基于衍射光学元件的多波前横向剪切干涉方法研究

合集下载

基于四波横向剪切干涉法的超表面光学表征

基于四波横向剪切干涉法的超表面光学表征自从J. B. Pentry教授在1996年开始提出超材料结构的负折射原理，Roger M. Walser教授1999年正式提出了超材料metamaterial的名词。

现如今，超材料已经从最初材料性研究，慢慢的过度到器件方向，而由于微纳工艺的发展，亚微米乃至纳米级周期性结构得以实现，超材料在可见光和近中红外等区域的研究近年来也逐渐增多，由此衍生的超表面、超透镜等也变成了光学前沿和技术热点，甚至于被誉为光学领域新的革命性技术。

原理知识超表面是由大量亚波长单元在二维平面上周期或非周期排布而构成的人工结构阵列，能够对电磁波进行灵活操控。

由于超表面具有超薄结构和较强的可自主设计性而受到广大研究者青睐。

超透镜是一种二维平面透镜结构，其体积极小，重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。

业内痛点超表面的目前发展主要局限于光学设计能力，在宏观基底材料上的制造数十亿纳米级结构的非均匀组装的能力以及加工成型后测量能力。

对于成型后的测量，学术界主要使用以下几种方法：第一椭偏法，该方法应用面较窄，仅适用于基于正交光偏振之间的相位差测量；第二干涉测量法，通常是基于两束光(其中一束用作参考)交汇在检测平面上进行干涉。

但是该方法对实验环境要求高，抗震能力低，导致灵敏度差，而且对机械结构要求很严格，不易于实施。

业界有提出三光束干涉的方法，其中第三束光用于分析实验期间的环境变化，但是这样会使设备结构更为复杂。

第三扫描近场光学显微镜法，该方法提供接近衍射极限的分辨率，并允许对任意复杂纳米颗粒阵列的近场相位响应进行成像，但是这种方法是一种侵入式测量方法，而且太依赖于纳米探针针尖的性能。

第四间接测量方法，如针对超透镜的偏振转换效率的测量等方法。

上述的几种方法均为部分表征或间接测量，那么有没有一种更有效的能直接的测量手段呢？今天借着本文，和大家介绍一下Phasics公司的基于四波横向剪切干涉技术的波前传感器在超表面方面的测量方案。

横向剪切干涉原理

横向剪切干涉原理
我们知道，当两束光相互垂直时，它们将会被叠加在一起，形成干涉。

但在现实生活中，我们总是可以看到两束光互相平行，而不会发生干涉。

这是为什么呢？
这就要提到我们今天要介绍的横向剪切干涉了。

横向剪切干涉是一种新的干涉现象，它是在光的横向方向上发生的干涉。

首先我们来了解一下光的三大基本波动现象：衍射、干涉和衍射积分。

当光在两个界面发生散射时，发生了衍射现象。

当光通过界面时，部分能量被界面散射出来，部分能量被界面吸收，而另一部分能量则被界面反射回来。

这样，两束光的波长就会发生干涉。

在光学中，干涉现象一般可以分为平面干涉和曲面干涉两类。

平面干涉是指平面上的两个光学元件（如透镜、棱镜等）在空间上平行排列时，在同一平面内所产生的两个或两个以上不同波长的光波之间相互干涉的现象；曲面干涉则是指同一平面内不同曲面之间存在的光波相互干涉的现象。

那么我们有没有办法可以让光在平面上发生横向剪切呢？当然是有的。

—— 1 —1 —。

横向大剪切量干涉技术及其在物理量检测中的应用

横向大剪切量干涉技术及其在物理量检测中的应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢！本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注！Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!横向大剪切量干涉技术及其在物理量检测中的应用1. 引言随着科技的发展，横向大剪切量干涉技术作为一种先进的测量技术，被广泛应用于物理量的精确检测。

基于横向剪切干涉测量光场空间相干性的研究

基于横向剪切干涉测量光场空间相干性的研究完全相干光场与完全非相干光场只是部分相干光场的两个极端情况,实际光场总是部分相干的。

近年来,部分相干光场由于具有自修复,自聚焦,自分裂等特殊性质,越来越受到人们关注。

作为部分相干光场的重要参量之一,空间相干性描述了光场两个点之间光振动的关联程度。

如何测量空间相干性一直是部分相干光研究的重要课题之一,本文提出了一种基于空间调制器的横向剪切干涉方法,用于测量光场的空间相干性。

横向剪切干涉装置是一种利用物光波与其复制光波进行干涉的自干涉装置,并且物光波与复制光波之间有一个横向的错位。

横向剪切干涉装置一般用于测量相干光场的相位信息,事实上,借助于傅里叶变换条纹分析法,它还能测量部分相干光场的空间相干性。

然而,传统的横向剪切干涉系统需要引入机械移动实现物光波和其复制光波的横向错位,因此会影响实验的测量。

为了克服上述缺陷,我们提出了一种基于4f系统和空间光调制器相结合的横向剪切干涉系统,可以便捷地测量不同间隔两点间的光场相关性。

在该系统中,位于4f系统输入平面的衍射光栅将入射的待测光波分成多个衍射级次,空间滤波器通过其中的±1级次,从而得到两个复制光波。

在4f系统傅里叶平面上放置相位型空间光调制器,利用加载的复合闪耀光栅可以控制两个复制光波的横向错位,横向错开的间距通过调节闪耀光栅的周期进行控制。

最后,通过对输出平面上记录的干涉图进行傅里叶变换条纹分析,我们就能得到待测光场的空间相干性分布。

此外,通过改变空间光调制器上闪耀光栅的闪耀方向,我们的干涉装置可以测量光场相干性沿不同方向的分布。

该方法不仅能测出表达相干性量度的复相干度的绝对值(模)的分布,同时也获得了复相干度的相位值。

本文给出了利用该装置分别测量具有圆对称和非圆对称光场的空间相干性实验结果,我们发现实验测量结果与理论模拟数据基本一致,证明了该测量系统的可行性。

相比传统的横向剪切干涉装置,我们的装置中横向剪切量的调控基于电脑控制,没有引入机械移动,因此相干性的测量更便捷并且测量结果更准确。

横向剪切干涉中剪切量的选取及分析

横向剪切干涉中剪切量的选取及分析刘丙才;田爱玲;王红军;王春慧【摘要】横向剪切干涉技术是一种直接测量波面相位分布的光学测量方法,由于其不需要高精度的参考平面,并且能够测量偏离量较大的表面面形偏差,因此得到了更为广泛的应用.但是,通常情况下剪切量大小的选择凭工作经验来确定.为了给出一种定量的剪切量判定方法,论文提出了一种基于Zernike多项式拟合的剪切量判定方法,通过计算机仿真和实验给出了剪切量与测量误差的关系,发现剪切量为测量口径1/10时即可达到良好的测量结果.%Lateral shearing interferometry is an important optical measurement technology which obtains the wave-front phase distribution directly. Due to the ability of measuring surface shape of large deviation without high precision reference plane, it has been used in various fields;however, the selection of shearing displacement depends on work experience. In order to provide an explicit determination method, a shearing displacement determination method based on Zernike polynomial fitting is proposed, and the relation between shearing displacement and measurement error is given by computer simulation and experiment.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】4页(P511-514)【关键词】横向剪切干涉;Zernike拟合;剪切量【作者】刘丙才;田爱玲;王红军;王春慧【作者单位】西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西西安710032;西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西西安710032;西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西西安710032;西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西西安710032【正文语种】中文【中图分类】O439;TH744引言横向剪切干涉技术是一种直接测量波面相位分布的光学测量方法。

基于光栅衍射的横向剪切干涉仪精密相移系统设计

ｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｂａｓｅｄｏｎｇｒａｔｉｎｇｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｒｅｑｕｉｒｅｓｌａｒｇｅｔｒａｖｅｌｒａｎｇｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅｐｈａｓｅｓｈｉｔｆｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＤｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｐｈａｓｅｓｈｉｔｆｉｎｇｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎｆｌｅｘｉｂｌｅｈｉｎｇｅａｎｄｂｉｒｄｇｅａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｄｉｒｖｅｎｂｙＰＺＴａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅａｒｍｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｐｈａｓｅｓｈｉｔｆｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｍｒａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅｉｔｂｙｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒａｎｄｄｉｇｉｔａｌｐｉｅｚｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｏｆＰＩｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｎ — ｌｏｏｐｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｃｕｒｖｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｈｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓ１００Ｖ，ｔｈｅｒａｇｔｉｎｇｐｈａｓｅｓｈｉｔｆｄｅｖｉｃｅｔｒａｖｅｌｓｕｐｔｏ２２５ｔｘｍ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎ－ｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｔｒａｖｅｌｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｒａｇｔｉｎｇｐｈａｓｅｓｈｉｔｆｄｅｖｉｃｅｃｌｏｓｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔａｒｇｅｔｓ，ｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎ

横向剪切干涉

实验五横向剪切干涉实验实验目的利用一个焦距为190毫米的单薄透镜的剪切干涉条纹的分布求出该透镜的轴向离焦量及初级球差比例系数。

实验概述利用玻璃平行平板构成简单的横向剪切干涉仪可以观察到单薄透镜的剪切干涉条纹，并由干涉条纹分布求出透镜的几何象差和离焦量。

本实验介绍的是在对一定剪切量的情况下具有初级球差光束的干涉条纹分布进行计算机处理，从而由剪切干涉条纹的分布求出轴向离焦量和透镜的初级球差比例系数。

实验元件HeNe 激光、反射镜、短焦距透镜、薄透镜（190mm ）、平行玻璃扳、白屏、带变焦镜头的CCD 、处理软件反射镜实验原理引言：剪切干涉是利用待测波面自身干涉的一种干涉方法，它具有一般光学干涉测量方法的优点即非接触性、灵敏度高和精度高，同时由于它无需参考光束，采用共光路系统，因此干涉条纹稳定，对环境要求低，仪器结构简单，造价低，在光学测量领域获得了广泛的应用[3][4]。

横向剪切干涉是其中重要的一种形式。

由于剪切干涉在光路上的简单化，不用参考光束，干涉波面的解比较复杂。

在数学处理上较繁琐。

因此发展利用计算机处理的剪切干涉图技术是当前光学测量技术发展的热点。

原理：如图1所示,假设 w 和w ’分别为原始波面和剪切波面，原始波面相对于平面波的波象差（光程差）为W(ξ,η)，其中P(ξ,η)为波面上的任意一点P 的坐标，当波面在ξ方向上有一位移s(即剪切量为s)时，在同一点P 上剪切波面上的波象差为W(ξ-s,η)，所以原始波面与剪切波面在P 点的光程差（波象差）为：),(),(),(ηξηξηξ∆s W W W --= （1）由于两波面有光程差∆W 所以会形成干涉条纹，设在P 点的干涉条纹的级次为N ，光的波长为λ，则有，λ∆N W = （2）薄透镜图2 实验装置图1 横向剪切的两个波面w ’能产生横向剪切干涉的装置很多，最简单的是利用平行平板。

如图2为平行平板横向剪切干涉仪的装置图。

波前分析仪——四波横向剪切干涉技术介绍

波前分析仪——四波横向剪切⼲涉技术介绍背景介绍光束在⽣产和传播过程中，光学材料不均匀性、光学元件的加⼯与装配误差、光学系统相差、⼤⽓扰动等因素都会噪声波前畸变，从⽽降低光束质量。

对波前质量的检测是光学测量领域的研究热点。

随着科学技术的发展，军事、天⽂、医疗等多个领域对波前检测技术的要求越来越⾼，保证⾼测量精度的同时，还需要实现瞬态波前检测。

瞬渺光电推出的基于四波横向剪切技术的波前分析仪（波前传感器）测量精度⾼，可实时检测分析波前数据。

正真意义上满⾜了⼴⼤科研⽤户对⾼精度波前分析仪的需求。

波前测试技术常⽤的波前检测⽅法主要有点衍射法、夏克-哈特曼和剪切⼲涉法。

如下图1所⽰。

1，点衍射法点衍射法检测波前的关键器件点阵列板，待测的汇聚波前经点衍射版上的针孔衍射，产⽣近似理想的参考球⾯波，从点衍射板中直接透射的为携带待测波前信息的测试光波，两者发⽣⼲涉，待测波前的相位分布可以从⼲涉图中解调出来。

点衍射⼲涉法检测波前的精度较⾼，结构较为简单，单由于针孔尺⼨很⼩，调整过程中，汇聚光波与针孔的对准较为困难。

2，夏克-哈特曼波前测量夏克-哈特曼波前检测的基本过程为⼊射光波经过微透镜阵列在其焦⾯处汇聚，通过检测汇聚光斑的质⼼偏移，得到待测波前的梯度信息，进⽽重构待测波前。

侧⽅法检测精度较⾼，但受微透镜尺⼨与数量的限制，采样点数相对较少，空间分辨率不⾼。

3，剪切⼲涉波前测量剪切⼲涉波前测量是将待测波前和其⾃⾝的⼀个微⼩平移进⾏⼲涉的测量技术。

由于剪切⼲涉测量具有不需要参考波前、采⽤共光路系统、可抵抗外界扰动影响、对照明光源的相⼲性和⼲涉装置平台稳定性要求低等特点，既能保证较⾼的波前检测精度，⼜能获得较⾼的空间分辨率，该⽅法在许多实际波前检测中显⽰出其特有的优势。

图1，波前检测⽅法四波横向剪切⼲涉原理介绍当待测波前经过波前分析仪（波前传感器）时，光波通过特制光栅后得到⼀个与其⾃⾝有⼀定横向位移的复制光束，此复制光波与待测光波发⽣⼲涉，形成横向剪切⼲涉，两者重合部位出现⼲涉条纹（图2）。

四波前横向剪切干涉波前传感器的剪切率标定装置及方法[发明专利]

专利名称：四波前横向剪切干涉波前传感器的剪切率标定装置及方法
专利类型：发明专利
发明人：杨甬英,张锐,梁子健
申请号：CN201810878468.9
申请日：20180803
公开号：CN109238479A
公开日：
20190118
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种四波前横向剪切干涉波前传感器的剪切率标定装置及方法。

本发明的技术特点是引入刻蚀有阶跃边界图案的位相板对光波位相进行调制，采用剪切波前重构算法重构出两正交方向上的剪切波前，再结合边界特征提取算法计算出剪切量大小，从而实现对四波横向剪切干涉波前传感器剪切率的高精度检测。

本发明的优点在于，解决了传统基于理论公式的剪切率计算方法由于各元件的相对位置难以精确确定而引入较大误差的问题，通过引入边界阶跃变化的位相板，剪切量信息很清晰的反映在两正交方向上剪切波前中，采用边界特征提取算法可以很高精度的计算出四波横向剪切波前传感器的剪切率大小，为波前传感器的高精度检测提供保障。

申请人：浙江大学
地址：310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号
国籍：CN
代理机构：杭州求是专利事务所有限公司
代理人：忻明年
更多信息请下载全文后查看。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

基于衍射光学元件的多波前横向剪切干涉方法研究波前探测一直是光学领域的重要研究课题,多波前横向剪切干涉技术作为一种新型的波前探测手段,测量精度和动态范围比较高,是一种很有研究价值与实用意义的波前探测方法,在激光光束质量评价,光学系统成像质量检测、人眼像差测量和激光通信等自适应光学领域应用前景广泛。

多波前横向剪切干涉技术基于国际象棋棋盘结构的衍射光学元件,将待测波前分成四支子波前,使其产生自相干涉,在一幅干涉图中包含了两个正交方向上的波前梯度信息,只需要进一步进行相位提取和波前重建便可以获得待测波前相位图像。

多波前横向剪切干涉技术使用的剪切干涉设备结构简单、便于搭建波前相位探测系统,并且可以对多种波前目标进行探测,是一种性价比非常高的波前探测技术,值得研究者们继续深入研究。

本文在对国内外关于多波前横向剪切干涉技术研究进展进行整理分析的基础上,进行了大量的原理仿真以及实验研究。

对多波前横向剪切干涉技术的干涉原理、波前重建以及干涉图去噪技术进行了详细的探讨和深刻的分析,并对其在静态及动态温度场的温度分布测量研究进行了充分的验证,具体开展了以下几样工作:1、通过衍射理论对多波前横向剪切干涉过程进行了数学建模,研究了多波前横向剪切干涉技术基本原理和实现途径,从夏克-哈特曼波前传感器的衍射光学模型出发,介绍了几种多波前剪切干涉技术的模型和干涉图像理论强度分布。

并且根据棋盘型相位光栅的特性,采用标量衍射理论分析了二维相位光栅的衍射效率以及可能会产生误差的各种因素。

2、介绍了多波前横向剪切干涉图的相位提取算法以及傅里叶变换法在相位提取中的应用。

比较了不同种相位提取滤波器的特性,理论分析表明圆形光瞳下使用Gauss窗函数作为滤波器误差最小,而矩形光瞳下使用镶嵌圆柱滤波器窗函数造成的相位提取误差最小。

接下来介绍了干涉图条纹延拓技术,其中Gerchberg外插迭代法对于高载频量的干涉条纹有着较为优秀的延拓效果。

3、分析了使用干涉图像中提取的波前梯度进行波前相位拟合的傅里叶积分法和Zernike法,介绍了两种方法的理论模型和适用范围,采用对波前梯度进行镜像反对称扩展的方法,消除了重建过程中由于傅里叶变换周期基函数特性与不连续边界特点发生冲突而导致的低频误差,并且进行了仿真实验来比较两种波前相位积分方法的优点和不足。

4、在四波前
横向剪切干涉仪的工程应用中,分析了由于棋盘型相位光栅和探测器靶面不平行导致的装调误差,并且针对频谱图解算的标定问题,设计了一种基于移相迭代的四波前横向剪切干涉标定方法,用于精确定位干涉图频谱的一级中心,尽可能减小偏差,使得标定后残余斜率导致的波前均方根值小于1.5×10<sup>-4</sup>。

并在实验测试中获得了理想的结果。

我们使用标定后的剪切干涉仪与Phasics公司的SID-4波前传感器同时进行测量可变形镜产生的随机波前,测得波前RMS分别为0.74和0.76。

本方法保证了计算结果的准确度和可靠性,可以满足高精度波前探测要求。

5、针对于四波前横向剪切干涉测量过程中由于成像设备噪声,待测波前强度不足等原因导致的信噪比偏低的情况,结合噪声的模型,比较分析了不同去噪算法的特性,提出了一种基于非局域均值滤波的干涉图去噪算法,并且进行了干涉图去噪的仿真实验。

仿真实验的最终结果证明,基于非局域均值滤波的干涉图去噪算法可以有效去除干涉图中的高斯白噪声,提高重建波前的信噪比,在对加入=0.01的高斯白噪声的
干涉图进行去噪处理后,峰值信噪比由原来的12.6提高到35.4,均方误差由原来的3.5降低到0.8,实验结果验证了基于非局域均值滤波去噪方法在相位成像领域的有效性,构建了基于四波前剪切干涉的定量相位成像实验平台,获得了小鼠肝癌细胞的相位图像。

6、对四波前横向剪切干涉技术的应用进行了一系列实验研究,验证了四波前横向剪切干涉技术的高帧频,高空间分辨率,高精度的特点,在温度场测量方面,设计了基于四波前横向剪切干涉的静态温度场测量实验和动态温度场测量实验,获得了最高帧频为60帧/秒,相位图像像素为512×512的温度场分布视频。

实验证明通过四波前横向剪切干涉技术进行温度场测量可以达到±0.5℃的测量精度,在对于火焰参数分析等诸多领域具有重要研究意义。