CN108955905B - 基于改进型哈特曼掩模的波前传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于圆形透光区域改进型哈特曼掩模的波前传感器及检测方法。该波前传感器包括衍射元件、探测器，其中，衍射元件是由棋盘型相位光栅与透光区域为圆形的振幅光栅所组成的混合光栅，在用于四波前剪切干涉时，具有比目前广泛使用的改进型哈特曼掩模(Modified Hartmann Mask,MHM)更好的衍射频谱特性，即更高的±1级衍射效率，从而进一步降低差分波前提取过程中的系统误差，提升测量精度；通过适当选择振幅光栅的量化因子，可以在保证衍射效率的前提下简化光栅结构，降低元器件的加工难度。该装置可用于高精度波前检测领域。
Description
技术领域
本发明属于光学波前检测领域，特别涉及一种基于振幅、相位混合光栅的剪切干涉波前传感器及检测方法。
背景技术
高精度波前测量技术广泛应用于光学元件表面面形检测、高分辨率光学系统波像差测量领域、天文观测、高能激光光束质量评价和生物组织在体成像等领域。
剪切干涉是一种典型的不需要标准镜的波前干涉测量技术，待测波前和其自身错位后的剪切波前叠加发生干涉。由于不依赖标准镜或小孔衍射产生所需的参考波前，故相比于相移点衍射干涉等传统干涉技术，剪切干涉技术可以简化光路结构、减小操作难度，具有动态范围大、易于集成化和仪器化等优点，常用于测试大型光学元件的表面面形。另外，由于相干涉的两束光几乎等光程，因此与传统的干涉测量技术相比，剪切干涉受空气扰动和机械振动的影响更小。
光栅剪切干涉技术使用光栅作为分光元件，具有装置结构简单、加工难度低、便于系统集成等优点。同时，避免了使用棱镜、分束器、反光镜等结构所引入的系统误差，提高了整体测量精度。光栅分光结构在横向剪切干涉技术中有着广泛的应用，如经典的Ronchi检验法。1997年，Schreiber等人提出一种基于两枚Ronchi相位光栅结构的横向剪切干涉装置，实现了±1级衍射光间的横向剪切干涉(Schreiber,H.,and J.Schwider."Lateralshearing interferometer based on two Ronchi phase gratings in series."Appliedoptics 36.22(1997):5321-5324.)。
然而传统的横向剪切干涉法一般需要进行正交方向上的两次测量，再合成为最终的待求波前，该异步曝光过程增加了测量过程的复杂性并引入了系统误差，限制了该技术的精度和使用场景。因此研究人员开始着眼于多波面横向剪切干涉技术。
1993年，Primot提出一种利用棱镜进行分光剪切的三波横向剪切干涉装置(Primot,Jerome."Three-wave lateral shearing interferometer."Applied optics32.31(1993):6242-6249.)。三束复制光以互成120°角的方式剪切叠加，并在同一副干涉图中产生三个方向的相位梯度，进而通过投影的方法得到两个方向上的波前梯度值，最终求解待求波前。然而该方法对分光元件的加工精度要求高，局限了其测量精度。1995年，Primot和Sogno在之前的三波横向剪切干涉装置基础上，重新设计了波前分光方案，采用双向六角形刻蚀结构光栅来实现波前分光。该改进实现了分光波前波失方向的精确性，使光栅结构作为多波面分光元件成为可能。
2000年，Primot和Guérineau在传统Hartmann方法的基础上，提出一种改进型的Hartmann掩模(Modified Hartmann Mask,MHM)，通过增加一枚相位光栅，改进了Hartmann掩模的衍射特性，使能量集中分布在四个参与干涉的衍射级次上(Primot J,GuérineauN.Extended Hartmann test based on the pseudoguiding property of a Hartmannmask completed by a phase chessboard[J].Applied optics,2000,39(31):5715-5720.)。所述的MHM光栅结构由棋盘型相位光栅和矩形振幅光栅组成，振幅光栅的占空比为2/3，且相位光栅周期是振幅光栅周期的2倍。在中心波长情况下，MHM光栅结构的衍射场中所有偶数、±3的倍数级次衍射光被消除，±4级内仅存在±1级衍射光，因此不需要级次选择窗口即可获得待测波前的相位信息。2004年，Velghe、Primot和Guérineau将改进型的Hartmann掩模用于多光束剪切干涉技术，提出四波横向剪切干涉的概念(Velghe,Sabrina,et al."Wave-front reconstruction from multidirectional phase derivativesgenerated by multilateral shearing interferometers."Optics letters 30.3(2005):245-247.)。实验显示，四光束剪切干涉技术相比于传统的两光束剪切干涉，可以获得更高的信噪比，从而提升了测量的精度。四波横向剪切干涉技术具有装置紧凑、消色差、动态范围大、准确性高等优点。然而，MHM光栅结构依然保留着±5、±7等高阶衍射级次，在实际测量过程中对x、y方向上的±1级衍射光间的干涉造成影响，限制了测量精度的进一步提高。
2015年，Ling等人提出了一种基于光通量约束的随机编码混合光栅结构(Ling T,Liu D,Yue X,et al.Quadriwave lateral shearing interferometer based on arandomly encoded hybrid grating[J].Optics letters,2015,40(10):2245-2248.)。该结构在MHM光栅结构的基础上通过随机编码的方式约束了振幅光栅的光通量，使振幅光栅的透过率函数近似满足理想的余弦半波形式，从原理上消除了除±1级以外的所有衍射级次，形成近似理想的四波干涉模型，进一步提高了待测波前的检测精度。然而随机编码的设计对振幅光栅的加工提出了挑战，加工良品率相对较低，限制了随机编码混合光栅的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于结合上述在先技术的优点，并克服上述在先技术的不足之处，提供一种基于改进型哈特曼掩模的波前传感器及检测方法。采用透光区域近似圆形的振幅光栅与棋盘型相位光栅组成的混合光栅作为衍射分光元件。一方面，相对于目前广泛采用的改进型哈特曼掩模(MHM)，进一步压制了高阶衍射级次的强度，从原理上减小了差分波前提取过程中的系统误差；另一方面，相对于衍射特性接近于理想情况的随机编码混合光栅(REHG)，在保证±1级衍射效率的前提下，降低了加工制造的难度，从而具有更广的应用范围。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于改进型哈特曼掩模的波前传感器，包括衍射光学元件、二维光电探测器，所述的衍射光学元件是在正交方向上同周期的二维光栅结构，由周期为T、透光区域为近似圆形的振幅光栅和周期为2T、在中心波长下相位梯度为π的棋盘型相位光栅混合组成；所述的衍射光学元件、二维光电探测器的位置关系为：沿被测波前传输方向，依次为衍射光学元件和二维光电探测器。
所述的透光区域为近似圆形的振幅光栅，在平面直角坐标系下其振幅透过率具有如下形式：
其中，T为振幅光栅的周期大小，circ()为圆域函数，a为振幅光栅圆形透光区域的半径大小，δ()为狄拉克delta函数。
所述的振幅光栅，每个象限中的透光区域均为由多个矩形拼接而成的近似1/4圆形的非矩形图形。其中，每个象限中用于拼接的矩形个数为N，N为量化因子，且N≥2。矩形的几何参数由矩形边框和圆周的交叉点与坐标轴所成的一系列角度θ1,θ2,...θ2N所唯一确定，且满足
的递归关系，其中j＝1,2,...2N，迭代初始值
所述的透光区域为近似圆形的振幅光栅，透光区域的半径大小a在数值上取方程
的第一个非零根，其中J1为一阶第一类Bessel函数。
所述的棋盘型相位光栅的振幅透过率满足如下形式：
其中，T为振幅光栅的周期大小,
是在中心波长照射下相位光栅的相位延迟量，
所述的二维光电探测器是CCD、CMOS、二维光电池阵列、二维光电二极管阵列。
一种采用所述的波前传感器进行波前检测的方法，该检测方法包含如下步骤：
1)待测波前入射至混合光栅上，所产生的干涉图被记录在二维光电探测器上；对于已知的波前传感器几何参数和入射光波的数值孔径，系统剪切率β可被唯一确定；
2)对二维光电探测器采集到的干涉图样进行傅里叶变换得到相应的频谱图，通过滤波的方法选取x和y方向上的二级频谱，将所选取的二级频谱分别平移至中心并进行逆傅里叶变换，相位解包裹后分别得到x和y方向上的差分波前ΔWx和ΔWy；
3)采用波前重建算法从差分波前信息ΔWx和ΔWy中还原得到被测波前W(x,y)。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用由棋盘型相位光栅与透光区域为近似圆形的振幅光栅所组成的混合光栅作为衍射元件，在用于四波前剪切干涉时，具有比目前广泛使用的改进型哈特曼掩模更好的衍射频谱特性，即更高的±1级衍射效率，从而进一步降低了差分波前提取过程中的系统误差，提升了测量精度；通过适当选择振幅光栅的量化因子N，可以在保证衍射效率的前提下简化光栅结构，降低元器件的加工难度。
附图说明
图1是基于改进型哈特曼掩模的波前传感器的结构图；
图2是透光区域为近似圆形的振幅光栅的俯视图；
图3是振幅光栅近透光区域的矩形拼接示意图；
图4是不同量化因子N对应的拼接效果示意图，其中，(a)-(j)分别为N＝1,2,...10时的效果图；
图5是棋盘型相位光栅实际刻蚀区域的俯视图；
图6是混合光栅结构的俯视图；
图7是混合光栅剖面的侧视图；
图8是所述波前传感器用于波前测量的方法流程图；
图9是所述波前传感器的几何结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容、实施过程和优点更加清楚，以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不以此实施例限制本发明的保护范围。以下括号中的编号与说明书附图中的编号相对应。
一种基于改进型哈特曼掩模的波前传感器，包括衍射光学元件1-2、二维光电探测器1-4，所述的衍射光学元件是在正交方向上同周期的二维光栅结构，由周期为T、透光区域为近似圆形的振幅光栅1-2-1和周期为2T、在中心波长下相位梯度为π的棋盘型相位光栅1-2-2混合组成；所述的衍射光学元件、二维光电探测器的位置关系为，沿被测波前传输方向，依次为衍射光学元件和二维光电探测器，且二者由连接机构1-3进行连接。
针对中心工作波长为532nm的剪切干涉波像差检测系统，本发明可以制成如下形式：
衍射光学元件1-2的栅距为55μm，光栅尺寸15mm×15mm，基底厚度Z2为3mm。
所述的透光区域为近似圆形的振幅光栅1-2-1，在平面直角坐标系下其振幅透过率具有如下形式：
其中，T为振幅光栅的周期大小，circ()为圆域函数，a为振幅光栅圆形透光区域的半径大小，δ()为狄拉克delta函数。
本例中，振幅光栅的周期T＝27.5μm，遮光金属层厚度＞200nm。透光区域的半径a的值取方程
的第一个非零根，其中J1为一阶第一类Bessel函数。数值解析结果为10.6157μm。
所述的振幅光栅，每个象限中的透光区域均为由多个矩形拼接而成的近似1/4圆形的非矩形图形。其中，每个象限中用于拼接的矩形个数为N，N为量化因子，且N≥2。(图3、图4)。本例中，每个1/4圆域都由4个矩形拼接而成，即量化因子N＝4(图4(d))。矩形的几何参数由矩形边框和圆周的交叉点与坐标轴所成的一系列角度θ1,θ2,...θ8所唯一确定，且满足
的递归关系，其中j＝1,2,...8，迭代种子值θ1＝13.34°。
采用刻蚀的方法制作棋盘型相位光栅(图7)，通过选择合适的刻蚀深度h，使相位光栅的相位延迟量
对于给定的系统参数，h的大小由入射光波的中心波长λ和相位光栅介质的折射率n共同决定。本例所述的相位光栅的刻蚀深度满足关系：
衍射光栅元件是由振幅光栅与相位光栅混合而成，在实际加工过程中，亦可仅刻蚀满足：
且没有被振幅光栅掩模所遮盖的区域即可(图5中的圆形灰色区域)。
本例中，相位光栅1-2-2周期2T＝55μm，基底介质选用康宁7980F石英，折射率n＝1.46，对应的刻蚀深度
二维光电探测器使用分辨率为640*480、单像素尺寸9.9μm(H)×9.9μm(V)的CCD传感器。
调节连接机构1-3的长度，使光栅出射平面与CCD光敏面的距离Z3(图9)为0.7mm。
在系统NA＝0.3的情况下，可以实现1.2526％-2.1435％的可变剪切率。干涉条纹数介于30-102条，单条纹宽度＞4像素。
当所述波前传感器用于四波横向剪切干涉时，以四个主要参与干涉的级次(+1,+1)、(+1,-1)、(-1,+1)和(-1,-1)的强度占所有衍射级次强度总和的比例为指标，用于评价波前传感器的衍射效率。本例所述的波前传感器的衍射效率为81.66％，而同等条件下以MHM作为衍射元件的波前传感器的衍射效率为80.04％，因此在实际使用中能有效降低高阶衍射级次间的干涉所带来的系统误差。
一种采用所述的波前传感器进行波前检测的方法，包含如下步骤：
1)待测波前1-1入射至混合光栅1-2上，所产生的干涉图8-3被记录在二维光电探测器1-4上；对于已知的波前传感器参数(如图9所示，等效点光源面9-1距光栅入射面9-2-1的距离Z1、光栅基底厚度Z2、光栅出射面距探测器光敏面9-3的距离Z3)和入射光波的数值孔径，系统剪切率β可被唯一确定；
2)对二维光电探测器采集到的干涉图8-3进行傅里叶变换得到相应的频谱图8-4，通过滤波的方法选取x和y方向上的二级频谱，将所选取的二级频谱分别平移至中心并进行逆傅里叶变换，解相位包裹后分别得到x和y方向上的差分波前ΔWx和ΔWy；
3)采用波前重建算法从差分波前信息ΔWx和ΔWy中还原得到被测波前W(x,y)8-5。
Claims (4)
1.一种基于哈特曼掩模的波前传感器，其特征在于，包括沿被测波前传输方向依次放置的衍射光学元件和二维光电探测器，所述的衍射光学元件是在正交方向上同周期的二维光栅结构，由周期为T、透光区域为圆形的振幅光栅，和周期为2T、在中心波长下相位梯度为π的棋盘型相位光栅混合组成；以所述的透光区域为圆形的振幅光栅的圆心为坐标原点建立平面直角坐标系，将圆形均分在四个象限中，每个象限中的1/4圆均由N个矩形拼接而成，N≥2；在平面直角坐标系下的圆形的振幅光栅的振幅透过率具有如下形式：
其中circ()为圆域函数，δ()为狄拉克delta函数，圆形的振幅光栅透光区域的半径大小a为方程
的第一个非零根，其中J1为一阶第一类Bessel函数；所述的棋盘型相位光栅的振幅透过率满足如下形式：
其中rect()为矩形函数，j＝1，2…N，
2.根据权利要求1所述的基于哈特曼掩模的波前传感器，其特征在于，所述的衍射光学元件和二维光电探测器之间由连接机构进行连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于哈特曼掩模的波前传感器，其特征在于，所述的二维光电探测器是CCD、CMOS、二维光电池阵列或二维光电二极管阵列。
4.一种采用权利要求1所述的波前传感器进行波前检测的方法，其特征在于该方法包含如下步骤：
①待测波前入射至衍射光学元件上产生的干涉图被记录在二维光电探测器上；
②对二维光电探测器采集到的干涉图样进行傅里叶变换得到相应的频谱图，通过滤波的方法选取x和y方向上的二级频谱，将所选取的二级频谱分别平移至频谱图中心并进行逆傅里叶变换，相位解包裹后分别得到x和y方向上的差分波前ΔWx和ΔWy；
③采用波前重建算法从差分波前信息ΔWx和ΔWy中还原得到被测波前。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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