[发明专利]一种实现可编程多波横向剪切干涉仪的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现可编程多波横向剪切干涉仪的方法，实现了通过编程生成光栅和通过编程改变干涉仪动态范围和灵敏度的功能，同时还为在三波、四波和六波横向剪切干涉仪之间的切换提供了便利，可以发挥各自的优势。

背景技术

在光学元件的表面检测、光学自适应系统、光束净化等领域中波前传感器得到了广泛的应用。常用的波前传感器有干涉仪波前传感器、夏克哈特曼波前传感器等。

夏克哈特曼波前传感器使待测波面入射到微透镜阵列，在微透镜阵列的焦面处放置探测器接收会聚点，根据这些汇聚点的质心位置测量出质心偏移，求出待测波前的梯度信息，从而重构波前。夏克-哈特曼法由于受到微透镜阵列与探测器匹配原理的制约，其对待测波前的采样点数受到限制，因此恢复的波前空间分辨率较低。

多波横向剪切干涉仪使用二维光栅作为波前分光器件将待测波前分为多支，并使它们发生横向剪切干涉。这些复制波前在观测平面上相互叠加产生干涉条纹，最后通过对干涉条纹的计算复原出波前信息。其中，四波横向剪切干涉仪与现在最常用的夏克哈特曼波前传感器相比，有更高的空间分辨率，且由于图像传感器与光栅之间的距离可以在0.1-100mm之间任意变换，四波横向剪切干涉仪不但灵敏度和动态范围可调且结构更紧凑、简单。

四波横向剪切干涉仪所用的衍射光栅(Modified Hartmann Mask MHM)是由一个周期为P的振幅光栅(即哈特曼掩膜)和一个周期为2P的相位板组成的复振幅光栅，这种光栅可以将90％以上的衍射光能量集中在四束一级衍射光中。

三波横向剪切干涉仪所用的衍射光栅一块由相位分别为0、2π/3和-2π/3的六边形微相位板组成的纯相位光栅。这种光栅可以将大部分的衍射光能量集中在三束与光轴夹角相等的一级衍射光中。

六波横向剪切干涉仪所用的衍射光栅是一块由六边形形状的微透镜组成的透镜阵列，同样相当于一块纯相位光栅。经过该光栅衍射的光约50％的能量集中在六束一级衍射光中。

传统的振幅光栅由金属铬制成，位相光栅由熔石英刻蚀而成，刻蚀过程中由于受到基片面型误差、材料非均匀性及加工误差等的影响，传统衍射光栅衍射效率与理想情况相比存在一定误差，且光栅一旦成型不具有可变性，也即光栅周期和形态皆不可变，这些都使干涉仪的灵活性和准确性受到一定限制。

本发明要解决的技术问题是：1、传统的四波横向剪切干涉仪中，衍射光栅的光栅周期不可变，要改变干涉仪的灵敏度和动态范围，只能通过改变CCD和光栅之间的距离来实现，这不仅会加大干涉仪的损耗，也会使系统的稳定性大大降低。2、传统的四波横向剪切干涉仪中，衍射光栅的光栅形态不可变，要实现在四波横向剪切干涉仪、三波横向剪切干涉仪和六波横向剪切干涉仪之间的切换，只能通过更换系统中的光栅来实现，操作过程比较繁琐且容易破坏系统稳定性。

发明内容

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：用纯相位空间光调制器生成多波横向剪切干涉仪的衍射光栅，通过编程手段改变光栅周期和光栅形态。

具体实现步骤如下：

(1)确定灵敏度和动态范围要求；

(2)确定工作模式(三波横向剪切干涉仪/四波横向剪切干涉仪/六波横向剪切干涉仪)；

(3)计算干涉仪所需的光栅复振幅透过率分布；

(4)用纯相位空间光调制器生成多波横向剪切干涉仪的衍射光栅；

(5)将图像传感器作为接收屏放置在出射光路上，经过纯相位空间光调制器反射的反射光在接收屏上相干叠加形成干涉条纹，对图像传感器探测得到干涉条纹进行计算获得波前斜率信息，进而复原波前；

(6)通过编程改变工作模式，改变四波横向剪切干涉仪的灵敏度和动态范围。

其具体步骤如下：

a.确定灵敏度和动态范围。

无论是对于四波横向剪切干涉仪、三波横向剪切干涉仪还是六波横向剪切干涉仪来说，其灵敏度和动态范围都由z/d决定，其中z为图像传感器与光栅之间的距离，d为干涉仪的光栅周期；当干涉仪的灵敏度和动态范围确定，z确定以后，d也就确定了。

b.确定干涉仪的工作模式。

c.计算干涉仪所需的光栅复振幅透过率分布。

四波横向剪切干涉仪的光栅复振幅透过率函数为：

①，其中

a＝2d/3，为卷积符号，式中门函数

为x方向和y方向周期都为d的二维梳状函数。

三波横向剪切干涉仪的光栅复振幅透过率函数为：

t'(x，y)＝exp[iΦ'(x,y)]②，其中

Φ'(x,y)代表相位分布。