一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法技术

本发明专利技术属于光学测试技术领域，涉及一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法，通过精密自动旋转平台，在CCD相机上采集到N幅多个方向的正交剪切的四波干涉图像，利用傅里叶变换法分别提取N个不同正交方向的N组四波剪切干涉的差分相位，再利用差分Zernike多项式拟合法和最小二乘法求解得到多组基函数系数，使用后处理的融合方法对多维数据进行求解得到最佳面形拟合系数，从而重建出高精度的完整的面形，有效减少依赖使用二维衍射器件实现四波横向剪切干涉情形下波前重建精度低的问题，提高四波多向剪切干涉的波前重建精度，实现多方向剪切弥补了其他正交方向的维度数据缺失的情况，有效增加了数据点个数，更有利于高空间分辨率的波前重建，具有强稳定性能和鲁棒性。具有强稳定性能和鲁棒性。具有强稳定性能和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法

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[0001]本专利技术属于光学测试
，涉及一种波前重建方法，特别是一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法。

技术介绍
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[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,波前重建精度的高低是直接检验测量精度的唯一标准。
[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。波前重建则通过获取到x和y方向的差分波前，再利用差分Zernike多项式拟合面形，这种测量方法不会实现高空间分辨率的重建，而且面形重建精度会受到一定误差的影响[Liyuan Gu,et al.Polarization phase
‑
shifting lateral shearing interferometer with two polarization beam splitter plates.Optical Review,2017；王道档,等，一种瞬态移相横向剪切干涉仪及测量方法,202010075881.9.]。
[0004]此外，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，难以实现多维数据高空间分辨率的波前重建[YONG BUM SEO,HYO BIN JEONG,HYUG
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GYO RHEE,et al.Single
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shot freeform surface profiler.Optics Express,28(3/3),3401
‑
3409,2020；Young
‑
Sik Ghim,et al.3D surface mapping of freeform optics using wavelength scanning lateral shearing interferometry.Optics Express,22(5),5098
‑
5105,2014.]。
[0005]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。然而，采用二维光栅的四波横向剪切干涉法，实现的多横向剪切干涉采用离散傅里叶变换(DFT)方法从多个方向的相位导数重建测试波前，但该方法仅适用于较小的剪切比，对噪声相对敏感[YF Guo,et al.Two dimensional wave
‑
front reconstruction based on multi
‑
shear interferograms.Optics Express,20(14),15723,2012]。为了提高多横向剪切干涉的精度，利用差分Zernike多项式拟合(DZPF)方法从多向相位差中进行波前重建[Ke Liu,et al.Wavefront reconstruction for multi
‑
lateral shearing interferometry using difference Zernike polynomials fitting.Optics and Lasers in Engineering.106,75
‑
81,2018]。对于在四波LSI中应用的DZPF方法，也只用两个正交剪切方向上的差分Zernike多项式来表示多个剪切方向上的相位差，测试波前可以从多个剪切方向的相位差重建，但是维度数据的采集还是受限于方向次数，更多维度数据和更高精度的重建方法依然不满足高空间分辨率的重建，同时还是存在噪声相对敏感的问题，且因为
采样二维光栅实现的四波横向剪切干涉并非是理想的四波光栅干涉，在量化过程中，会产生不需要的寄生衍射阶数，会使形成的干涉图产生不同程度的变形。在重建过程中，即使采用两个正交剪切方向上的差分来表示多个剪切方向上的相位差，也会使由寄生衍射阶数引起的相位提取误差和重建误差增多。另外，使用两个正交剪切方向表示的多个剪切方向上多个数据点的相位坐标值并非都是整数，而待测面形上所有点波前只在相应剪切方向上剪切间隔处重建，因此被测波前与剪切波前之间易出现重建波前系数不一致、空间分辨率低、完整性不好的问题。

技术实现思路
：
[0006]本专利技术的目的在于提供一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法，要克服现有技术存在的对噪声相对敏感、重建波前系数不一致、空间分辨率低和完整性不好的问题。
[0007]为了达到本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法，其特征在于:包括以下步骤
[0008]步骤一、对待测波前在i和i+90
°
方向上分别进行N次旋转正交剪切的横向剪切干涉实验得到N组四波横向剪切干涉图；
[0009]步骤二、采用傅里叶法和频谱滤波处理对实验所得到N组四波横向剪切干涉图进行相位提取，得到待测波前的N组差分相位；
[0010]步骤三、根据每组差分相位再利用差分Zernike多项式拟合法和最小二乘法求解得到多组基函数系数；
[0011]步骤四、通过融合处理得到最佳面形系数，并求得波前面形；
[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，上述步骤二的具体步骤是
[0014](1)获得任意正交方向的四波横向剪切干涉图的频谱
[0015][0016]其中，四波横向剪切干涉图的傅立叶频谱主要包括中心谱δ(u,v)、F
i
(u,v)和F
i+90
°
(u,v)，F
i
(u,v)、F
i+90
°
(u,v)分别在i和i+90
°
方向上平移，载波频率为2f0。F
i
(u,v)和F
i+90
°
(u,v)分别是i方向和i+90
°
方向上剪切波前复振幅的二维傅立叶谱；
[0017](2)从傅立叶谱中选择和的区域并执行IFFT恢复相位，获得剪切波前的N组差分相位ΔW
i
(i,i+90
°...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法，其特征在于:包括以下步骤步骤一、对待测波前在i和i+90
°
方向上分别进行N次旋转正交剪切的横向剪切干涉实验得到N组四波横向剪切干涉图；步骤二、采用傅里叶法和频谱滤波处理对实验所得到N组四波横向剪切干涉图进行相位提取，得到待测波前的N组差分相位；步骤三、根据每组差分相位再利用差分Zernike多项式拟合法和最小二乘法求解得到多组基函数系数；步骤四、通过融合处理得到最佳面形系数，并求得波前面形；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
°
。2.根据权利要求1所述的一种多方位四波剪切干涉的波前重建方法，其特征在于:所述步骤二的具体步骤是(1)获得任意正交方向的四波横向剪切干涉图的频谱其中，四波横向剪切干涉图的傅立叶频谱主要包括中心谱δ(u,v)、F
i
(u,v)和F
i+90
°
(u,v)，F
i
(u,v)、F
i+90
°
(u,v)分别在...

【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：