍射实现光束的平移。在这套光学***中，剪切量与两光栅的间距成正比，所以改变它们之间的距离可以调节剪切量；同时，在垂直于光栅的栅线方向上，一个光栅相对另外一个光栅的移动可以实现相移。但是这种方法操作复杂，光栅的零级也很难完全抑制(H.Schreiber and J.Schwider，Appl.Opt.36，5321(1997))。

2001年，D.W.Griffin在Opt.Lett上发表文章，在平行板剪切干涉方法中实现了相移。这种方法是采用两片平行板间夹一层液晶，通过电压控制液晶延迟来实现相移调控(D.W.Griffin，Opt.Lett.26，149(2001))。

2003年，H.H.Lee等人在Opt.Lett上发表文章，他们设计了一种由分束器和两对楔形板组成的剪切干涉***。每对楔形板都是由有一定倾斜角的两块楔形板组成，利用它们之间的倾斜角实现剪切平移；两对楔形板之间的相对滑动，改变板的总厚度，可以实现调控相移量(H.H.Lee et al.，Opt.Lett.28，2243(2003))。

2004年，E.Mihaylova等人在Opt.Lett上发表文章，利用两个部分反射镜的反射实现剪切，其中一块反射镜固定在压电传感器上，通过移动该反射镜可以实现剪切量的调制。同时，这套光学***也解决了相移问题(E.Mihaylova et al.，Opt.Lett.29，1264(2004))。

2005年，R.P.Shukla等人在Optics & Laser Technology上发表文章，介绍了所设计的光栅用来实现剪切干涉。这种方法是用光栅衍射的±1级分别与零级干涉，剪切量大小为光束的半径，从而±1级恰好能够分开而不发生干涉叠加(R.P.Shukla et al.，Opt.Laser Techol.39，338(2005))。

在综上所述的研究中，实现两束光剪切干涉的方法有多种，但是要想灵活地同时调控剪切量和相移量比较困难，调控精度低，并且一般需要光学元件的机械运动，容易引起光学***的振动。空间光调制器可以通过电控方式对光波进行调制，避免机械干预和非实时操作，但用于剪切干涉时，零级衍射光很难被抑制或消除掉，因此通常的两光波剪切干涉难以发挥空间光调制器的作用。为解决这个困难，本发明提出了三光波的横向剪切动态干涉技术，设计了具体的光学实验装置，并且提出了从这种三光波干涉图中提取差分相位的新方法。

发明内容

发明目的：为了克服在共轴剪切干涉装置中对相移量和剪切量的分别调控遇到的困难，本发明提供了一种可以对剪切量、相移量及剪切方向同时进行独立和动态调控的三光波横向剪切干涉的光学装置，并且提出了从这种三光波干涉图中提取差分相位的新方法。

技术方案：本发明提供了一种三光波横向剪切动态干涉的光学装置。在实现剪切的光路中依次同轴放置待测物体的装置、4f***的第一个透镜、由计算机控制的空间光调制器、4f***的第二个透镜、采集干涉图样的电荷耦合器件CCD；待测物体放在第一个透镜的前焦面上，空间光调制器放在两个透镜的共焦面上，CCD放在第二个透镜的后焦面上。

将使用计算机生成的余弦光栅加载到空间光调制器上，在4f***的后焦面上生成剪切干涉图。改变光栅的周期、位置和取向可以同时实现对±1级光波相对零级光波的剪切量、相移量及剪切方向的独立调控。利用专门设计的八步相移技术，从三光波剪切干涉图提取出差分相位，实现波前重建。

本发明设计的实验光路是共轴的光学***，对光的相干性要求低，因此本发明在光路中加了旋转毛玻璃，用以降低光波的空间相干性，可以有效抑制相干散斑噪声的影响。

利用本发明所述一种三光波横向剪切干涉的装置产生干涉图中提取差分相位的方法，该方法包括以下步骤：

(1)经过所述的第二个透镜的傅里叶变换后，在后焦面形成的场分布为：t′(x，y)＝β*t(x，y)+[exp(iφ_j)t(x+s，y)+exp(-iφ_j)t(x-s，y)]，其中s为光栅的空间频率，ξ_j为光栅条纹的平移量，t(x，y)为物平面上的光场分布，φ_j＝2πsξ_j；

(2)在第二透镜后焦面得到干涉图的强度分布为：I_j＝|t′(x，y)|²；

(3)求出x方向的出差分相位为：

同可求出y方向的差分相位。

有益效果：本发明利用彼此横向错开的三束拷贝光波形成自相干，实现三光波的横向剪切干涉，它不需要参考光，并且是共轴的光学***，对照明光波的相干性要求低，对环境的干扰不敏感。本实验装置在操作中不需要改变光路，也不需要任何实验器件的机械运动，操作灵活方便。本发明装置利用空间光调制器的电控调制特性，通过在空间光调制器上加载不同的计算全息光栅即可实现剪切量和相移量的实时动态调控。本发明具有原理简单、结构紧凑、调控精度高、动态调控等优点。

附图说明

图1是本发明的结构设计示意图。

图2是本发明装置的具体实施方式图。

图3是本发明装置实现三光波剪切干涉的原理图。

图4是验证产生三光波效果的实验结果。

图5是圆孔光阑产生的三光波剪切干涉图。

图6是一个透镜的相位分布测量结果。

图7是一个相位物体的相位分布测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步解释。

实施例1

如图2所示，本发明所述三光波动态横向剪切干涉生成装置的完整技术方案如下：我们使用的光源是波长为632.8nm的He-Ne激光器7，空间光调制器4是Sony公司的透射式液晶空间光调制器，其像素数为1024×768，像素大小为18微米×18微米。一块旋转毛玻璃8位于透镜9的前焦面上用于降低照明光波的空间相干性以便减少散斑的影响。透镜9产生的平面光波照射待测物体，共焦放置的透镜L1和L2构成4f***，空间光调制器(SLM)放置在4f***的共焦面上。计算机同时连接着空间光调制器和电荷耦合器件(CCD)，可以控制全息光栅的显示和干涉图的记录存储。在空间光调制器上加载余弦型全息光栅，其对入射光的衍射产生零级和±1级光波，改变光栅的周期、位置和取向可以同时实现对±1级光波相对零级光波的剪切量、相移量及剪切方向的独立调控。在透镜L2的后焦面即4f***的输出平面上用电荷耦合器件记录剪切干涉图。

如图3所示，产生三束剪切光波的原理如下：物光波经一次傅里叶变换在后焦面入射到空间光调制器上，空间光调制器加载透过率为F(ξ，η)＝β+2*cos[2πs(ξ+ξ_j)]的余弦光栅，它的频谱包括零级和±1级，其中s为光栅的空间频率，ξ_j为光栅条纹的平移量。经过第二个透镜的傅里叶变换后，在后焦面形成的场分布为：

t′(x，y)＝β*t(x，y)+[exp(iφ_j)t(x+s，y)+exp(-iφ_j)t(x-s，y)]，其中t(x，y)为物平面上的光场分布，φ_j＝2πsξ_j。我们可以看出s对应一定的剪切量大小，φ_j为±1级光束相对零级的相移量。所以控制s和ξ_j的大小即可调制剪切量和相移量。在输出平面得到干涉图的强度分布为：I_j＝|t′(x，y)|²。改变全息光栅的参数ξ_j，使之满足： ${\mathrm{\ξ}}_j=\frac{\mathrm{j\π}}{8\mathrm{\πs}},$ (j＝0，1，…7)，即可实现利用八步相移法取得在x或y方向剪切的八幅剪切干涉图。根据导出的关系式求出x方向的出差分相位为同理可求出y方向的差分相位，然后利用这两组正交的差分相位数据可以重建出待测波前。

本发明设计的装置，具有相移量和剪切量的调控精度高、实验***容易搭建、动态调控、操作灵活简便等特点。该实验***采用同轴干涉，对光的相干性要求低。可以通过动态调控加载到空间光调制器上的光栅，分别实现在x和y方向的剪切干涉，并可以根据需要调节剪切量的大小以及±1级衍射光的相对相移值，从而产生不同的剪切干涉图。光路搭建完成后，实验测量过程中不需再做光路调整，只需通过计算机对空间光调制器进行电寻址调控，避免了非实时操作，大大降低了机械调整可能引起的测量误差。

实施例2

按照图1原理搭建4f光学***，依此构建的具体实验***如图2所示。为验证产生三光波的效果，我们在物平面上加一个小的通光孔。分别提供了不加光栅，以及加载栅线方向分别沿y方向和x方向的光栅时产生三束光的实验效果，并用CCD采集图像。图4中第一栏所示为空间光调制器上所加载的光栅，在不加光栅时，经两次傅里叶变换，仍成一小孔光斑的像。图4中第二栏显示加载光栅后的输出效果，分别在x方向和y方向上形成三个错开的光斑。

实施例3

按照图1搭建一个4f光学***，依此构建的具体实验***如图2所示。在4f***输入面上放置一个测试透镜，产生待测的球面波前相位分布，空间光调制器上显示如图5第一栏中所示的两种光栅，在输出面上观察到剪切方向分别沿x方向和y方向的三光波横向剪切干涉图，如图5中第二栏所示。

实施例4

按照图1搭建一个4f光学***，依此构建的具体实验***如图2所示。在物平面放置焦距为60mm的凹透镜，根据我们设计的八步相移法的要求，在空间光调制器上显示相互平移了的八个余弦光栅，分别获取在x和y方向剪切的干涉图各八幅。如图6所示，干涉图的剪切量为10个像素，第一栏为获得的x方向剪切的八幅干涉图中的两幅，第二栏为y方向剪切的其中两幅干涉图。第三栏分别为从剪切干涉图提取出的在x和y方向的差分相位。然后用基于最小二乘法的迭代算法重建波前，得出透镜的相位分布，如图6第四栏所示。

实施例5

按照图1搭建一个4f光学***，依此构建的具体实验***如图2所示。在物平面放置一个刻有英文字母E的纯相位物体，同样用八步相移法可求出物体表面的相位分布，利用所求相位可转化求出所刻字母的高度。如图7所示，干涉图的剪切量为4个像素，第一栏为平面波透过相位物的光束在x方向剪切的其中两幅干涉图；第二栏为平面波透过相位物的光束在y方向剪切的其中两幅干涉图；第三栏为计算得到的在x方向的差分相位和y方向的差分相位；第四栏为通过波前重建得到的相位物体的表面相位分布(左图)和沿x方向的一维相位分布(右图)。

Claims (4)

1.一种三光波横向剪切干涉的装置，其特征是，沿光源(1)发出的光线方向依次放置待测物体(2)、第一透镜(3)、计算机控制的空间光调制器(4)、第二透镜(5)和电荷耦合器件(6)；待测物体(2)位于第一透镜(3)的前焦面上，第一透镜(3)的后焦面上放置空间光调制器(4)，空间光调制器(4)位于第二透镜(5)的前焦面上，电荷耦合器件(6)位于第二透镜(5)的后焦面上；光源(1)、待测物体(2)、第一透镜(3)、空间光调制器(4)、第二透镜(5)和电荷耦合器件(6)构成共轴装置；所述空间光调制器为被计算机生成的计算全息图加载后形成计算全息光栅的空间光调制器，将入射到其上的一个光波衍射分割为三个光波。

2.根据权利要求1所述的一种三光波横向剪切干涉的装置，其特征在于光源(1)为产生单色光的光源。

3.根据权利要求1所述的一种三光波横向剪切干涉的装置，其特征在于空间光调制器(4)通过计算机加载透过率为F(ξ，η)＝β+2*cos[2πs(ξ+ξ_j)]的余弦光栅，其中s为光栅的空间频率，ξ_j为光栅条纹的平移量，β为常数。

4.利用权利要求1所述的一种三光波横向剪切干涉的装置提取差分相位的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)所述空间光调制器衍射生成的三个光波经过第二个透镜的傅里叶变换后，在后焦面上形成的光场分布为：t′(x，y)＝β*t(x，y)+[exp(iφ_j)t(x+s，y)+exp(-iφ_j)t(x-s，y)]，其中s为光栅的空间频率，ξ_j为光栅条纹的平移量，t(x，y)为物平面上的光场分布，φ_j＝2πsξ_j；

(2)在第二透镜后焦面得到干涉图的强度分布为：I_j＝|t′(x，y)|²；

(3)设定全息光栅的参数ξ_j使之满足满足：

(j＝0，1，…7)，求出x方向的出差分相位为：

同可求出y方向的差分相位。

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