基于横向剪切干涉结构的成像系统像差的测量方法技术方案

一种基于横向剪切干涉结构的成像系统像差的测量方法，测量系统包括光源、针孔掩模、剪切光栅、双窗口掩模、光电探测器和计算机，测量时将待测成像系统置于所述的针孔掩模和剪切光栅之间，测量步骤如下：①获取x方向和y方向的横向剪切干涉图；②获取x方向和y方向的差分波前；③利用模式法重建波前，获取区域法重建的初始值；④利用区域法重建波前，获得待测成像系统像差。本发明专利技术在不增加测量次数的基础上实现了高空间分辨率的成像系统像差的横向剪切法测量，并且测量精度对剪切量的变化不敏感，即波前测量误差不随剪切量的增大而明显增大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学检测
，具体涉及一种。
技术介绍
近年来横向剪切干涉技 术在光学成像系统波前像差测量领域得到了广泛的应用与发展。其主要优点是波前与其自身产生干涉，不需要额外的参考波前，消除了由参考波前引入的测量误差。另外，横向剪切干涉为等光程干涉，因此对机械振动和环境扰动不敏感。横向剪切干涉的缺点是从干涉图中提取的相位直接反应的是波前的差分信息(差分波前)，而不是待测波前自身，因此需要进一步的数学运算由差分波前重建待测波前。为准确的重建待测波前，需要在两个相互正交的方向上分别进行一次测量，得到两个方向上的差分波前(如图I和图2所示)。横向剪切波前重建方法主要分为两类，即模式法和区域法。对于模式法，首先将待测波前展开到一组基函数，然后通过两个正交方向上的差分波前计算待测波前的展开式系数，最后由展开式系数重建原始波前。通常用Zernike多项式作为波前展开的基函数进行模式法波前重建(在先技术 :F. Dai, F. Tang, X. Wang, O. Sasaki andP.Feng, “Modal wavefront reconstruction based on Zernike polynomials forlateral shearing interferometry: comparisons of existing algorithms, ^Appl.Opt. 51，5028-5037(2012).)。模式法具有运算效率高，对测量噪声不敏感等优点。但是这种方法存在一个固有的缺点，即待测波前不能用有限项的多项式完全表达，其不可避免的受残余高阶项的影响，使得重建精度较低，并且损失待测波前的高频信息。而区域法是基于点对点的映射建立两个正交方向上的离散差分波前与待测波前之间的关系，然后直接通过最小二乘法从差分波前中求解待测波前。M. P. Rimmer于1975年提出一种区域法波前重建方法(在先技术 :Μ· P. Rimmer, “Method for evaluatinglateral shearing interferograms, ”Appl. Opt. 13, 623-629 (1974).)。该方法重建波前的抽样间隔受剪切量限制，即抽样间隔必须等于剪切量，因此重建波前的空间分辨率较低，特别是大剪切量的情况下。C. Elster和I. WeingSrtner提出一种高空间分辨率的区域法波前重建方法(在先技术 C. Elster and I. Weingartner,iiExact wave-front reconstruction from twolateral shearing interferograms, ” J. Opt. Soc. Am. A 16, 2281 - 2285 (1999).)。该方法通过在相互正交的两个方向上分别以不同的剪切量进行两次测量，得到四个差分波前，然后通过这四个差分波前实现高空间分辨率的波前重建。但是额外的两次测量使得该方法测量过程以及干涉仪结构复杂化，同时也降低了测量的精度和重复性。针对上述技术的不足，F. Dai等人提出一种基于线性插值的高空间分辨率的区域法波前重建算法(在先技术 F. Dai, F. Tang, X. Wang, and 0. Sasaki, “Generalizedzonal wavefront reconstruction for high spatial resolution in lateral shearinginterferometry, ” J. Opt. Soc. Am. A 29，2038-2047 (2012) ·)。该方法抽样间隔不受剪切量的限制，并且只需在相互正交的方向上分别进行一次测量即可实现高空间分辨率的波前重建。该方法需要SxSy个初始值，其中Sx, Sy为整数，分别表示X方向和y方向的剪切量，初始值在待测波前上的位置被选定在一个维度为SyXSx的矩形网格的格点上。这些初始值通过对差分波前进行线性插值得到，而线性插值基于待测波前的线性假设，即待测波前在Sy X Sx的矩形网格内线性变化，这种假设在剪切量比较小时近似成立，这种情况下波前可以得到较高精度的重建，然而剪切量变大时波前在矩形网格内的线性度变差，波前重建误差明显增大，从而使得成像系统的像差测量误差明显增大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种基于横向剪切干涉结构的成像系统像差测量方法，这种方法提高了成像系统像差测量精度，特别是在大剪切量的情况下。 本专利技术的技术解决方案如下一种，其特点在于该方法的步骤如下首先通过横向剪切干涉测量系统获取成像系统的X方向和y方向的横向剪切干涉图；获取X方向和y方向的差分波前；利用模式法重建波前，得到区域法重建的初始值；利用区域法和所述的初始值重建波前，获得待测成像系统像差。上述，其特点在于所述的横向剪切干涉测量系统包括光源，沿该光源输出的光束方向依次为针孔掩模、剪切光栅、双窗口掩模和光电探测器，该光电探测器的输出端与计算机的输入端相连，测量时将待测成像系统置于所述的针孔掩模和剪切光栅之间，具体的测量步骤如下①通过横向剪切干涉测量系统获取X方向和y方向的横向剪切干涉图首先放置剪切光栅使其栅线方向与垂直方向的y轴平行，调节双窗口掩模的两窗口中心连线平行于水平方向X轴，启动测量系统，通过所述的光电探测器采集X方向剪切干涉图，并输入至计算机保存，然后将剪切光栅及双窗口掩模旋转90 °，通过光电探测器采集y方向剪切干涉图，并输入值计算机保存；②获取X方向和y方向的差分波前，得到区域法重建的初始值将所述的X方向的剪切干涉图通过傅里叶变换相位提取方法获取X方向的差分波前，将所述的y方向的剪切干涉图通过傅里叶变换相位提取技术获取y方向的差分波前；③利用模式法重建波前，得到区域法重建的初始值在计算机中设置一个NXN的全零矩阵，用X方向的差分波前的值替代该全零矩阵相应位置处的零值，获得模式法X方向差分波前矩阵，将所述的模式法X方向的差分波前矩阵的矩阵元逐行从左至右依次顺序编码，得到由N2个差分波前值构成的一维模式法差分波前列向量AW :在计算机中设置一个NXN的全零矩阵，用y方向的差分波前的值替代该全零矩阵相应位置处的零值，获得模式法I方向的差分波前矩阵，将所述的模式法I方向的差分波前矩阵的矩阵元逐行从左至右依次顺序编码，得到由N2个差分波前值构成的一维模式法差分波前列向量AW:;由所述的两个模式法差分波前列向量AWr和利用最小二乘拟合法计算待测波前的Zernike多项式系数3 权利要求1.一种，其特征在于该方法的步骤如下首先通过横向剪切干涉测量系统获取成像系统的X方向和y方向的横向剪切干涉图；获取X方向和I方向的差分波前；利用模式法重建波前，得到区域法重建的初始值；利用区域法和所述的初始值重建波前，获得待测成像系统像差。2.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于所述的横向剪切干涉测量系统包括光源(I)，沿该光源(I)输出的光束方向依次为针孔掩模(2)、剪切光栅(4)、双窗口掩模(5)和光电探测器￠)，该光电探测器￠)的输出端与计算机(7)的输入端相连，测量时将待测成像系统⑶置于所述的针孔掩模⑵和剪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于横向剪切干涉结构的成像系统像差的测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：首先通过横向剪切干涉测量系统获取成像系统的x方向和y方向的横向剪切干涉图；获取x方向和y方向的差分波前；利用模式法重建波前，得到区域法重建的初始值；利用区域法和所述的初始值重建波前，获得待测成像系统像差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴凤钊，唐锋，王向朝，张敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：