CN114323580A - 一种多方位同步相移横向剪切干涉装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种多方位同步相移横向剪切干涉装置及测量方法，其克服了现有技术中存在的剪切方向单一、测量精度低的问题，本发明剪切方向任意、测量精度高、可应用于车间检测。本发明包括依次设置的测试元件、分光元件、剪切单元、分光系统、定向偏振片阵列和CMOS相机，由偏振片双折射晶体和四分之一波片复合而成的剪切单元与自动控制单元连接，自动控制单元与计算机连接，CMOS相机与自动控制单元和计算机连接，分光元件一侧设置有激光光源。平行剪切偏振器由偏振片、双折射晶体和四分之一波片复合而成，其中偏振片的透光轴方向与x轴的夹角为0°，双折射晶体的光轴与x轴的夹角为45°，四分之一波片的快轴与x轴的夹角为45°。
Description
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域，涉及一种多方位同步相移横向剪切干涉装置及测量方法。
背景技术：
非球面镜可以校正光学系统中的各种像差、缩减系统中光学元件的个数以及提高系统成像的效果，被广泛应用在各个领域中。非球面光学元件性能的优劣直接决定了整个系统的总体性能，因此对非球面镜的面形检测精度提出了更高的要求。传统干涉法在测量非球面时，需要使用高精度的标准镜才能对非球面完成测量，测量精度受到标准镜精度的限制。剪切干涉仪的自参考方式避免了标准镜的使用，从原理上解决了传统非球面检测中需要参考镜和补偿镜的问题，其独特的光路结构也使其具有良好的抗干扰防震的特点，可应用于复杂环境下的车间检测。因此，剪切干涉法非常适用于非球面面形检测。
传统的剪切干涉仪，一般采用平行平板产生横向剪切，只能产生一组一个方向的剪切波前，导致与该方向正交方向的相位偏差无法反映在干涉图中，需要旋转剪切器件才能获得另一正交方向的相位信息，但剪切器件旋转后再次测量需要进行复位，要对剪切量进行重新计算才能使用，调整和计算过程既费时又容易引入误差。此外，现有干涉仪只能获取正交方向的两组波前数据，对其他方向的数据无法获得，难以实现高空间分辨率的波前重建。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种多方位同步相移横向剪切干涉装置及测量方法，其克服了现有技术中存在剪切方向单一不能获得其他方向的数据、剪切器复位需要对剪切量重新计算，测量精度低的问题，本发明可以实现剪切方向任意获取多方向数据、剪切量固定、测量精度高、性能稳定可在复杂环境下进行车间检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多方位同步相移横向剪切干涉装置，其特征在于：包括依次设置的测试元件、补偿元件、分光元件、剪切单元、分光系统、定向偏振片阵列和CMOS相机，剪切单元与自动控制单元连接，自动控制单元与计算机连接，CMOS相机与自动控制单元和计算机连接，分光元件一侧设置有激光光源；剪切单元由偏振片、双折射晶体和四分之一波片复合而成，其中偏振片的透光轴方向与x轴的夹角为0°，双折射晶体的光轴与x轴的夹角为45°，四分之一波片的快轴与x轴的夹角为45°。
剪切单元的传输特性分为三个部分：
(1)激光器出射的光束经过起偏器起偏后，出射后光束的斯托克斯矢量表述为
其中，[S0 S1 S2 S3]T表示激光器出射的光束的斯托克斯矢量，
Et表示从起偏器出射后的斯托克斯矢量。
起偏器的偏振方向与x方向的夹角θ选取45°，则出射光束归一化后的斯托克斯矢量表述为:
(2)经双折射晶体产生横向位移，出射后的光束的斯托克斯矢量表述为
晶体的快轴与x方向的夹角θ为0°，出射光束表述为
(3)经四分之一波片后，出射光束的斯托克斯矢量表述为
自动控制单元由二维控制器和电控旋转台构成，电控旋转台与剪切单元连接。
一种多方位同步相移横向剪切干涉装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
从双折射晶体出射的光束是振幅相等、偏振方向正交的o光和e光，其合成的光束的归一化斯托克斯矢量表述为
合成光束经过四分之一波片后的斯托克斯矢量表述为
用斯托克斯矢量表征光波强度与偏振态，第一个元素所代表的含义即为光波的总强度，因此，干涉光强表述为
I＝1+sin(φ+2θ)
偏振片阵列中透光轴的方向角θ分别为0°、45°、90°和135°，即可在干涉图中引入大小为0、
和2π的相位偏差，从而实现四步相移。然后根据四步相移算法和解包裹算法以及zernike拟合方法，从干涉图中提取出测试波前的位相分布进行波面复原计算和波面评价；
当剪切光束经过偏振片阵列后，获得四幅具有不同相移量的干涉条纹图，CMOS相机采集四幅干涉图，然后利用四步相移算法即可解调出x方向上的差分相位Δφx；用同样的方式可以计算出另一正交方向的差分相位Δφy；剪切波片旋转一周获取多组相互正交的差分相位，利用差分zernike拟合算法可以求取这多组正交的差分相位对应的zernike系数，通过对这多组不同方向的Zernike系数进行融合，然后利用该融合的zernike系数就可以重建出待测波面的面形数据。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
(1)本发明采用旋转剪切单元的方式可以实现任意方向的波前剪切，拥有固定的剪切量，只需要标定一次就可以在系统中长期使用，不会因器件旋转而造成剪切量的改变。
(2)多方位剪切弥补了其他维度数据缺失的情况，有效增加了数据点个数，通过多组相互正交方向的相位数据配准与融合，能够有效地消除系统随机误差对最终重建结果的影响，并且可以实现高空间分辨率的重建，提高重建面形的精度。
(3)本发明采用定向偏振片阵列实现同步移相，移相简单可靠，避免了因旋转偏振片实现相移带来的移相误差，且该器件一次成型后经过校准，当再次使用时不需重新校准也可保持移相精度不变。光路采用共路结构，对振动不敏感，具有很好的稳定性，同时采用偏振剪切的方式，使得系统所受外界杂散光的影响较小，可应用于复杂环境下的车间测量。
附图说明：
图1是一种多方位瞬时相移横向剪切干涉仪的结构示意图。
图2是剪切单元结构示意图。
图3定向偏振片阵列示意图。
图4空间滤波器示意图。
图中，1-激光光源，2-测试元件，3-补偿元件，4-分光元件，5-剪切单元，6-分光系统，7-定向偏振片阵列，8-CMOS相机，9-计算机，10-自动控制单元，11-棋盘光栅，12-空间滤波器，13-偏振片、14-双折射晶体、15-四分之一波片，
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本发明为一种多方位同步相移横向剪切干涉装置，本装置包括依次设置的测试元件2、补偿元件3、分光元件4、剪切单元5、分光系统6、定向偏振片阵列7和CMOS相机8，自动控制单元10与计算机9连接，CMOS相机8与自动控制单元10和计算机9连接，分光元件4一侧设置有激光光源1。自动控制单元由二维控制器和电控旋转台构成，电控旋转台与剪切单元5连接。
剪切单元5(如图2所示)是实现多方位剪切的核心器件，剪切单元由偏振片，双折射晶体和四分之一波片复合而成，可以避免多方位旋转时器件的位置变化。其中偏振片的透光轴方向与x轴的夹角为0°，双折射晶体的光轴与x轴的夹角为45°，四分之一波片的快轴与x轴的夹角为45°。利用斯托克斯矢量和穆勒矩阵对其传输特性进行分析，可以发现入射光束经过剪切单元后被调制为具有横向位移量的两束分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光波，并且当剪切单元旋转时，即可实现不同方向的波前剪切。
为保证从双折射晶体出射的o光和e光转变为左旋圆偏光和右旋圆偏光，其四分之一波片的快轴设置在xOy平面内且与x轴成45°的方向。利用斯托克斯矢量和穆勒矩阵分析剪切单元的传输特性如下：待测光学元件表面返回的光束经过剪切单元，传输特性可以分述为三个部分：
(1)激光器出射的光束经过起偏器起偏后，出射后光束的斯托克斯矢量可以表述为
其中，[S0 S1 S2 S3]T表示激光器出射的光束的斯托克斯矢量，
Et表示从起偏器出射后的斯托克斯矢量。
起偏器的偏振方向与x方向的夹角θ选取45°，则出射光束归一化后的斯托克斯矢量可以表述为
(2)经双折射晶体剪切，产生横向位移，出射后的光束的斯托克斯矢量表述为
晶体的快轴与x方向的夹角θ为0°，出射光束可以表述为
(3)经四分之一波片后，出射光束的斯托克斯矢量表述为
从结果可以看出，剪切单元可以将入射光束调制成具有横向位移量的两束分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光波。电控旋转台带动剪切单元旋转时，其出射的光束依然保持着左右圆偏光的偏振状态，保证了多方位剪切实现的同时也可以满足系统后续的偏振移相的要求。
所述分光系统6由棋盘位相光栅11和一个开普勒望远系统组成，用于将测试波前分为完全相等的四个波前。开普勒望远系统由第一透镜、第二透镜和空间滤波器构成，其中空间滤波器置于第一凸透镜的后焦面和第二凸透镜的前焦面上，且在空间滤波器上设置有4个中心对称的小圆孔；所述定向偏振片阵列7由4片材质相同线偏振片组成，相邻的偏振方向相对水平方向而言为0°，45°，90°，135°，使测试光束在这四个通道上分别产生
的相移量；所述的CMOS相机8和自动控制单元10与计算机9相连。自动控制单元由二维控制器和电控旋转台构成，软件系统通过二维控制器作为媒介控制旋转台的旋转角度，利用软件对旋转台旋转角度设定初始值和步进值，并且每步进一次CMOS相机完成一次图像采集，旋转台带动剪切单元旋转一周即可采集到多组剪切干涉图，实现多方位剪切。
本发明还涉及到一种多方位同步相移横向剪切干涉测量方法，其测量方法描述如下：
从双折射晶体出射的光束是振幅相等、偏振方向正交的o光和e光，其合成的光束的归一化斯托克斯矢量可以表述为
合成光束经过四分之一波片后的斯托克斯矢量表述为
用斯托克斯矢量表征光波强度与偏振态时，第一个元素所代表的含义即为光波的总强度，因此，干涉光强可以表述为
I＝1+sin(φ+2θ)
偏振片阵列中透光轴的方向角θ分别为0°、45°、90°和135°，即可引入大小为0、
和2π的相位偏差，从而实现四步相移，然后根据相应算法就可以进行波面复原计算和波面评价。
当剪切光束经过偏振片阵列后，就可以获得四幅具有不同相移量的干涉条纹图，CMOS相机采集四幅干涉图，然后利用四步相移算法即可解调出x方向上的差分相位Δφx。用同样的方式可以计算出另一正交方向的差分相位Δφy。剪切单元旋转一周可以获取多组相互正交的差分相位，通过相应的算法对这些不同方位的差分相位进行融合处理，然后再利用差分Zernike多项式拟合出被测波面面形。
本发明装置工作过程为：
照明单元1发出平行光束经过分光元件4到补偿元件3后照射到被测试光学元件2上，经光学元件表面返回的测试波前入射到剪切单元5上，剪切单元与自动控制单元10相连，自动控制单元由计算机和电控旋转台构成，电控旋转台均配有相应的控制软件，可以控制角度大小以及转速。软件系统通过二维控制器作为媒介控制旋转台的旋转角度，利用软件对旋转台旋转角度设定初始值和步进值，并且每步进一次CMOS相机完成一次图像采集，旋转台带动剪切波片旋转一周即可采集到多组剪切干涉图，实现多方位剪切。
由于剪切单元的特性，测试波面被分为具有固定横向位移和偏振态的两束光，一束光为左旋圆偏振光，另一束为右旋圆偏振光，并且当控制单元10带动剪切单元旋转时，出射的两束光的偏振态也不会发生改变。携带着被侧波面信息的两束圆偏振光垂直入射到二维棋盘位相光栅5上，由于光栅的衍射作用，光束会在x和y方向上分离成多个衍射级次，进入分光系统6，在分光系统6中第一凸透镜将衍射光会聚，然后在第一凸透镜的后焦面和第二凸透镜的前焦面上放置空间滤波器(如图4所示)，便可以将±1级衍射光筛选出来，实现测试波面的再次分束，利用该分光系统得到的四个通道的光束具有完全相同的波前信息。由于偏振态正交并不会产生干涉图样，光束需要经过定向偏振片阵列7(如图3所示)才会产生干涉。定向偏振片阵列7由4片材质相同线偏振片组成，相邻的偏振方向相对水平方向而言为0°，45°，90°，135°，光束会在这四个方向上发生干涉，在偏振片阵列7上即可观察到四个有明显的相移量的干涉条纹，利用CMOS相机8采集该四幅干涉图像。使用计算机9通过相应的算法处理，就可以从干涉图中提取出测试波前的相位分布，在经过波前重建算法就可以重建出测试元件的面形形状。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种多方位同步相移横向剪切干涉装置，其特征在于：包括依次设置的测试元件(2)、补偿元件(3)、分光元件(4)、剪切单元(5)、分光系统(6)、定向偏振片阵列(7)和CMOS相机(8)，剪切单元(5)与自动控制单元(10)连接，自动控制单元(10)与计算机(9)连接，CMOS相机(8)与自动控制单元(10)和计算机(9)连接，分光元件(4)一侧设置有激光光源(1)；剪切单元(5)由偏振片(13)、双折射晶体(14)和四分之一波片(15)复合而成，其中偏振片的透光轴方向与x轴的夹角为0°，双折射晶体的光轴与x轴的夹角为45°，四分之一波片的快轴与x轴的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种多方位同步相移横向剪切干涉装置，其特征在于：剪切单元(5)的传输特性分为三个部分：
(1)激光器出射的光束经过起偏器起偏后，出射后光束的斯托克斯矢量表述为
其中，[S0 S1 S2 S3]T表示激光器出射的光束的斯托克斯矢量，
Et表示从起偏器出射后的斯托克斯矢量。
起偏器的偏振方向与x方向的夹角θ选取45°，则出射光束归一化后的斯托克斯矢量表述为:
(2)经双折射晶体产生横向位移，出射后的光束的斯托克斯矢量表述为
晶体的快轴与x方向的夹角θ为0°，出射光束表述为
(3)经四分之一波片后，出射光束的斯托克斯矢量表述为
3.根据权利要求4所述的一种多方位同步相移横向剪切干涉装置，其特征在于：自动控制单元由二维控制器和电控旋转台构成，电控旋转台与剪切单元(5)连接。
4.一种采用权利要求1所述的一种多方位同步相移横向剪切干涉装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
从双折射晶体出射的光束是振幅相等、偏振方向正交的o光和e光，其合成的光束的归一化斯托克斯矢量表述为
合成光束经过四分之一波片后的斯托克斯矢量表述为
用斯托克斯矢量表征光波强度与偏振态，第一个元素所代表的含义即为光波的总强度，因此，干涉光强表述为
I＝1+sin(φ+2θ)
偏振片阵列中透光轴的方向角θ分别为0°、45°、90°和135°，即可在干涉图中引入大小为0、
和2π的相位偏差，从而实现四步相移。然后根据四步相移算法和解包裹算法以及zernike拟合方法，从干涉图中提取出测试波前的位相分布进行波面复原计算和波面评价；
当剪切光束经过偏振片阵列后，获得四幅具有不同相移量的干涉条纹图，CMOS相机采集四幅干涉图，然后利用四步相移算法即可解调出x方向上的差分相位Δφx；用同样的方式可以计算出另一正交方向的差分相位Δφy；剪切波片旋转一周获取多组相互正交的差分相位，利用差分zernike拟合算法可以求取这多组正交的差分相位对应的zernike系数，通过对这多组不同方向的Zernike系数进行融合，然后利用该融合的zernike系数就可以重建出待测波面的面形数据。
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| CN113984346A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-01-28 | 西安工业大学 | 用于表征偏振成像系统光学传递矩阵的装置和表征方法 |
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