CN109163816B - 一种基于余弦波带片的径向剪切干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于余弦波带片的径向剪切干涉仪，由一个余弦波带片和一个图像探测器组成，待测光束入射到余弦波带片，经过余弦波带片的衍射，形成两束光，一束是会聚光，另一束是发散光，两束光传播一段距离后，发生径向剪切干涉，形成干涉条纹，并被图像探测器记录。由于在图像探测器靶面上两束光的孔径不同，会聚光包含了径向缩小的待测光束信息，发散光包含了径向扩大的待测光束信息，所以干涉图中包含了径向剪切相位信息。利用相位提取算法和波前复原算法即可重构待测波前畸变信息。本发明仅使用一个余弦波带片和一个图像探测器即可实现波前测量，结构简单、***稳定可靠、无需参考光。
Description
技术领域
本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的干涉仪，尤其涉及一种新型的基于余弦波带片的径向剪切干涉仪。
背景技术
在现代科学技术研究中，利用光学的方法实现精密测量的技术应用非常广泛，光学测量具有非接触、高灵敏度和高精度等特点。随着激光技术和计算机技术的迅速发展,光学测量技术的应用领域不断的扩大。
剪切干涉仪是波前探测技术的主要方法之一，主要包括横向剪切干涉仪和径向剪切干涉仪。横向剪切干涉仪是通过分光的方式复制出待测光束，并将复制出的待测光束与其自身产生移位或者错位后使相互重叠的光束产生干涉，然后从干涉图中提取的相位差信息与待测波前之间存在一定的隐函数关系，利用波前复原算法即可重构待测波前。径向剪切干涉仪是将待测光束分成一束扩大光束，一束缩小光束，两束光在交叠区域实现径向剪切干涉，然后从干涉图中提取径向斜率信息，利用波前复原算法即可重构待测波前。
相较于横向剪切干涉仪，径向剪切干涉仪不需要同时测量两个垂直方向的波前斜率，并且无信息丢失，具有测量精度高，空间分辨率高等优点。径向剪切干涉仪有多种不同的干涉结构，早期主要由透镜、反射镜、棱镜等传统光学元件构成，之后有多种基于光栅、波带片等衍射光学元件的径向剪切干涉仪被提出。但是，这些径向剪切干涉仪的结构都很复杂，需要3到5个光学元件才能实现径向剪切，复杂的结构限制了径向剪切干涉仪的应用范围。另外，传统的径向剪切干涉仪的干涉图无明显规律，一般为了从干涉图中提取径向剪切干涉相位差，需要在光路中引入相移或者额外的空间载频。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：1、传统的径向剪切干涉仪结构复杂，需要多个光学元件实现径向剪切干涉，调整不便。2、传统的径向剪切干涉仪为了从干涉图中提取相位信息，需要在光路中引入相移或者倾斜，容易破坏干涉***的稳定性。
本发明采用的技术方案是：提出由一个余弦波带片和一个图像探测器组成的径向剪切干涉仪，结构简单，调整方便。此干涉仪光路中天然包含离焦，使得径向剪切干涉图是圆形闭合的，可以直接使用相位提取算法提取相位，无需在光路中引入相移或者倾斜，***稳定可靠。
其中：余弦波带片的复振幅透过率函数为：
其中，r是极坐标系的径向变量，d是一个常数，且d＝f×λ，其中f是波带片的焦距，λ是待测光束的波长。
设被测光复振幅为：
Ui(r,θ)＝Ai(r,θ)exp[jkW(r,θ)] (2)
其中，θ是极坐标系的角向变量，Ai(r,θ)是待测光束的振幅，W(r,θ)是待测光束的波前，j是虚数单位，k＝2π/λ是波矢。待测光束经过余弦波带片后，衍射出两束光，复振幅变成如下形式：
传播一段距离z，在图像探测器接收靶面复振幅表达式是：
其中，α＝f/(f-z)，是缩小波前的坐标变换系数，β＝f/(f+z)，是扩大波前的坐标变换系数，Az1(r,θ,z)/2是会聚光的振幅分布，Az2(r,θ,z)/2是发散光的振幅分布，进而得到在图像探测器接收的干涉图表达式：
其中，
是Uz(r,θ,z)的复共轭。
在图像探测器上得到单幅径向剪切干涉图，利用虚光栅移相莫尔条纹法从得到干涉条纹中可以解调相位获得径向波前斜率信息，进而结合径向剪切干涉模式波前复原算法重构待测波前。所述的径向剪切干涉仪的剪切比可调，并且调整方便，只需改变图像探测器到余弦波带片的距离z，其中径向剪切比s＝(f-z)/(f+z),f是余弦波带片的焦距。所述的余弦波带片由一个相位波带片和一个振幅波带片组成，其中相位波带片的透过率仅有0和π两个取值，振幅波带片的透过率在0到1之间连续变化。所述的图像探测器可以是CCD，CMOS，或其他阵列型探测器。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明通过单个余弦波带片，实现了径向剪切干涉，简化了径向剪切干涉仪的结构，扩大了径向剪切干涉仪的应用领域；
(2)本发明光路中天然包含圆形载频，不需要在光路中引入相移或者倾斜，即可提取相位信息，***更稳定，更可靠。
(3)本发明只需要单幅干涉图即可重构待测波前，可应用于动态波前探测。
(4)本发明的径向剪切比可通过改变图像探测器到Gabor波带片距离而调整，适用于大动态范围波前探测。
附图说明
图1为本发明基于余弦波带片的径向剪切干涉仪的结构示意图。
图2为余弦波带片的复振幅透过率结构示意图，其中，图2(a)是相位波带片，图2(b)是理想的振幅波带片。
图3为实际使用的二值化余弦波带片的复振幅透过率结构示意图，其中，图3(a)是相位波带片，图3(b)是二值化的振幅波带片。
图4为基于余弦波带片的径向剪切干涉仪的波前探测实验结果图，其中，图4(a)是径向剪切干涉图，图4(b)是测量的光学元件面形图，图4(c)是四波横向剪切干涉仪测量的光学元件面形图，图4(d)是二者测量结果的差值。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例中基于余弦波带片的径向剪切干涉仪，由一个余弦波带片1和一个CCD成像探测器2构成，如图2所示，理想的余弦波带片的复振幅透过率是从-1到1之间连续变化的，可以由一个相位波带片和一个振幅波带片构成，其中相位波带片只有0和π两个取值，如图2(a)所示，可以直接制作；振幅波带片的透过率是连续变化的，如图2(b)所示，以目前的工艺，制作非常困难，在此，我们设计了二值化的振幅波带片，方法是：首先对理想的振幅波带片进行均匀网格分割，然后再对每个网格进行细分，划分子网格，对细分之后的子网格进行随机编码，编码的数值只有两个，即0和1，其中编码1的表示该小网格透光，编码0的表示该小网格不透光，编码的原则是使得编码为1的小网格的个数与总的小网格个数之比尽可能的接近该网格处的平均透过率。图3是相位波带片和随机编码的二值化振幅波带片的结构示意图，图3(a)是相位波带片，图3(b)是二值化的振幅波带片，可以由二者构成余弦波带片。实施例中余弦波带片的大小是9mm×9mm；分割的网格数是1500×1500；子网格是3×3；余弦波带片的焦距是f＝600mm；光束孔径的直径是6.4mm；光束波长是λ＝632.8nm；从CCD成像探测器到余弦波带片的距离是z＝58mm；此时径向剪切比是s＝0.82。所用的CCD成像探测器是MV1-D1312-160-CL，采样间隔是8μm。
图4为利用本发明实施例进行波前探测的实验结果。实验测量的是一块光学玻璃的面形，图4(a)是CCD成像探测器记录的基于余弦波带片的径向剪切干涉仪的干涉图，干涉图是圆形闭合的。
通过虚光栅移相莫尔条纹法，可从干涉图中提取径向剪切相位差。具体步骤如下，首先，干涉图表达式可以改写成：
其中，
△W(r,θ,z)＝W(αr,θ)-W(βr,θ)
实验中，余弦波带片的焦距f和CCD成像探测器到余弦波带片的距离z均是已知的，所以α和β也是已知的，因此可以根据下式生成一幅模拟参考干涉图，
其中
是一个常数,m＝1,2,3,4.将(6)与(7)相乘，得到(8):
在(8)中，前两项是低频项，后三项是高频项，因此，可以通过设计一个低通滤波器将前两项滤出，
其中，H(r,θ)是一个低通滤波器，
是卷积符号。
令
则有:
从公式(10)即可得到径向剪切相位差，并结合径向剪切干涉模式波前复原算法即可重构待测波前，图4(b)是在单位圆内重构的待测波前，它的PV＝1.0309λ，RMS＝0.2371λ。图4(c)是四波横向剪切干涉仪对相同光学元件面形的测量结果，PV＝1.0192λ，RMS＝0.2353λ。图4(d)是二者测量结果的差值。二者的差值非常小，PV＝0.1023λ，RMS＝0.0156λ。以上实验结果表明本发明可以实现对波前的精确测量。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (2)
1.一种基于余弦波带片的径向剪切干涉仪，其特征在于：该径向剪切干涉仪由一个余弦波带片和一个图像探测器组成，余弦波带片由一个相位波带片和一个振幅波带片组成，其中相位波带片的透过率仅有0和π两个取值，振幅波带片的透过率在0到1之间连续变化，待测光束经过余弦波带片的衍射，形成两束光，一束是会聚光，另一束是发散光，两束光传播一段距离后，此距离小于余弦波带片的焦距，会聚光包含了径向缩小的待测光束信息，发散光包含了径向扩大的待测光束信息，二者发生径向剪切干涉，在图像探测器靶面产生径向剪切干涉条纹，干涉条纹中包含了待测波前的径向斜率信息，利用相位提取算法和波前复原算法即可重构待测光束相位信息，此径向剪切干涉仪的径向剪切比可调，并且调整方便，只需要改变图像探测器到余弦波带片的距离z，其中径向剪切比s＝(f-z)/(f+z),f是余弦波带片的焦距，余弦波带片的复振幅透过率函数为：
其中，r是极坐标系的径向变量，d是一个常数，且d＝f×λ，其中f是波带片的焦距，λ是待测光束的波长；
设被测光复振幅为：
Ui(r,θ)＝Ai(r,θ)exp[jkW(r,θ)] (2)
其中，θ是极坐标系的角向变量，Ai(r,θ)是待测光束的振幅，W(r,θ)是待测光束的波前，j是虚数单位，k＝2π/λ是波矢，待测光束经过余弦波带片后，衍射出两束光，复振幅变成如下形式：
传播一段距离z，在图像探测器接收靶面复振幅表达式是：
其中，α＝f/(f-z)，是缩小波前的坐标变换系数，β＝f/(f+z)，是扩大波前的坐标变换系数，Az1(r,θ,z)/2是会聚光的振幅分布，Az2(r,θ,z)/2是发散光的振幅分布，进而得到在图像探测器接收的干涉图表达式是：
其中，
是Uz(r,θ,z)的复共轭。
2.根据权利要求1所述的基于余弦波带片的径向剪切干涉仪，其特征在于：图像探测器是CCD或CMOS。
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Citations (2)
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