一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置，包括分波面元件、光电传感器、存储器和运算器；其中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；光电传感器用于接收入射光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将干涉图样的强度信息量化为数字图像，保存在存储器中；运算器根据存储器中保存的数字图像，计算入射光波在分波面元件上各个子孔径内的波面位相分布。能够获得各个子孔径内波面的x和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值，从而实现高阶像差的精确测量。
【专利说明】一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光波前传感装置，具体涉及一种基于四光束干涉的混合型波前传 感装置，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] 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 混合型波前传感装置。该装置融合了光干涉、模式型和区域型波前传感，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 征的波面位相分布，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混合型波前传感装置，包括分波面元件、光电传感器、存储 器和运算器；其中
[0010] 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；
[0011] 光电传感器用于接收入射光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将干涉 图样的强度信息量化为数字图像，保存在存储器中；
[0012] 运算器根据存储器中保存的数字图像，计算入射光波在分波面元件上各个子孔径 内的，以各个子孔径内波面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。
[0013] 进一步地，本发明所述通光圆孔A、B、C和D的直径dA，dB，d c，dD彡λ f/p，λ为待 测光波波长，f为分波面元件与光电传感器的间距，Ρ为两相邻子孔径中心的距离。
[0014] 进一步地，本发明所述同心圆的半径s < ρ/2。
[0015] 进一步地，本发明所述子孔径的形状为方形、正六边形或圆形。
[0016] 进一步地，本发明所述存储器中存储有查找表Α = 7；(·!Γ)、查找表《4 = Γ2(.Γ·)、 查找表ft； = J；(Sw0 及查找表（Δ X'，Δ y'）= T4 (a3, a4, a5);
[0017] 计算各个孔径内的波面位相分布为：
[0018] 第i个子孔径内的相干光在光电传感器所处平面X'Y'发生干涉形成干涉图样包 括一个〇级亮斑、六个1级亮斑及六个2级亮斑，i = 1，2，…Ν，Ν表示子孔径的数量；
[0019] 步骤一，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V，根据存 储的查找表仏=7；(<r )，查找与所述Sf对应的a3i ;
[0020] 步骤二，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ST，根据存储的查找表A =?；(H ,查找与所述V对应的a4i ;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ST，根据存储的查找表 = 2；(Ρ+)，查找与所述ST对应的a5i ;
[0021] 步骤三，根据所获取的a3i、a4i和a5i，根据所述查找表（Δχ'，Ay'）= T4(a3, a4, a5)， 查找与a3i、a4i和a5i对应的偏移量Δ x' i和Δ y' i ;
[0022] 步骤四，利用干涉图样上的0级亮斑，计算其质心位置在X'和Y'方向上的总偏移 量 xtotal' i 和 ytotal' i ;
[0023] 步骤五，根据 Δχ'p Ay'pxtotal'i 及 ytotal'p 计算出 an 和 a2i ;
[0024]
【权利要求】
1. 一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置，其特征在于，包括分波面元件、光电传 感器、存储器和运算器；其中 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； 光电传感器用于接收入射光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将干涉图样 的强度信息量化为数字图像，保存在存储器中； 运算器根据存储器中保存的数字图像，计算入射光波在分波面元件上的各个子孔径内 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分布。
2. 根据权利要求1所述基于四光束干涉的混合型波前传感装置，其特征在于，所述通 光圆孔A、B、C和D的直径dA，dB，d。，dD > A f/p，A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混合型波前传感装置，其特征在于，所述同 心圆的半径s < p/2。
4. 根据权利要求1所述基于四光束干涉的混合型波前传感装置，其特征在于，所述子 孔径的形状为方形、正六边形或圆形。
5. 根据权利要求1所述基于四光束干涉的混合型波前传感装置，其特征在于，所 述存储器中存储有查找表％ = 7；(P )、查找表= r2)、查找表a5 = 7^，）及查找表 (Ax' , Ay' ) = T4(a3, a4, a5)； 计算各个子孔径内的波面位相分布为： 第i个子孔径内的相干光在光电传感器所处平面X'Y'发生干涉形成干涉图样包括一 个〇级亮斑、六个1级亮斑及六个2级亮斑，i = 1，2，…N，N表示子孔径的数量； 步骤一，利用干涉图样上六个1级亮斑的空间分布，计算其对应的信号芩1，根据存储 的查找表a, =7；(5^)，查找与所述砣对应的a3i ; 步骤二，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5?,根据存储的查找表A ，查找与所述V对应的a4i ;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^，根据存储的查找表 4 h查找与所述矿对应的a5i ; 步骤三，根据所获取的a3i、a4i和a5i，根据所述查找表（Ax'，Ay'）= T4(a3, a4, a5)，查 找与a3i、a4i和a5i对应的偏移量A x' i和A y' i ; 步骤四，利用干涉图样上的〇级亮斑，计算其质心位置在X'和Y'方向上的总偏移量 xtotal' i 和 ytotal' i ; 步骤五，根据A x' p A y'广xtotal' i及ytotal' i,计算出an和a2i ; j
其中 x，i = xtotal，A x，i, y，i = ytotal，A y，i ; 步骤六，将an、a2i、a3i、a4i和a 5i代入分波面元件单个子孔径内的波面位相分布式 Wi (X，y) = a^x+aMy+aw [-1+2 (x2+y2) ] +a4i (x2-y2) +a5i (2xy)中，获得第 i 个孔径上波面位相 分布； 所述查找表a = 7；(r)、查找表= r2(s"、查找表化=)及查找表 (A X'，A y'）= T4 (a3, a4, a5)的建立过程为： 501、 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俨，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 ci4=r2(r"； 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f5，建立查找表七); 505、 令系数和a2全部为零，a3、a4和a5取不同数值，利用穷举法仿真计算干涉图像 上〇级亮斑质心位置在所述在平面X'Y'内X'和Y'方向上的偏移量Ax'和Ay'，建立查 找表（A x'，A y'）= T4 (a3, a4, a5)。
【文档编号】G01J9/02GK104280137SQ201410468778
【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