基于四光束干涉的波面位相测量方法
【专利摘要】本发明提供一种基于四光束干涉的波面位相测量方法，具体过程为：在待测光波波前所在的平面上设置分波面元件，所述分波面元件上的每个子孔径内设有四个通光圆孔A、B、C和D，其中通光圆孔A的圆心位于子孔径的中心上，通光圆孔B、C和D的圆心间隔120°均布在通光圆孔A的同心圆上；光电传感器采集光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将其存储于存储器中；根据第i个子孔径内的干涉图样，运算器计算待测光波波前在所述分波面元件第i个子孔径内以波面x和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值表征的波面位相分布。利用该方法能够获得各个子孔径内以波面x和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值表征的波面位相信息，从而实现高阶像差的精确测量。
【专利说明】基于四光束干涉的波面位相测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于四光束干涉的波面位相测量方法，属于光学测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 光波前传感通常使用光学测量的方法获得波面位相信息。常用的方法包括光干 涉、模式型波前传感、区域型波前传感等。光干涉通常利用两光束或多光束干涉，对待测光 波面位相进行调制，利用探测器（如CCD等）采集的干涉条纹强度信息，计算出光波前位相 信息。常用的光干涉方法包括牛顿干涉、菲佐干涉、泰曼-格林干涉、点衍射干涉、剪切干 涉、法布里-珀罗干涉等。模式型波前传感通常利用探测器采集一幅或多幅光的传播方向 上不同位置光场强度分布，并将待测波面在数学上分解为一系列正交多项式的组合，利用 光场强度分布计算出波面位相信息。常用的模式型波前传感技术包括曲率传感、相位变更 等。区域型波前传感通常使用分波面的方法，将整个待测波面分割为多个子孔径，通过测量 各个子孔径内波面的一阶导数（波前斜率），计算出波面位相。常用的区域型波前传感技术 包括哈特曼、夏克-哈特曼、刀口法、角锥棱镜法等。
[0003] 夏克-哈特曼是目前最为常用的波前传感技术，它利用微透镜阵列将待测波前分 割为多个子孔径，在微透镜阵列的焦平面使用光电探测器探测每个子孔径内光斑的相对横 向偏移量，从而计算出各个子孔径内的波前斜率，最后通过波前重构算法得到待测波面的 相位。但是，夏克-哈特曼传感器在原理上将单个子孔径内的波面视为平面波，因此它仅利 用了波前斜率信息，在波面采样点（子孔径）数量一定的情况下，难以对空间频率较高的高 阶像差进行精密测量。在波前传感技术中，波面采样点数量受限于光电探测器的空间分辨 率和像元尺寸。因此，在波面采样点数量难以进一步增多的情况下，尽可能提高单个采样点 所包含的波面信息，同时探测单个子孔径内波前的斜率和曲率，将有望提高波面高阶像差 的检测精度。
[0004] 近年来，研究人员提出了一系列斜率和曲率混合型的波前传感技术。由于该传感 技术同时测量得到波前的斜率和曲率值，相对于单一的斜率型波前传感技术能够得到更多 的波前信息，从而能够实现高阶像差的精密测量，是高精度波前传感技术的一个发展方向。
[0005] 2〇00 年，Paterson 和 Dainty (Opt Lett, 2〇00, 25 (23) :1687_1689)提出利用 色散透镜阵列代替夏克-哈特曼传感器中普通透镜阵列的斜率和曲率混合型波前传感 技术。该传感技术能够测量得到色散透镜所分割的各个子孔径波面X和y方向上的斜 率值，以及拉普拉斯曲率值。2009 年，Barwick(0pt Lett, 2009,34(11):1690-1692)对 Paterson和Dainty的传感技术做了进一步改进，用人工神经网络算法获得了各个子孔 径波面X和y方向上的斜率、曲率以及混合曲率值（波前在X和y方向上的混合偏导 数），从而得到了波前的全部一阶和二阶信息。2008年，Zou和Rolland(J Opt Soc Am A，2008, 25(9) :2331-2337)提出了基于夏克-哈特曼传感器的微分曲率传感器，同样可以 测量出各个子孔径波面在X和y方向上的斜率、曲率以及混合曲率值。2006年，Barbero等 人（Opt Lett, 2006, 31 (12) : 1845-1847)提出了另一种基于夏克-哈特曼的斜率和曲率混 合型波前传感技术，可测量得到各个子孔径内的斜率值和拉普拉斯曲率值。
[0006] 但是，传统的区域型波前传感技术，如哈特曼或夏克-哈特曼传感器，在原理上将 单个子孔径内的波面视为平面波，因此它仅利用了波前斜率信息。在波前传感技术中，波面 采样点（子孔径）数量受限于光电探测器的空间分辨率和像元尺寸。在子孔径数量一定的 情况下，难以对空间频率较高的高阶像差进行准确测量。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了实现光波波面位相信息的测量，提出一种基于四光束干涉的 波面位相测量方法。该方法在本质上属于区域型波前传感，但是该方法融合了光干涉和模 式型波前传感，能够获得各个子孔径内以波面X和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值（即 波前的全部一阶和二阶信息）表征的波面位相信息，从而实现高阶像差的精确测量。
[0008] 实现本发明的技术方案如下：
[0009] -种基于四光束干涉的波面位相测量方法，具体过程为：
[0010] 步骤一、在待测光波波前所在的平面上设置分波面元件，所述分波面元件上的每 个子孔径内设有四个通光圆孔A、B、C和D，其中通光圆孔A的圆心位于各个子孔径的中心 上，通光圆孔B、C和D的圆心间隔120°均布在通光圆孔A的同心圆上；
[0011] 步骤二、光电传感器采集光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将其存 储于存储器中；
[0012] 步骤三、根据第i个子孔径内的干涉图样，运算器计算待测光波波前在所述分波 面元件第i个子孔径内以波面X和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值表征的波面位相分 布，其中i = l，2，…N，N表示子孔径的数量。
[0013] 进一步地，本发明通光圆孔A、B、C和D的直径d相等，满足d彡λ f/p，所述同心 圆的半径s<p/2,其中λ为待测光波波长，f为分波面元件与光电传感器的间距，p为两 相邻子孔径中心的距离。
[0014] 进一步地，本发明计算待测光波波前在所述分波面元件第i个子孔径内波面位相 分布的过程为：
[0015] 每一子孔径形成干涉图样包括一个0级亮斑、六个1级亮斑及六个2级亮斑；
[0016] S1，利用干涉图样空间分布Ii (X'，/)中的0级亮斑，寻找0级亮斑中的光场强度 最高点，记录该点的坐标值（X' max。。， y maxO〇);
[0017] S2,干涉图样中心的坐标值记为（Xi'，yi'）；
[0018] S3,利用0级亮斑、六个1级亮斑和六个二级亮斑，计算出（X' max(l(l，y' max(l(l)相对于 的偏移量（Λχ，，Ay/);
[0019] S4,计算表示入射光波在第i个子孔径X和Y方向上波面位相斜率的泽尼克系数 &li 矛口 &2i，
[0020]
【权利要求】
1. 一种基于四光束干涉的波面位相测量方法，其特征在于，具体过程为： 步骤一、在待测光波波前所在的平面上设置分波面元件，所述分波面元件上的每个子 孔径内设有四个通光圆孔A、B、C和D，其中通光圆孔A的圆心位于各个子孔径的中心上，通 光圆孔B、C和D的圆心间隔120°均布在通光圆孔A的同心圆上； 步骤二、光电传感器采集光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将其存储于 存储器中； 步骤三、根据第i个子孔径内的干涉图样，运算器计算待测光波波前在所述分波面元 件第i个子孔径内以波面x和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值表征的波面位相分布，其 中i = 1，2，…N，N表示子孔径的数量。
2. 根据权利要求1所述基于四光束干涉的波面位相测量方法，其特征在于，所述通光 圆孔A、B、C和D的直径d相等，满足d彡入f/p，所述同心圆的半径s彡p/2,其中入为待 测光波波长，f?为分波面元件与光电传感器的间距，P为两相邻子孔径中心的距离。
3. 根据权利要求2所述基于四光束干涉的波面位相测量方法，其特征在于，计算待测 光波波前在所述分波面元件第i个子孔径内波面位相分布的过程为： 每一子孔径内的干涉图样包括一个0级亮斑、六个1级亮斑及六个2级亮斑； S1，利用干涉图样空间分布Ii (x'，y'）中的0级亮斑，寻找0级亮斑中的光场强度最高 点，记录该点的坐标值（X' maxOOJ y maxOO^ ? 52, 干涉图样中心的坐标值记为（Xi'，yi'）； 53, 利用0级亮斑、六个1级亮斑和六个二级亮斑，计算出（x'相对于 的偏移量（AXi，，Ay/); 54, 计算表示入射光波在第i个子孔径X和Y方向上波面位相斜率的泽尼克系数an和 a2i,
其中，X' i X max〇〇 八 X i ' y i y maxOO ^ Y i ? 55, 利用干涉图样上六个1级亮斑的空间分布，计算其对应的信号Sf5，根据已存储的查 找表％ =写切-?)，查找与所述⑥3对应的a3i ; 56, 选择干涉图样上对称的四个2级亮斑，利用所选亮斑的空间分布，计算其对应的信 号根据已存储的查找表=巧(5?）,查找与所述V对应的a4i ; 57, 利用干涉图样上未被选择的两个2级亮斑的空间分布，计算其对应的信号sr，根据 存储的查找表as=r3(r*)，查找与所述t对应的a5i ; 58, 将au、a2i、a3i、a4i和a5i代入分波面元件单个子孔径内的波面位相分布式Wi(x, y) =anx+a2iy+a3i[-l+2(x2+y 2)]+a4i(x2-y2)+a5i(2xy)中，获得第 i 个子孔径内波面位相分布； 所述查找表4 查找表& = r2(sw+>)及查找表七=r3(s'>查找表的建立过程为 ： S01、建立分波面元件单个子孔径内的波面位相分布式， ff (x, y) = a^+a^+a^ [-1+2 (x2+y2) ] +a4 (x2-y2) +a5 (2xy) 其中，ai和a2分别为入射光波在分波面元件上X和Y方向上波面位相斜率的泽尼克系 数，a3、a4和a5分别为入射光波在分波面元件上波面位相的离焦、0度像散和45度像散的泽 尼克系数； 502、 令系数ai、a2、a4和a5全部为零，a 3取不同数值，利用穷举法仿真计算干涉图像上 六个1级亮斑处对应的信号，建立查找表
503、 令系数ai、a2、a3和a5全部为零，a 4取不同数值，从所述六个2级亮斑选择对称的 四个亮斑，利用穷举法仿真计算干涉图像上所选择的四个亮斑处对应的信号建立查找 表1
504、 令系数ai、a2、a3和a4全部为零，a 5取不同数值，利用穷举法仿真计算干涉图像上 未被选择的两个2级亮斑处对应的信号S%建立查找表
4.根据权利要求3所述基于四光束干涉的波面位相测量方法，其特征在于，所述步骤 S3的计算过程为： S001，在干涉图样上的六个1级亮斑中，找到与（x' max(l(l, y' max(l(l)对应的六个点 (X maxll，y maxlD、(X maxl2J 乂 maxl2 )、（X maxl3，y maxl3)、（X maxl4, y maxl4)、（X maxl5， y maxl5)和 (x' maxl6, y' maxl6)，这六个点间隔60度均布在以）为圆心，半径为2入f/3s的 圆上，其对应的光场强度分别为Ii(X' maxll?又 maxli)、li (X maxl2，又 maxl2)、li (X maxl：3J y maxl!3)、 Ii(X maxl4, y maxl4)、I i (X maxl5? 乂 max15 )和 Ii(X， maxl6， y maxl6); S002,在干涉图样上的六个2级亮斑中，找到与（XmaxCI(l'，ymaxCI(l'）对应的六个点 (X max21，y max2i)、（X max22 ^ ^ max22 )、（X， max23 ^ ^ max2 3 )、（X， max24，y max24)、(X max25，y max25)矛口 (x' max26, y' max26)，这六个点间隔60度均布在以）为圆心，半径为i勺 圆上，其对应的光场强度分别为Ii(X'
max21，又 max2i)、li (X max22,又 max22)、li (X max23,又 max23)、 li (X max24，y max24)、li (X max25J 乂 max25 )和 Ii(X， max26， y max26); S003，（xmaxQQ，ymaxQQ )对应的光场强度为 L (xmaxQQ，ymaxQQ )，光场强度 L (xmaxQQ，ymaxQ。）、 li (X max21，y max2i)、li (X max22 ^ ^ max22 )>Ii(x， max23^ ^ max23 )、Ii(X' max24， y max24 )>Ii(x， max25? ^ max25^ 和符合函数形式为-Ax/ , y' -Ay/ )的空间分布，其中bi为未 知常数，
为一阶一类贝塞尔函数，《是丄的载波频率，满足
5004, 光场强度（X' maxll，又 maxli)、(X maxl3，y maxl3)矛口 (X maxl5, y'_15)，这三个点的光 场强度li (X ' maxll? y maxli)、li (X maxl3，y maxl3)矛口 li (X maxl5，y maxl5 )符合函数形式为 j',-取的空间分布，其中b2为未知常数； 5005, 光场强度（X' maxl2，又 maxl2)、(X maxl4，又 maxl4)矛口 (X maxl6，又 maxl6) ' --- I点的 光场强度li (X' maxl2，y maxl2)、li (X maxl4，y maxl4)矛口 li (X maxl6J 乂 maxl6 )符合函数形式为 b3B (x' - A x/，y' - A y/ )的空间分布，其中b3为未知常数； 5006, 由S003、S004、S005符合的函数形式，可以得到13个方程： ^ i G maxOOJ y maxOO^ b^B (x mas〇〇 A X , y mas〇〇 ^ Y ) ^
【文档编号】G01J9/02GK104280138SQ201410468786
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】刘克, 李艳秋 申请人:北京理工大学