橫向剪切干涉儀波前測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的橫向剪切干涉儀波前測量方法，旨在提供一種實(shí)時(shí)，高精確度，快速的，可用于橫向剪切干涉儀對(duì)波前畸變測量的方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：在橫向剪切干涉儀測量軟件中，將通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的濾波函數(shù)設(shè)置為通過自動(dòng)分析采集結(jié)果計(jì)算后獲得的自適應(yīng)算法模塊，自適應(yīng)算法模塊通過干涉系統(tǒng)中的分束鏡做小角度傾斜引入合適空間載頻，經(jīng)被成像系統(tǒng)采集后進(jìn)行傅立葉分析獲取頻譜信息和數(shù)字加權(quán)濾波，并將電荷耦合器CCD獲取的光強(qiáng)條紋信息進(jìn)行傅立葉變化和分析，獲取新的頻譜信息，根據(jù)采集圖樣信息自動(dòng)計(jì)算濾波函數(shù)的參數(shù)，進(jìn)行濾波計(jì)算還原得到波前圖，再將濾波獲得的相位信息進(jìn)行解包計(jì)算和疊加計(jì)算，獲得最終的波前相位測量結(jié)果。
【專利說明】橫向剪切干涉儀波前測量方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光學(xué)計(jì)量以及激光光束計(jì)量領(lǐng)域，剪切干涉測量中基于可直接應(yīng)用于橫向剪切干涉儀波前測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]徑向剪切干涉儀是通過分析，經(jīng)過徑向剪切干涉儀后擴(kuò)束和縮束的兩束光在重疊區(qū)域形成的干涉條紋，可以獲得入射待測光束的波前信息的裝置。由于徑向剪切干涉光路的搭建具有多樣性，測量精度高且可根據(jù)不同測試對(duì)象選擇不同的測量精度，測試對(duì)象具有廣泛性，因此波前畸變的檢測和控制一直是ICF激光驅(qū)動(dòng)器等其它高功率固體激光器關(guān)心的重要課題。根據(jù)標(biāo)量衍射理論和低頻波前畸變的高斯隨機(jī)位相分布模型，不同均方根梯度低頻畸變波前對(duì)激光光束焦斑聚焦性的影響較大，它將直接對(duì)光束的質(zhì)量和激光器的造價(jià)產(chǎn)生影響。波前剪切干涉儀的剪切方式除了橫向徑向，還有旋轉(zhuǎn)以及翻轉(zhuǎn)剪切的方式。這種干涉儀沒有參考波面。橫向剪切干涉儀把被測光束分解成兩個(gè)相同的，但相互橫移的相干光束。徑向剪切干涉儀則是把被測光束分解成波面面形相似，但橫截面大小不相同的兩相干光束。干涉出現(xiàn)在兩相干光束的重疊區(qū)域內(nèi)。由于橫向剪切干涉儀測量沒有標(biāo)準(zhǔn)波面，使得被測波面變化與干涉條紋的對(duì)應(yīng)關(guān)系不如其它干涉儀測量所得的干涉條紋那樣直觀明顯，因而使用橫向剪切干涉儀測量的關(guān)鍵之一就是對(duì)離散數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，把從干涉波面上的提取的包含被測信息的離散點(diǎn)擬合成一個(gè)與實(shí)際干涉波面盡可能接近的波面函數(shù)，即剪切波面的擬合。在非對(duì)稱畸變波面檢測中，橫向剪切干涉儀(LSI)存在一些不足，最主要的是由于干涉圖形不能直接給出波差值，需要通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定濾波函數(shù)，這種依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)的不足之處在于會(huì)導(dǎo)致測量重復(fù)性差，測量結(jié)果誤差范圍變化大，測量波前輪廓與細(xì)節(jié)保留的矛盾，測量連續(xù)光或者高重頻光時(shí)不能進(jìn)行實(shí)施顯示。其次在橫向剪切干涉測量中，橫向剪切干涉儀器不僅需要兩個(gè)正交方向上的橫向剪切數(shù)據(jù)，且還要從相互正交的兩個(gè)方向的剪切干涉圖中提取對(duì)應(yīng)光闌部分的相位，計(jì)算X、Y兩個(gè)方向的剪切干涉，從相互垂直方向上的剪切干涉圖獲得的差分波前可以恢復(fù)待測的二維波前。在已有的二維波前重建算法中，澤尼克多項(xiàng)式擬合是最常用的一種技術(shù)。為了解決已有的傅里葉模式估計(jì)理論中要求剪切量等`于采樣間隔的限制，現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)大剪切量帶來的差分相位數(shù)據(jù)維數(shù)減小的問題，在傅里葉模式展開理論的基礎(chǔ)上，從橫向剪切干涉獲得的差分波前，通過最小二乘擬合計(jì)算出待測波前的傅里葉變換系數(shù)，重建出原始波前。由于橫向剪切干涉儀沒有標(biāo)準(zhǔn)波面，待測波面和干涉條紋之間沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此橫向剪切干涉波面測量必須分為獲得剪切波面分布和重建原始波前兩步。在重建算法中，主要有網(wǎng)格點(diǎn)法[I]、積分法[2]、待定系數(shù)法[3]和最小二乘法[4]等。網(wǎng)格點(diǎn)法精度較高，但只能用于二維剪切，硬件要求較高，同時(shí)存在運(yùn)算量巨大的問題；積分法能應(yīng)用于一維或者二維剪切的情況，但只適用于小剪切量干涉；最小二乘法利用優(yōu)化算法求解最小二乘方程組，精度受到一定影響。澤尼克待定系數(shù)法在橫向剪切干涉領(lǐng)域的應(yīng)用是利用澤尼克多項(xiàng)式對(duì)剪切相位進(jìn)行擬合求出剪切相位澤尼克系數(shù)，再通過X，y方向剪切相位澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)與被測相位澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)之間的直接轉(zhuǎn)換矩陣，最終求得被測相位的澤尼克系數(shù)。但是，一方面由于澤尼克多項(xiàng)式本身的復(fù)雜性，系數(shù)之間直接轉(zhuǎn)換矩陣的求解異常困難，使得這種方法在二維橫向剪切干涉領(lǐng)域的應(yīng)用僅局限于對(duì)低階相位的探測(一般為前35階澤尼克像差)，很難推廣。徑向剪切干涉系統(tǒng)主要包括伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)、三平板剪切干涉系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)。徑向剪切干涉儀主要包括圖2所示的分束鏡1，膠合透鏡2和負(fù)透鏡3形成的伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，第一平面反射鏡4、第二平面反射鏡5、第一反射鏡6，以及厚透鏡7、第一彎月透鏡8、第二彎月透鏡9、平凹透鏡10、第二反射鏡11組成的成像系統(tǒng)。
[0003]1.目前主要的算法畸變波前的重建算法和最小二乘擬合的算法是利用干涉
[0004]系統(tǒng)中的分束鏡做小角度傾斜，引入合適空間載頻fx和fy后光強(qiáng)表達(dá)式為:
[0005]?^-,φ^-αΟ-,φ +b -, # j cos|2w/, cos φ + 2mj\.sin # + kWopi , # Cl)
[0006]為背景光和條紋調(diào)制度，Φ是人射光波前，k是波數(shù)，
表示重疊區(qū)的剪切波前，s的倒數(shù)的平方就是干涉系統(tǒng)的徑向剪切放大倍數(shù)。背
景光和條紋調(diào)制度，將式(I)化為直角坐標(biāo)系下得:
[0007]
I (x,,)=e(jf, y) + b(x, j)cos|2?f；x + Iitff y + kW_ (x, y) + Svi (x, y )\ (2)
[0008]其中δ sys(x, y)表示光學(xué)系統(tǒng)本身部分對(duì)待測波面所引入的誤差量，這里令
[0009]φ, y) = ^(λ..y) `+ (x, y)}(3)
[0010]則式(3)可以化為式(4)，對(duì)式(4)進(jìn)行傅里葉變換得到其頻譜分布式(5)。
l(x,y) = a(.\\ y) + c{x, v)cxp(/2^/；.1-)cxp(i2^；j)
[0011],., /{(64)

+ c {x, v)exp(-HitfxX)exp\-?2ττ(νχ)
[0012]I (FXJ Fy) = A (FXJ Fy) +C (Fx_fx，F(xiàn)y-fy) +C* (Fx+fx，F(xiàn)y+fy) (5 )
[0013]其中I (Fx，F(xiàn)y)、A(FX，F(xiàn)y)、C(Fx_fx，F(xiàn)y-fy)和 C*(Fx+fx, Fy+fy)分別對(duì)應(yīng)了式(4)各項(xiàng)傅里葉變換。在頻域?qū)郎y位相差信號(hào)以及系統(tǒng)誤差的基頻C(Fx-fx，F(xiàn)y-fy)通過一個(gè)漢寧窗函數(shù)
[0014]Harn(L) = 0J[1 -cos(2Tr—0<λ < 1-1

L-1
[0015]進(jìn)行數(shù)字加權(quán)濾波，對(duì)Φ (X，y)進(jìn)行解包就可以得到剪切波面WtjpdU, y)。
[0016]φ(χ,y) = kWapd(.r,y) + δΜ(χ.ν) = arctan|課.備
[0017]通過疊加計(jì)算可以得到[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于包括如下步驟:在橫向剪切干涉儀測量軟件中，將原來通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的濾波函數(shù)設(shè)置為通過自動(dòng)分析采集結(jié)果計(jì)算后獲得的自適應(yīng)算法模塊，自適應(yīng)算法模塊通過干涉系統(tǒng)中的分束鏡(I)做小角度傾斜引入合適空間載頻，待測光被分束鏡(I)透射和反射的兩路經(jīng)過擴(kuò)束和縮束后形成了的干涉條紋，成像到電荷耦合器CCD，經(jīng)被成像系統(tǒng)采集后進(jìn)行傅立葉分析獲取頻譜信息和數(shù)字加權(quán)濾波，并將電荷耦合器CCD獲取的光強(qiáng)條紋信息進(jìn)行傅立葉變化，對(duì)得到的探測條紋I U，y)做傅立葉分析，獲取頻譜域和頻率域信息，然后通過頻率域信息自動(dòng)獲取濾波參數(shù)最大值、最小值和步長，自動(dòng)設(shè)定漢寧窗函數(shù)參數(shù)L值進(jìn)行濾波計(jì)算，計(jì)算不同漢寧窗函數(shù)參數(shù)Ln情況下獲得的波前分布結(jié)果W(Ln)，并對(duì)波前分布分別做快速離散傅立葉變換，獲取新的頻譜信息，同時(shí)將相鄰的頻譜信息做相關(guān)計(jì)算，根據(jù)獲取的圖樣自動(dòng)計(jì)算漢寧窗函數(shù)參數(shù)最大值、最小值和計(jì)算步長，取相關(guān)計(jì)算結(jié)果最大值與周圍結(jié)果變換最小值作為最終的濾波函數(shù)參數(shù)，根據(jù)采集的圖樣信息自動(dòng)計(jì)算濾波函數(shù)的參數(shù)，從濾波后的值中進(jìn)行逆傅立葉變化獲得相位信息，進(jìn)行濾波計(jì)算還原得到波前圖，再將濾波獲得的相位信息進(jìn)行解包計(jì)算和疊加計(jì)算，從而獲得最終的波前相位測量結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:在進(jìn)行數(shù)字加權(quán)濾波過程中，首先通過正一級(jí)頻譜峰值獲得初始參數(shù)，將初始參數(shù)帶入計(jì)算后獲得波前分布，將波前分布進(jìn)行傅立葉變換獲得頻譜圖，將頻譜圖進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，按單象素步長增加初始參數(shù)后獲得新頻譜圖，與前一頻譜圖做互相關(guān)計(jì)算，取相關(guān)計(jì)算最大值結(jié)果作為真實(shí)濾波參數(shù)。然后對(duì)得到的波前相位進(jìn)行解包就可以得到剪切波面，對(duì)得到的剪切波面進(jìn)行疊加計(jì)算處理后即可以得到測量波前。
3.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:徑向剪切干涉儀主要包括位于第一反射鏡(6)與膠合透鏡(2)之間的分束鏡(I)和位于膠合透鏡(2)與第一平面反射鏡(4)之間的負(fù)透鏡(3)，其中分束鏡(I)、膠合透鏡(2)和負(fù)透鏡(3)共光軸順次排列形成的伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求3所述`的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出射光通過傾斜第一平面反射鏡(4)反射至第二平面反射鏡(5)經(jīng)第二平面反射鏡(5)垂直向上反射至分束鏡(I)。
5.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:分束鏡(I)的一路分光通過45°第一反射鏡(6)將平行光垂直反射至依次重疊的厚透鏡(7)、第一彎月透鏡(8)和第二彎月透鏡(9)，經(jīng)平凹透鏡(10)投射到與第一反射鏡(6)對(duì)稱分布的45°第二反射鏡(11)上，通過第二反射鏡(11)水平反射至電荷耦合器CCD。
6.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:首先，自適應(yīng)算法模塊對(duì)得到的探測條紋I (x，y)做傅立葉分析，得到頻譜域?yàn)?
I (Fx, Fy) = A (Fx, Fy) +C (Fx-fx, Fy-fy) +C* (Fx+fx, Fy+fy)， 在頻譜域上計(jì)算正一級(jí)頻譜C(Fx-fx，F(xiàn)y-fy)的峰值到中心頻譜A (Fx，F(xiàn)y)峰值的距離為xd,這時(shí)取漢寧窗函數(shù)參數(shù)Lmin=Xd,取正一級(jí)頻譜C(Fx-fx，F(xiàn)y-fy)峰值3dB帶寬xs，這時(shí)取Lfflin=Xs,分別取L值從Lmin到Lmax，計(jì)算不同參數(shù)Ln情況下獲得的波前分布結(jié)果W(Ln)，其中，A (Fx, Fy)是零級(jí)頻譜，C(Fx-fx，F(xiàn)y-fy)是正一級(jí)頻譜，(T(Fx-fx，F(xiàn)y-fy)是負(fù)一級(jí)頻譜的共軛。
7.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:在進(jìn)行數(shù)字加權(quán)濾波過程中，使用自適應(yīng)濾波算法，首先通過正一級(jí)頻譜峰值獲得初始參數(shù)，將初始參數(shù)帶入計(jì)算后獲得波前分布，將波前分布進(jìn)行傅立葉變換獲得頻譜圖，將頻譜圖進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，按步長增加初始參數(shù)后獲得頻譜圖，與前一頻譜圖做互相關(guān)計(jì)算，取相關(guān)計(jì)算最大值結(jié)果作為真實(shí)濾波參數(shù)，然后對(duì)得到的波前相位進(jìn)行解包就可以得到剪切波面，對(duì)得到的剪切波面進(jìn)行疊加計(jì)算處理得到測量波前。
8.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:橫向剪切干涉儀軟件對(duì)采集條紋進(jìn)行傅立葉分析獲取頻譜信息，利用自適應(yīng)算法獲取合理的濾波函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)濾波后的值進(jìn)行逆傅立葉變化獲得縮束光與擴(kuò)束光之間的相對(duì)相位信息，在對(duì)相對(duì)相位解包后進(jìn)行疊加計(jì)算獲得波前相位信息。
9.如權(quán)利要求1所述的橫向剪切干涉儀波前測量方法，其特征在于:自適應(yīng)算法模塊根據(jù)電荷耦合器CCD采集 的圖樣信息自動(dòng)計(jì)算濾波函數(shù)的窗口參數(shù)L值。
【文檔編號(hào)】G01J9/02GK103698022SQ201310664667
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】趙琦, 樊紅英, 胡紹云, 孟慶安, 蔣澤偉 申請(qǐng)人:西南技術(shù)物理研究所