横向剪切干涉仪波前测量方法
【专利摘要】本发明提出的横向剪切干涉仪波前测量方法，旨在提供一种实时，高精确度，快速的，可用于横向剪切干涉仪对波前畸变测量的方法。本发明通过下述技术方案实现：在横向剪切干涉仪测量软件中，将通过经验设定的滤波函数设置为通过自动分析采集结果计算后获得的自适应算法模块，自适应算法模块通过干涉系统中的分束镜做小角度倾斜引入合适空间载频，经被成像系统采集后进行傅立叶分析获取频谱信息和数字加权滤波，并将电荷耦合器CCD获取的光强条纹信息进行傅立叶变化和分析，获取新的频谱信息，根据采集图样信息自动计算滤波函数的参数，进行滤波计算还原得到波前图，再将滤波获得的相位信息进行解包计算和叠加计算，获得最终的波前相位测量结果。
【专利说明】横向剪切干涉仪波前测量方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于光学计量以及激光光束计量领域，剪切干涉测量中基于可直接应用于横向剪切干涉仪波前测量的方法。
【背景技术】
[0002]径向剪切干涉仪是通过分析，经过径向剪切干涉仪后扩束和缩束的两束光在重叠区域形成的干涉条纹，可以获得入射待测光束的波前信息的装置。由于径向剪切干涉光路的搭建具有多样性，测量精度高且可根据不同测试对象选择不同的测量精度，测试对象具有广泛性，因此波前畸变的检测和控制一直是ICF激光驱动器等其它高功率固体激光器关心的重要课题。根据标量衍射理论和低频波前畸变的高斯随机位相分布模型，不同均方根梯度低频畸变波前对激光光束焦斑聚焦性的影响较大，它将直接对光束的质量和激光器的造价产生影响。波前剪切干涉仪的剪切方式除了横向径向，还有旋转以及翻转剪切的方式。这种干涉仪没有参考波面。横向剪切干涉仪把被测光束分解成两个相同的，但相互横移的相干光束。径向剪切干涉仪则是把被测光束分解成波面面形相似，但横截面大小不相同的两相干光束。干涉出现在两相干光束的重叠区域内。由于横向剪切干涉仪测量没有标准波面，使得被测波面变化与干涉条纹的对应关系不如其它干涉仪测量所得的干涉条纹那样直观明显，因而使用横向剪切干涉仪测量的关键之一就是对离散数据采样点进行数学处理，把从干涉波面上的提取的包含被测信息的离散点拟合成一个与实际干涉波面尽可能接近的波面函数，即剪切波面的拟合。在非对称畸变波面检测中，横向剪切干涉仪(LSI)存在一些不足，最主要的是由于干涉图形不能直接给出波差值，需要通过经验设定滤波函数，这种依靠经验设定参数的不足之处在于会导致测量重复性差，测量结果误差范围变化大，测量波前轮廓与细节保留的矛盾，测量连续光或者高重频光时不能进行实施显示。其次在横向剪切干涉测量中，横向剪切干涉仪器不仅需要两个正交方向上的横向剪切数据，且还要从相互正交的两个方向的剪切干涉图中提取对应光阑部分的相位，计算X、Y两个方向的剪切干涉，从相互垂直方向上的剪切干涉图获得的差分波前可以恢复待测的二维波前。在已有的二维波前重建算法中，泽尼克多项式拟合是最常用的一种技术。为了解决已有的傅里叶模式估计理论中要求剪切量等`于采样间隔的限制，现有技术针对大剪切量带来的差分相位数据维数减小的问题，在傅里叶模式展开理论的基础上，从横向剪切干涉获得的差分波前，通过最小二乘拟合计算出待测波前的傅里叶变换系数，重建出原始波前。由于横向剪切干涉仪没有标准波面，待测波面和干涉条纹之间没有直接的对应关系，因此横向剪切干涉波面测量必须分为获得剪切波面分布和重建原始波前两步。在重建算法中，主要有网格点法[I]、积分法[2]、待定系数法[3]和最小二乘法[4]等。网格点法精度较高，但只能用于二维剪切，硬件要求较高，同时存在运算量巨大的问题；积分法能应用于一维或者二维剪切的情况，但只适用于小剪切量干涉；最小二乘法利用优化算法求解最小二乘方程组，精度受到一定影响。泽尼克待定系数法在横向剪切干涉领域的应用是利用泽尼克多项式对剪切相位进行拟合求出剪切相位泽尼克系数，再通过X，y方向剪切相位泽尼克多项式系数与被测相位泽尼克多项式系数之间的直接转换矩阵，最终求得被测相位的泽尼克系数。但是，一方面由于泽尼克多项式本身的复杂性，系数之间直接转换矩阵的求解异常困难，使得这种方法在二维横向剪切干涉领域的应用仅局限于对低阶相位的探测(一般为前35阶泽尼克像差)，很难推广。径向剪切干涉系统主要包括伽利略望远系统、三平板剪切干涉系统、成像系统和准直扩束系统。径向剪切干涉仪主要包括图2所示的分束镜1，胶合透镜2和负透镜3形成的伽利略望远系统，第一平面反射镜4、第二平面反射镜5、第一反射镜6，以及厚透镜7、第一弯月透镜8、第二弯月透镜9、平凹透镜10、第二反射镜11组成的成像系统。
[0003]1.目前主要的算法畸变波前的重建算法和最小二乘拟合的算法是利用干涉
[0004]系统中的分束镜做小角度倾斜，引入合适空间载频fx和fy后光强表达式为:
[0005]?^-,φ^-αΟ-,φ +b -, # j cos|2w/, cos φ + 2mj\.sin # + kWopi , # Cl)
[0006]为背景光和条纹调制度，Φ是人射光波前，k是波数，
表示重叠区的剪切波前，s的倒数的平方就是干涉系统的径向剪切放大倍数。背
景光和条纹调制度，将式(I)化为直角坐标系下得:
[0007]
I (x,,)=e(jf, y) + b(x, j)cos|2?f；x + Iitff y + kW_ (x, y) + Svi (x, y )\ (2)
[0008]其中δ sys(x, y)表示光学系统本身部分对待测波面所引入的误差量，这里令
[0009]φ, y) = ^(λ..y) `+ (x, y)}(3)
[0010]则式(3)可以化为式(4)，对式(4)进行傅里叶变换得到其频谱分布式(5)。
l(x,y) = a(.\\ y) + c{x, v)cxp(/2^/；.1-)cxp(i2^；j)
[0011],., /{(64)
+ c {x, v)exp(-HitfxX)exp\-?2ττ(νχ)
[0012]I (FXJ Fy) = A (FXJ Fy) +C (Fx_fx，Fy-fy) +C* (Fx+fx，Fy+fy) (5 )
[0013]其中I (Fx，Fy)、A(FX，Fy)、C(Fx_fx，Fy-fy)和 C*(Fx+fx, Fy+fy)分别对应了式(4)各项傅里叶变换。在频域将包含待测位相差信号以及系统误差的基频C(Fx-fx，Fy-fy)通过一个汉宁窗函数
[0014]Harn(L) = 0J[1 -cos(2Tr—0<λ < 1-1
L-1
[0015]进行数字加权滤波，对Φ (X，y)进行解包就可以得到剪切波面WtjpdU, y)。
[0016]φ(χ,y) = kWapd(.r,y) + δΜ(χ.ν) = arctan|課.備
[0017]通过叠加计算可以得到[0018]
【权利要求】
1.一种横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于包括如下步骤:在横向剪切干涉仪测量软件中，将原来通过经验设定的滤波函数设置为通过自动分析采集结果计算后获得的自适应算法模块，自适应算法模块通过干涉系统中的分束镜(I)做小角度倾斜引入合适空间载频，待测光被分束镜(I)透射和反射的两路经过扩束和缩束后形成了的干涉条纹，成像到电荷耦合器CCD，经被成像系统采集后进行傅立叶分析获取频谱信息和数字加权滤波，并将电荷耦合器CCD获取的光强条纹信息进行傅立叶变化，对得到的探测条纹I U，y)做傅立叶分析，获取频谱域和频率域信息，然后通过频率域信息自动获取滤波参数最大值、最小值和步长，自动设定汉宁窗函数参数L值进行滤波计算，计算不同汉宁窗函数参数Ln情况下获得的波前分布结果W(Ln)，并对波前分布分别做快速离散傅立叶变换，获取新的频谱信息，同时将相邻的频谱信息做相关计算，根据获取的图样自动计算汉宁窗函数参数最大值、最小值和计算步长，取相关计算结果最大值与周围结果变换最小值作为最终的滤波函数参数，根据采集的图样信息自动计算滤波函数的参数，从滤波后的值中进行逆傅立叶变化获得相位信息，进行滤波计算还原得到波前图，再将滤波获得的相位信息进行解包计算和叠加计算，从而获得最终的波前相位测量结果。
2.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:在进行数字加权滤波过程中，首先通过正一级频谱峰值获得初始参数，将初始参数带入计算后获得波前分布，将波前分布进行傅立叶变换获得频谱图，将频谱图进行对数变换，按单象素步长增加初始参数后获得新频谱图，与前一频谱图做互相关计算，取相关计算最大值结果作为真实滤波参数。然后对得到的波前相位进行解包就可以得到剪切波面，对得到的剪切波面进行叠加计算处理后即可以得到测量波前。
3.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:径向剪切干涉仪主要包括位于第一反射镜(6)与胶合透镜(2)之间的分束镜(I)和位于胶合透镜(2)与第一平面反射镜(4)之间的负透镜(3)，其中分束镜(I)、胶合透镜(2)和负透镜(3)共光轴顺次排列形成的伽利略望远系统。
4.如权利要求3所述`的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:伽利略望远系统的出射光通过倾斜第一平面反射镜(4)反射至第二平面反射镜(5)经第二平面反射镜(5)垂直向上反射至分束镜(I)。
5.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:分束镜(I)的一路分光通过45°第一反射镜(6)将平行光垂直反射至依次重叠的厚透镜(7)、第一弯月透镜(8)和第二弯月透镜(9)，经平凹透镜(10)投射到与第一反射镜(6)对称分布的45°第二反射镜(11)上，通过第二反射镜(11)水平反射至电荷耦合器CCD。
6.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:首先，自适应算法模块对得到的探测条纹I (x，y)做傅立叶分析，得到频谱域为:
I (Fx, Fy) = A (Fx, Fy) +C (Fx-fx, Fy-fy) +C* (Fx+fx, Fy+fy)， 在频谱域上计算正一级频谱C(Fx-fx，Fy-fy)的峰值到中心频谱A (Fx，Fy)峰值的距离为xd,这时取汉宁窗函数参数Lmin=Xd,取正一级频谱C(Fx-fx，Fy-fy)峰值3dB带宽xs，这时取Lfflin=Xs,分别取L值从Lmin到Lmax，计算不同参数Ln情况下获得的波前分布结果W(Ln)，其中，A (Fx, Fy)是零级频谱，C(Fx-fx，Fy-fy)是正一级频谱，(T(Fx-fx，Fy-fy)是负一级频谱的共轭。
7.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:在进行数字加权滤波过程中，使用自适应滤波算法，首先通过正一级频谱峰值获得初始参数，将初始参数带入计算后获得波前分布，将波前分布进行傅立叶变换获得频谱图，将频谱图进行对数变换，按步长增加初始参数后获得频谱图，与前一频谱图做互相关计算，取相关计算最大值结果作为真实滤波参数，然后对得到的波前相位进行解包就可以得到剪切波面，对得到的剪切波面进行叠加计算处理得到测量波前。
8.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:横向剪切干涉仪软件对采集条纹进行傅立叶分析获取频谱信息，利用自适应算法获取合理的滤波函数的参数进行计算，对滤波后的值进行逆傅立叶变化获得缩束光与扩束光之间的相对相位信息，在对相对相位解包后进行叠加计算获得波前相位信息。
9.如权利要求1所述的横向剪切干涉仪波前测量方法，其特征在于:自适应算法模块根据电荷耦合器CCD采集 的图样信息自动计算滤波函数的窗口参数L值。
【文档编号】G01J9/02GK103698022SQ201310664667
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】赵琦, 樊红英, 胡绍云, 孟庆安, 蒋泽伟 申请人:西南技术物理研究所