体全息光栅衍射波前测量系统及其测量方法

1.本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种体全息光栅衍射波前测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.体全息光栅具有衍射效率高、工作谱段宽、制备工艺简单的特点，在光谱探测、高光谱成像、高精度位置测量等领域具有广泛的应用，在体全息光栅的制备工艺过程中需要对其衍射波前进行精确测量，目前主要的测量方法是采用菲索干涉仪及反射镜对衍射波前进行测量，虽然可以达到较高的测量精度，但高精度的菲索干涉仪价格昂贵，导致测量成本过高，另外由于菲索干涉仪一般采用632.8nm的氦氖激光器，会使测量体全息光栅的工作波长受限，如体全息光栅的工作谱段为可见光谱段400-700nm，则上述测量方法无法准确评估这个谱段或中心波长的波前误差。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种体全息光栅衍射波前测量系统及其测量方法，使用多种光源对体全息光栅的波前进行测量，进而获得全工作谱段的波前误差结果。
4.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
5.本发明提供的体全息光栅衍射波前测量系统，包括激光光源，用于发射激光；扩束准直透镜，其设置在激光光源的出射方向上，扩束准直透镜用于将激光扩束准直形成准直激光束；分光器件，其设置在扩束准直透镜的出射方向上，分光器件用于实现对准直激光束进行透射与反射；相移组件，其设置在分光器件的透射方向上，相移组件用于带动体全息光栅进行移动；反射镜，其设置在体全息光栅的出光方向上，反射镜用于通过前后表面分别对体全息光栅的出射光进行反射并原路返回至分光器件；成像装置，其设置在分光器件的反射方向上，成像装置用于接收经分光器件反射的光形成干涉图像。
6.优选地，体全息光栅为透射式体全息光栅或反射式体全息光栅。
7.优选地，反射镜设置在透射式体全息光栅的透射方向上。
8.优选地，激光光源发出的激光经扩束准直透镜准直后入射到分光器件，经分光器件透射至透射式体全息光栅，透射式体全息光栅的透射光束垂直入射到反射镜，经反射镜反射后原路返回至分光器件，经分光器件反射至成像装置形成干涉图像。
9.优选地，反射镜设置在反射式体全息光栅的反射方向上。
10.优选地，激光光源发出的激光经扩束准直透镜准直后入射到分光器件，经分光器件透射至反射式体全息光栅，反射式体全息光栅的反射光束垂直入射到反射镜，经反射镜反射后原路返回至分光器件，经分光器件反射至成像装置形成干涉图像。
11.优选地，分光器件为平行平板或分光棱镜。
12.优选地，成像装置包括成像物镜和数字相机，经分光器件反射的光入射至成像物
镜，经成像物镜成像于数字相机上。
13.本发明提供的利用上述体全息光栅衍射波前测量系统的体全息光栅衍射波前测量方法，包括如下步骤：
14.s1、确定反射镜的摆放角度及相移组件的相移步长；
15.s2、通过相移组件带动体全息光栅按照相移步长进行移动，采用五步相移法获得五幅相位差均为π/2的干涉图像；
16.s3、分别获取五幅干涉图像的灰度信息，并根据如下公式计算波前相位结果φ(x，y)：
[0017][0018]
其中，i1、i2、i3、i4、i5分别为五幅干涉图像的灰度信息；
[0019]
s4、利用相位解包裹算法对波前相位结果φ(x，y)进行计算，得到体全息光栅衍射波前的误差测量结果。
[0020]
优选地，在步骤s1中，确定反射镜的摆放角度的步骤如下：
[0021]
s11、通过光栅方程计算光束转折角
[0022][0023]
其中，d为光栅常数，λ为衍射级次，m为激光光源的波长；
[0024]
s12、根据光束转折角计算反射镜的摆放角度θ，计算公式如下：
[0025][0026]
以及，步骤s1中的相移步长为光栅常数的四分之一。
[0027]
与现有技术相比，本发明能够取得以下技术效果：
[0028]
1、本发明可以使用多种激光光源对体全息光栅的波前进行测量，进而获得全工作谱段的波前误差结果。
[0029]
2、本发明采用相移干涉原理，具有极高的波前检测精度。
[0030]
3、本发明的结构形式简单紧凑，可适用透射式与反射式体全息光栅的波前测量。
附图说明
[0031]
图1为根据本发明实施例1提供的体全息光栅衍射波前测量系统的结构示意图；
[0032]
图2为根据本发明实施例2提供的体全息光栅衍射波前测量系统的结构示意图；
[0033]
图3为根据本发明实施例提供的体全息光栅衍射波前测量方法的流程示意图。
[0034]
实施例1的附图标记包括：1～激光光源、2～扩束准直透镜、3～分光器件、4～相移组件、5～反射镜、6～成像物镜、7～数字相机、8～透射式体全息光栅；
[0035]
实施例2的附图标记包括：1`～激光光源、2`～扩束准直透镜、3`～分光器件、4`～相移组件、5`～反射镜、6`～成像物镜、7`～数字相机、8`～反射式体全息光栅。
具体实施方式
[0036]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重
复其详细描述。
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0038]
实施例1
[0039]
图1示出了根据本发明实施例1提供的体全息光栅衍射波前测量系统的结构。
[0040]
如图1所示，本发明实施例提供的体全息光栅衍射波前测量系统，包括激光光源1、扩束准直透镜2、分光器件3、相移组件4、反射镜5、成像物镜6和数字相机7；其中，激光光源1用于发射激光，将激光光源1发出的激光作为测量光束，激光光源1通常选择被测体全息光栅工作波段的中心波长，也可以选择被测体全息光栅工作波段中的其它波长；扩束准直透镜2设置在激光光源1的出射方向上，用于将测量光束扩束准直为准直激光束，扩束准直透镜2为现有技术，在此不再赘述；分光器件3设置在扩束准直透镜2的出射方向上，用于实现对准直激光束的透射与反射，分光器件3可以为平行平板或分光棱镜等具有分光功能的光学元件；相移组件4设置在分光器件3的透射方向上，透射式体全息光栅8置于相移组件4上，通过相移组件4带动透射式体全息光栅8进行精密移动，从而引入相移，准直激光束入射到透射式体全息光栅8后会以一定角度出射，即透射式体全息光栅8的出射光束与入射光束发生一定的角度偏折；反射镜5设置在透射式体全息光栅8的透射方向上，且与透射式体全息光栅8的出射光束垂直，反射镜5通过前后表面分别对透射式体全息光栅8的出射光束进行反射，使出射光束原路返回至分光器件3，分光器件3对该光束进行反射，使光束转折90
°
后射出分光器件3。
[0041]
成像物镜6和数字相机7依次设置在分光器件3的反射方向上，成像物镜6和数字相机7组成成像装置，经分光器件3反射的两束光(即反射镜5前后表面反射的光束)入射至成像物镜6，经成像物镜6将干涉条纹成像于数字相机7上，获得干涉图像。
[0042]
反射镜5在其前后两个表面镀有不同反射率的反射膜，且前表面(面向透射式体全息光栅8的表面)镀制的反射膜的反射率低于后表面镀制的反射膜的反射率，使一部分光经反射镜5的前表面反射回透射式体全息光栅8，另一部分光能够穿过反射镜5的前表面入射至后表面，再经后表面反射回透射式体全息光栅8，经反射镜5前后两个表面反射的光束产生光程差，最终进入成像装置发生剪切干涉，获得干涉图像。
[0043]
相移组件4为精密压电陶瓷驱动，可以带动透射式体全息光栅8沿垂直系统光轴方向进行精密移动，实现干涉相移功能。
[0044]
本发明实施例1提供的体全息光栅衍射波前测量系统的测量原理为：激光光源1发出的激光经过扩束准直镜头扩束准直后穿过分光器件3入射到透射式体全息光栅8，经透射式体全息光栅8的透射后，以一定的角度偏折出射垂直入射到反射镜5，经反射镜5两个表面的反射后穿过透射式体全息光栅8入射至分光器件3，经分光器件3反射折转90
°
后入射到成像物镜6，最终由数字相机7接收。
[0045]
在测量过程中，相移组件4带动透射式体全息光栅8移动产生相位差，并由数字相机7采集获得干涉图像，经过计算后得到透射式体全息光栅8实际的衍射波前测量结果。
[0046]
实施例2
[0047]
实施例2与实施例1的区别在于被测的体全息光栅为反射式体全息光栅。由于反射
式体全息光栅与透射式体全息光栅的出光方向不同，所以反射镜的摆放位置也会不同。
[0048]
图2示出了根据本发明实施例2提供的体全息光栅衍射波前测量系统的结构。
[0049]
如图2所示，本发明实施例2提供的体全息光栅衍射波前测量系统包括激光光源1`、扩束准直透镜2`、分光器件3`、相移组件4`、反射镜5`、成像物镜6`和数字相机7`；其中激光光源1`、扩束准直透镜2`、分光器件3`、相移组件4`、成像物镜6`和数字相机7`与实施例1中的激光光源1、扩束准直透镜2、分光器件3、相移组件4、反射镜5、成像物镜6和数字相机7相同，不再赘述。
[0050]
反射镜5`设置在反射式体全息光栅8`的反射反向上，且垂直于从反射式体全息光栅8`出射的反射光束，反射光束能够垂直入射到反射镜5`。
[0051]
本发明实施例2提供的体全息光栅衍射波前测量系统的工作原理为：
[0052]
本发明实施例2提供的体全息光栅衍射波前测量系统的测量原理为：激光光源1`发出的激光经过扩束准直镜头扩束准直后穿过分光器件3`入射到反射式体全息光栅8`，经反射式体全息光栅8`的反射后，以一定的角度偏折出射垂直入射到反射镜5`，经反射镜5`两个表面的反射后回到反射式体全息光栅8`，再经反射式体全息光栅8`反射至分光器件3`，经分光器件3`反射折转90
°
后入射到成像物镜6`，最终由数字相机7`接收。
[0053]
在测量过程中，相移组件4`带动反射式体全息光栅8`移动产生相位差，并由数字相机7`采集获得干涉图像，经过计算后得到反射式体全息光栅8`实际的衍射波前测量结果。
[0054]
由于实施例1与实施例2的激光光源可替换，因此可以使用多种激光光源对体全息光栅的波前进行测量，进而获得全工作谱段的衍射波前误差测量结果。
[0055]
实施例3
[0056]
本发明实施例3提供一种利用体全息光栅衍射波前测量系统的体全息光栅衍射波前测量方法，基于相移干涉原理既可以对反射式体全息光栅的衍射波前进行精确测量又可以对透射式体全息光栅的衍射波前进行精确测量。
[0057]
图3为根据本发明实施例3提供的体全息光栅衍射波前测量方法的流程。
[0058]
如图3所示，本发明实施例3提供的体全息光栅衍射波前测量方法，包括如下步骤：
[0059]
s1、确定反射镜的摆放角度及相移组件的相移步长。
[0060]
首先确定被测的体全息光栅的类型，若为透射式体全息光栅，则选择实施例1所示的测量系统，若为反射式体全息光栅，则选择实施例2所示的测量系统，根据所选择的体全息光栅，确定反射镜的摆放位置。
[0061]
在确定反射镜的摆放位置，需要确定反射镜的摆放角度，具体步骤如下：
[0062]
s11、通过光栅方程计算光束转折角
[0063][0064]
其中，d为光栅常数，λ为衍射级次，m为激光光源的波长；
[0065]
s12、根据光束转折角计算反射镜的摆放角度，计算公式如下：
[0066][0067]
反射镜的摆放角度θ是指与体全息光栅所称的夹角，即反射镜的摆放角度θ与光束转折角互为余角。
[0068]
例如激光光源的波长为632.8nm，光栅常数d为0.001mm，衍射级次为1，根据式(1)计算得到光束转折角为39.257
°
，带入到式(2)，计算得到反射镜的摆放角度为50.743
°
。
[0069]
相移组件的相移步长为光栅常数的四分之一，以光栅常数d为0.001mm为例，相移步长为250nm。
[0070]
在确定了反射镜的摆放角度及相移组件的相移步长后可以将体全息光栅安装到测量系统中，即安装在相移组件上，并微调体全息光栅的位置角度及反射镜的角度，使成像装置观察到对比度与清晰度合适的干涉图像。
[0071]
s2、通过相移组件带动体全息光栅按照相移步长进行移动，采用五步相移法获得五幅相位差均为π/2的干涉图像。
[0072]
驱动相移组件带动体全息光栅以相移步长进行精密移动，从而引入相移产生相位差，并由数字相机进行采集引入相位差的干涉图像。
[0073]
从干涉图像中可看出干涉条纹进行了相应的位移。在相移过程中，通过数字相机的光电探测器(ccd或者cmos)采集不同相移量下的干涉图像。具体地，先通过数字相机获取无相移的干涉图像，再进行四次间隔为π/2的相移(即相移量为π/2)，每次相移完成后通过数字相机采集1帧图像，共得到5幅相位差为π/2的干涉图像。
[0074]
本发明实施例3采用经典的五步相移法，可获得较高的相移精度，进而得到精确的衍射波前误差检测结果。
[0075]
s3、分别获取五幅干涉图像的灰度信息，计算波前相位结果φ(x，y)。
[0076]
五幅干涉图像中像素点的灰度信息用分别用矩阵i1、i2、i3、i4、i5表示。则根据i1、i2、i3、i4、i5通过如下公式计算波前相位结果φ(x，y)：
[0077][0078]
s4、利用相位解包裹算法对波前相位结果φ(x，y)进行计算，得到体全息光栅衍射波前的误差测量结果。
[0079]
相位解包裹算法为现有技术，故在此不再赘述。
[0080]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0081]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0082]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。