一种多方位四波剪切干涉测量方法技术

本发明专利技术属于光学测量技术领域，涉及一种多方位四波剪切干涉测量方法。该方法包括以下步骤：采集干涉仪得到的干涉图，通过快速傅立叶变换，获得四波横向剪切干涉图的频谱；从傅立叶谱中选择特定区域并执行逆傅里叶变换，获得剪切波前ΔW

【技术实现步骤摘要】
一种多方位四波剪切干涉测量方法

：
[0001]本专利技术属于光学测量
，涉及一种多方位四波剪切干涉测量方法。

技术介绍
：
[0002]横向剪切干涉技术作为光学检测的有效手段之一，广泛应用在波前检测和非球面面型检测等领域中。光学元件面型的性能优劣对光学系统的总体性能起着决定性作用，因此利用横向剪切干涉技术如何实现高精度的光学元件面型检测至关重要。
[0003]在传统剪切干涉仪中，一般采用平行平板实现横向剪切，只能产生一组单个方向的剪切波前，在干涉图中缺失正交方向的相位偏差，则需要旋转剪切器件或者采用分光路法才能获得另一正交方向的相位信息，再次测量时会存在剪切器件复位、剪切量二次标定和计算误差等问题。传统剪切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，难以实现被测面形的多组数据的高精度测量。
[0004]为了克服前述传统横向剪切干涉仪存在的问题，已有研究成果提出了一种四波横向剪切干涉仪，在此干涉仪中使用二维光栅将入射波前衍射为四个倾斜和横向剪切的副本。但其测量中存在的问题是：1、采用二维光栅的四波横向剪切干涉法，设计理想的正弦传输结构仅产生4个
±
1级的光，这是困难、复杂和昂贵的；2、无法避免不必要的寄生衍射阶的影响，并且所有产生四波剪切器件的结构仍然离不开二维光栅的透射率限制；3、结构设计复杂、高低透射阶的频率重叠以及横向采样的分辨率低，也导致了图像分辨率的极大限制，容易引入额外的误差，导致测量精度受损。

技术实现思路
：
[0005]本专利技术的目的在于提供一种多方位四波剪切干涉测量方法，以克服现有技术存在的使用设备价格昂贵和测量精度低的问题。
[0006]本专利技术可以有利于实现任意正交剪切方向和多组方向数据的获取、剪切量固定、多采样数据高精度测量、在复杂环境下进行车间检测具有强稳定性能。本专利技术采用精密旋转实现多方向剪切弥补了其他方向维度数据缺失的情况，有效增加了数据点个数，如任意四组剪切方向的数据即可增加1.5倍的采样点数，任意八组剪切方向的数据即可增加3倍的采样点数，通过多组相互正交方向的相位数据配准与融合处理，能够有效地消除系统随机误差对测量结果的影响，最终可以实现面型的多维数据高精度测量。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种多方位四波剪切干涉测量方法，其特征在于：包括以下步骤
[0008]步骤一、采集干涉仪得到的干涉图，通过快速傅立叶变换，获得四波横向剪切干涉图的频谱；
[0009]步骤二、从傅立叶谱中选择和的区域并执行逆傅里叶变换(IFFT)，获得剪切波前ΔW
x
(x,y)和ΔW
y
(x,y)；
[0010]步骤三、在获得两个方向上的剪切波前后，测试波前通过差分Zernike多项式拟合(DZF)恢复面形；
[0011]步骤四、通过相位数据配准处理后，利用差分zernike拟合算法和最小二乘法求取这多组正交的差分相位对应的zernike系数，通过对这多组不同正交方向的Zernike系数进行融合，利用该融合的zernike系数重建出待测波面的面形数据；
[0012]该方法使用的干涉仪中，正交剪切分光组件(8)包括起偏器(7)出射光路上设置的第一双折射晶体(14)和第二双折射晶体(15)，其中起偏器(7)的透光轴方向与x轴的夹角为0
°
，第一双折射晶体(14)的光轴与x轴的夹角为45
°
，第二双折射晶体(15)相对双折射晶体(14)沿竖直方向旋转45
°
，检偏器(9)的透光轴方向与x轴的夹角为45
°
或135
°
。
[0013]进一步的,上述步骤一中，四波横向剪切干涉图的傅立叶频谱为
[0014][0015]其中，δ(u,v)为中心谱，F
x
(u,v)、F
y
(u,v)分别为在x和y方向上平移，载波频率为2f0。F
x
(u,v)和F
y
(u,v)分别是x方向和y方向上剪切波前复振幅的二维傅立叶谱。
[0016]进一步的,上述步骤一所述步骤三中矩阵公式为
[0017]ΔW＝ΔZa
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0018]差分波前矩阵和差分Zernike矩阵分别如下所示
[0019][0020]利用等式(11)的最小二乘解获得Zernike多项式的系数，
[0021]a＝(ΔZ
T
ΔZ)
‑1ΔZ
T
ΔW
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0022]将Zernike多项式的系数代入等式(7)
[0023][0024]重构得到被测波前面形。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有的优点和效果如下：
[0026](1)本专利技术弥补了其它方向维度数据缺失的情况，有效增加了数据点个数，如任意四组剪切方向的数据即可增加1.5倍的采样点数，任意八组剪切方向的数据即可增加3倍的采样点数，通过多组相互正交方向的相位数据配准与融合处理，能够有效地消除系统随机误差对测量结果的影响，最终可以实现面型的多维数据高精度测量。
[0027](2)本专利技术可以实现任意正交剪切方向和多组方向数据的获取，实现剪切量的固定，只需要一次标定且不做复位处理，旋转任意方向时剪切量不改变，有效实现了多采样数据高精度测量，在复杂环境下进行车间检测具有强稳定性能。
[0028](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，可以实现面型的多维数据高精度测量，并且可以实现高空间分辨率的重建，提高重建面形的精度。
[0029](3)本专利技术干涉系统采用共光路的干涉测量配置，可以降低干涉光路中光学器件的质量要求，避免了使用二维光栅实现四波横向剪切时其传输阶数限制的问题，并且可以在低噪声测量环境中实现波前表面的瞬时干涉测量。由于使用偏振器件实现干涉，可以有效抑制与测量波前无关的噪声和杂散信息，有效减少了随机误差和额外的系统误差。
附图说明：
[0030]图1是一种多方位四波剪切干涉仪的结构示意图。
[0031]图2是正交剪切分光组件结构示意图。
[0032]图3正交剪切分光组件仅形成四个正交重叠副本的成像示意图。
[0033]图4正交四波剪切干涉图及其频谱图提取示意图。
[0034]图5多方位四波横向剪切干涉图的工作流程图。
[0035]图1中：1
‑
激光光源，2
‑
扩束准直系统，3
‑
分光元件，4
‑
补偿元件，5
‑
测试元件，6
‑
反射镜，7
‑
起偏器，8
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多方位四波剪切干涉测量方法，其特征在于：包括以下步骤步骤一、采集干涉仪得到的干涉图，通过快速傅立叶变换，获得四波横向剪切干涉图的频谱；步骤二、从傅立叶谱中选择和的区域并执行逆傅里叶变换(IFFT)，获得剪切波前ΔW
x
(x,y)和ΔW
y
(x,y)；步骤三、在获得两个方向上的剪切波前后，测试波前通过差分Zernike多项式拟合(DZF)恢复面形；步骤四、通过相位数据配准处理后，利用差分zernike拟合算法和最小二乘法求取这多组正交的差分相位对应的zernike系数，通过对这多组不同正交方向的Zernike系数进行融合，利用该融合的zernike系数重建出待测波面的面形数据；该方法使用的干涉仪中，正交剪切分光组件(8)包括起偏器(7)出射光路上设置的第一双折射晶体(14)和第二双折射晶体(15)，其中起偏器(7)的透光轴方向与x轴的夹角为0
°
，第一双折射晶体(14)的光轴与x轴的夹角为45
°
，第二双折射晶体(15)相对双折射晶体(14)沿竖直方向旋转45
°
，检偏器(9)的透光轴方向与...

【专利技术属性】
技术研发人员：田爱玲，朱亚辉，王红军，刘丙才，王凯，任柯鑫，张郁文，王思淇，苏媛，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：