一种瞬时两步相移横向剪切干涉测量系统和方法

：
1.本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种瞬时两步相移横向剪切干涉测量系统和方法。


背景技术：

2.横向剪切干涉技术是通过一定的光机系统，将待测波前分为完全相同的在空间上具有一定横向位移的两束待测波前。这项技术的应用，避免了在光学干涉中采用标准波前时所引入的系统误差，也可以在一定程度上简化系统的结构，降低测试系统对光学元件的精度影响，从而提高测量精度。
3.在现有技术中，仍存在剪切元件复位不准引起的剪切量计算不准确、剪切干涉图采样点太少造成的面形重构精度不高等问题。目前实现横向剪切干涉的方法有很多，如基于交叉光栅横向剪切干涉仪的共光路紧凑波前诊断系统(tong ling,ect,“common-path and compact wavefront diagnosissystem based on cross grating lateralshearing interferometer”.applied opticsvol.53,issue 30,pp.7144-7152，2014)中提出了一种基于交叉光栅横向剪切干涉仪的连续和瞬态波前测量共路紧凑诊断系统，此系统以十字交叉光栅作为剪切元件，利用掩膜版只让
±
1级次的衍射光通过，实现x和y两个方向上的横向剪切。该系统结构简单易于操作，但是对于光栅的制作精度要求非常高，且横向采样分辨率低，导致其图像分辨率受到很大的限制。
4.如单次曝光自由曲面轮廓仪(yong bum seo,ect,“single-shot freeform surface profiler”vol.28,no.3/3february 2020,optics express,3401-3409)中提出了一种基于空间移相横向剪切干涉法的测量自由曲面的新方法。利用双折射晶体实现剪切干涉，但光路搭建较为复杂，是非共光路系统，调试难度大，容易产生额外的误差；如在专利“移相横向剪切干涉仪(200710045147.2)”，“偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法(200710047254.9)”和“偏振移相双剪切干涉波面测量仪(200720075604.8)”中描述了一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法，它通过固定的波片和旋转的检偏器组成相移系统，通过两块平行平板实现剪切。该仪器对于平行平板的定位精度要求非常高，且通过一定的机械运动机构实现相移，因此，干涉图的获取对系统环境的变化比较敏感。
5.如在专利“一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法(202011643062.6)”中描述了一种基于直角反射棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法，利用四面体棱镜产生具有一定横向位移参考光和测试光，并且将其中一个直角反射棱镜安装在一维位移器上，通过一维位移器可以控制直角反射棱镜沿其斜边或直角边方向移动，来改变剪切量，因此需要一定的运动机构支撑,所以环境的变化将对测量结果产生影响。系统中剪切的实现需要保证四个直角反射棱镜在一定的空间姿态下，直角反射棱镜的反射表面面形误差和空间定位误差将降低系统的测量精度。
6.综上所述现有技术的问题是：实现多方向横向剪切的干涉方法的光路复杂，需要搭建两条或以上的光路来实现多方向剪切，调试难度大，成本高、结构复杂、稳定性差且极
容易引入额外的误差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种瞬时两步相移横向剪切干涉测量系统和方法，以克服现有技术存在的光路复杂，调试难度大，成本高、结构复杂、稳定性差且极容易引入额外误差的问题。
8.为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：一种瞬时两步相移横向剪切干涉测量系统，包括光轴上依次设置的激光光源1、透镜2、物镜3和平面反射镜4，还包括同轴设置的被测光学元件5、标准镜6、分束棱镜7、起偏器8、第一晶体偏振分束器9、第一λ/4波片10、第二晶体偏振分束器11、第二λ/4波片12、像素级的位相掩膜版13和ccd相机14，所述ccd相机14与计算机连接；其中起偏器8的透光轴相对于x轴方向成45
°
，第一λ/4波片的快轴方向与x轴的正方向夹角为45
°
，第一晶体偏振分束器9在水平放置时光轴方向与x轴正方向夹角为45
°
，第二晶体偏振分束器11与其正交放置，第二λ/4波片的快轴方向与x轴的正方向夹角为90
°
；所述位相掩膜版13安装在ccd相机14靶面之前并与靶面大小一致，位相掩膜版13上每一个像素级的微偏振单元都与ccd相机14靶面上的像素点一一匹配对应，且每两像素级的微偏振单元拼接组合成一个超级像元，相邻两个微偏振单元的透光轴是分别沿x轴方向和y轴方向；上述两个晶体偏振分束器为双折射晶体。
9.采用上述瞬时两步相移横向剪切干涉装置的测量方法，包括以下步骤：将被测件5设置于主光轴上的标准镜6的出射侧
10.①
由被测件5反射的入射光经过标准镜6成像在分束棱镜7之上，经过起偏器8后入射至第一晶体偏振分束器9；
11.②
从第一晶体偏振分束器9出射的两束水平光波经过第一λ/4波片10后变为两束旋向相反的圆偏振光，左右旋圆偏振光再次经过第二晶体偏振分束器11竖直分束后形成为四束线偏振光；
12.③
步骤
②
中出射的线偏振光通过第二λ/4波片12，出射的四束线偏振光分别变为两组(两束左旋、两束右旋)旋向相反的圆偏振光；
13.④
步骤
③
中出射的光波经过ccd相机14靶面前的位相掩膜版13后发生干涉，位相掩膜版13上每一个像素级的微偏振单元都与ccd相机14成像面板上的每一个像素点一一匹配对应，且每两个像素级的微偏振单元拼接组合成一个超级像元，相邻两个微偏振单元的透光轴角度分别沿x轴方向和y轴方向，光波经过位相掩膜版13之后发生相移干涉，由ccd相机14得到一幅横向剪切的偏振干涉原图。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
15.(1)操作简便，本发明包含测量系统不需要任何机械运动，通过单次曝光即可以同步获取得到固定相移量的瞬时两步相移横向剪切干涉图。
16.(2)在剪切干涉图获取的过程中，剪切干涉及同步相移都是通过共光路光学系统实现的，且适用于低相干光的波面测量，无需搭建两条或以上光路，系统调试简单。
17.(3)本发明利用像素位相掩膜版，实现两幅固定相移量的横向剪切干涉图同时获取，无需使用昂贵的压电换能器、线性转换器等机械相移机制，就可实现波面的瞬态干涉测量，具有很强抗干扰能力，提高了测量速度并且降低了测量的成本。
18.(4)采用像素级别的微偏振单元阵列实现同步相移，简单可靠，计算效率高。
19.(5)偏振晶体分束器剪切量固定，避免了剪切量计算问题，减少计算误差。
附图说明：
20.图1是实现瞬时两步相移横向剪切干涉测量系统原理图。
21.图2是两个晶体偏振分束器实现瞬时两步相移横向剪切干涉的示意图。
22.图3是与ccd探测器上的像素点一一相对应的像素位相掩膜版，及其像素级的微偏振单元阵列的方向示意图。
23.图4是通过掩膜版之后ccd相机采集得到的偏振干涉原图。
24.图5是由掩膜取图处理之后获取得到的两幅具有固定相移量的横向剪切干涉条纹图。
25.附图标记说明如下：
26.激光光源1、透镜2、物镜3、平面反射镜4、被测光学元件5、标准镜6、分束棱镜7、起偏器8、第一晶体偏振分束器9、第一λ/4波片10、第二晶体偏振分束器11、第二λ/4波片12、像素位相掩膜版13、ccd相机14。
具体实施方式：
27.下面将结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
28.本发明的核心思想在于，利用两块具有双折射效应的晶体偏振分束器组合同步实现瞬时两步相移横向剪切。
29.参见图1，本发明提供的一种瞬时两步相移横向剪切干涉测量系统，包括光轴上设置有激光光源1、透镜2、物镜3和平面反射镜4，主光轴上依次同轴设置有被测光学元件5、标准镜6、分束棱镜7、起偏器8、第一晶体偏振分束器9、第一λ/4波片10、第二晶体偏振分束器11、第二λ/4波片12、像素级的位相掩膜版13和ccd相机14，ccd相机14与计算机连接；其中起偏器8的角度相对于x轴方向成45
°
，第一λ/4波片的快轴方向与x轴的正方向夹角为45
°
，第一晶体偏振分束器9在水平放置时光轴方向与x轴正方向夹角为45
°
，第二晶体偏振分束器11与其正交放置，第二λ/4波片的快轴方向与x轴的正方向夹角为90
°
；所述位相掩膜版13安装在ccd相机14靶面之前并与靶面大小一致，位相掩膜版13上每一个像素级的微偏振单元都与ccd相机14靶面上的像素点一一匹配对应，且每两像素级的微偏振单元拼接组合成一个超级像元，相邻两个微偏振单元的透光轴是分别沿x轴方向和y轴方向。
30.该系统的测量过程是：由激光器1出射光源，通过显微物镜2和透镜3的实现扩束准直系统，经过反射镜4反射通过分束棱镜7和标准镜6照射到达被测元件5。被测元件5表面返回的测试波前经起偏器8后垂直入射第一晶体偏振分束器9，由于晶体偏振分束器具有双折射特性，所以测试波前出射时水平分束成具有一定横向位移的两束振动方向互相垂直的线偏振光，即o光和e光。这两束光波经过第一λ/4波片10，由于该λ/4波片10的快轴方向与x轴正方向的夹角为45
°
，因此，入射的两束线偏振光分别变为左旋和右旋圆偏振光。该圆偏振光垂直照射到第二晶体偏振分束器11上，经过晶体偏振分束器11分束后，这两束圆偏振光再次分别在竖直方向上分束成为四束线偏振光，实现四个波面的两两剪切。第二λ/4波片的快轴方向与x轴的正方向夹角为90
°
，分束后的光波经过第二λ/4波片12后产生位相延迟，参
见图3，通过安装在ccd相机14靶面前的位相掩膜版13，位相掩膜版13上每个像素级的微偏振单元都与ccd相机14靶面上的像素点一一匹配对应，且每两像素级的微偏振单元拼接组合成一个超级像元，相邻两个微偏振单元的透光轴分别沿x轴方向和y轴方向。
31.本发明的原理分析如下：
32.从晶体偏振分束器出射两束具有横向位移的线偏振光，即o光和e光；出射时，o光和e光的相位差为：
[0033][0034]
其中，λ为晶体偏振分束器的工作波长，no、ne分别为从晶体偏振分束器出射的o光和e光的折射率，lo、le分别为o光和e光的光程，lo、le都可根据晶体厚度计算得出。
[0035]
上述出射光经过位相掩膜版13后，当通过透偏方向为0
°
的微偏振单元时，从第二晶体偏振分束器11出射的四束光波的琼斯矢量表达式分别为：
[0036][0037]
e2＝0(3)
[0038][0039]
e4＝0(5)
[0040]
当通过透偏方向为90
°
的微偏振单元时，从第二晶体偏振分束器11出射的四束光波的琼斯矢量表达式分别为：
[0041]
e1＝0(6)
[0042][0043]
e3＝0(8)
[0044][0045]
这四束光波通过像素级的微偏振单元阵列后发生相移干涉，其中通过透偏方向为0
°
的微偏振单元时，则由e1和e3这两束光波叠加产生干涉，其干涉图的光强表达式可表示为：
[0046][0047]
当通过透偏方向为90
°
的微偏振单元时，则由e2和e4这两束光波叠加产生干涉，其干涉图的光强表达式可表示为：
[0048][0049]
其中，式(10)和(11)中，为被测元件面形携带的初始相位，δc为晶体偏振分束器出射o光与e光的相位差，具体由式(1)给出。
[0050]
采用本发明提供的一种瞬时两步相移横向剪切干涉测量方法，将被测件5设置于主光轴上的标准镜6的出射侧，包括以下步骤：
[0051]
①
由被测件5反射的入射光经过标准镜6成像在分束棱镜7之上，经过起偏器8后入
射至第一晶体偏振分束器9；
[0052]
②
从第一晶体偏振分束器9出射的两束水平光波经过第一λ/4波片10后变为两束旋向相反的圆偏振光，左右旋圆偏振光再次经过第二晶体偏振分束器11竖直分束后形成为四束线偏振光；
[0053]
③
步骤
②
中出射的线偏振光通过第二λ/4波片12，出射的四束线偏振光分别变为两组(两束左旋、两束右旋)旋向相反的圆偏振光；
[0054]
④
步骤
③
中出射的光波经过ccd相机14靶面前的位相掩膜版13后发生干涉，位相掩膜版13上每一个像素级的微偏振单元都与ccd相机14成像面板上的每一个像素点一一匹配对应，且每两个像素级的微偏振单元拼接组合成一个超级像元，相邻两个微偏振单元的透光轴分别沿x轴方向和y轴方向。光波经过位相掩膜版13之后发生相移干涉，由ccd相机14得到一幅横向剪切的偏振干涉原图。
[0055]
参见图5，采用本发明得到的横向剪切的偏振干涉原图，经过相应的掩膜取图处理可以同步获取到两幅横向剪切干涉条纹图a和b，并且获取到的这两幅干涉图之间有一定的固定相移量为其中δc为晶体偏振分束器出射o光与e光的相位差，具体由式(1)给出。