波前檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)也不斷出現(xiàn)新的方法，到了二十世紀(jì)，波前檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展主要經(jīng)歷了夏克-哈特曼法^[1]、點(diǎn)衍射法^[2]和剪切干涉法^[3]三個(gè)階段。

1.     夏克-哈特曼法波前檢測(cè)技術(shù)

波前檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展的**個(gè)階段是夏克-哈特曼法，它是在哈特曼法的基礎(chǔ)上發(fā)展的波前檢測(cè)方法，*初的哈特曼法是根據(jù)幾何光學(xué)原理，主要用于自適應(yīng)光學(xué)的波前檢測(cè)技術(shù)。哈特曼法主要原理為：將帶有畸變波前的光束入射規(guī)則排列的小孔光闌(即哈特曼光闌)，待測(cè)光束將被哈特曼光闌分為多束細(xì)小光束，在待測(cè)光束的焦面處放置觀察屏接收光斑，根據(jù)測(cè)量出的各光斑中心坐標(biāo)可以求出待測(cè)光束的波前梯度信息，從而求出待測(cè)波前。哈特曼法由于在觀察屏上形成的光斑較大，從而使光斑質(zhì)心測(cè)量精度降低，并且哈特曼光闌非透光部分的遮擋使得光能損耗較大。

夏克-哈特曼法為1971年夏克對(duì)哈特曼法的改進(jìn)，將哈特曼光闌置換為微透鏡陣列。圖1顯示了夏克-哈特曼法的示意圖，待測(cè)平面波入射微透鏡陣列，在微透鏡陣列的焦面處放置探測(cè)器接收會(huì)聚點(diǎn)，根據(jù)這些匯聚點(diǎn)測(cè)量出質(zhì)心偏移，求出待測(cè)波前的梯度信息，從而重構(gòu)待測(cè)波前。微透鏡陣列的使用使得觀察面的光斑質(zhì)心測(cè)量精度大大提高，并且提高了光能利用率，降低了測(cè)量噪聲。

圖1 夏克-哈特曼法波前檢測(cè)示意圖

夏克-哈特曼的法波前檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

1)不需要參考波前；

2)由于其較長(zhǎng)的采樣累積時(shí)間致使其對(duì)擾動(dòng)和振動(dòng)具有平均效應(yīng)，非常適合自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前檢驗(yàn)。

夏克-哈特曼法波前檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)：

1)夏克-哈特曼法由于受到微透鏡陣列制作工藝的制約，其對(duì)待測(cè)波前的采樣點(diǎn)受到限制，因此恢復(fù)的波前空間分辨率較低；

2)夏克-哈特曼法直接測(cè)量的為待測(cè)波前的梯度信息，屬于波前間接測(cè)量法。

2. 點(diǎn)衍射法波前檢測(cè)技術(shù)

波前檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展的**個(gè)階段是點(diǎn)衍射法波前檢測(cè)技術(shù)(如圖2所示)，主要原理為：帶有畸變波前的會(huì)聚光束經(jīng)過放置在焦點(diǎn)處的點(diǎn)衍射板，直接透射點(diǎn)衍射板的依舊是由待測(cè)波前形成的測(cè)試光，經(jīng)過點(diǎn)衍射板上針孔的光束會(huì)衍射成為標(biāo)準(zhǔn)球面波，從而形成參考光，從由參考光和測(cè)試光干涉形成的干涉圖中解調(diào)出的相位信息即為待測(cè)波前。

              圖2 點(diǎn)衍射法波前檢測(cè)示意圖

點(diǎn)衍射法波前檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

1)點(diǎn)衍射法屬于共光路干涉，受到的振動(dòng)等環(huán)境因素影響較??；

2)點(diǎn)衍射法不需要參考鏡，省去了參考鏡帶來的系統(tǒng)誤差；

3)待測(cè)波前可以直接從點(diǎn)衍射干涉圖中解調(diào)出來，屬于波前直接測(cè)量法。

點(diǎn)衍射干涉儀的缺點(diǎn)：

1)點(diǎn)衍射法對(duì)關(guān)鍵器件點(diǎn)衍射板的針孔加工要求較高，針孔的圓度和孔徑直接影響參考球面波的質(zhì)量；

2)點(diǎn)衍射法需要將會(huì)聚光束通過針孔，其光束對(duì)準(zhǔn)較困難。

3. 傳統(tǒng)橫向剪切法波前檢測(cè)技術(shù)  

波前檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展的第三個(gè)階段是剪切干涉法，它又可以分為橫向剪切干涉法^[3]、徑向剪切干涉法^[4]、橫徑向混合剪切干涉法^[5]以及折疊反轉(zhuǎn)剪切法^[6]，其中橫向剪切干涉法在光學(xué)測(cè)試領(lǐng)域占有重要地位。

橫向剪切干涉術(shù)無需使用參考光，從而消除了參考光帶來的系統(tǒng)誤差。圖3顯示了平行光束和會(huì)聚光束的剪切干涉示意圖，其基本原理皆為待測(cè)波前通過波前分光器件將待測(cè)波前分為兩支，并且使這兩支波前產(chǎn)生一定量的橫向錯(cuò)位，從而使得待測(cè)波前與自身發(fā)生干涉。

                 圖3 橫向剪切干涉儀示意圖

橫向剪切干涉法波前檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法有很多，具體包括：

1964年，M．V．R．K．Murty^[7]提出利用單個(gè)平行平板產(chǎn)生橫向剪切干涉的方法(如圖4所示)，待測(cè)光束入射到斜放至的平行平板，經(jīng)過平板前表面和后表面反射，產(chǎn)生兩支橫向有微小錯(cuò)位待測(cè)光束，從而發(fā)生橫向剪切干涉。這種平行平板作為波前分光器件的方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，后來被廣泛應(yīng)用。

                   圖4 平行平板橫向剪切干涉儀

2004年Jae Bong Song等^[8]提出將平行平板改為厚度漸變的楔板，從而可以產(chǎn)生移相。利用楔板厚度變化特性可以獲得移相功能，沿著楔板放置方向平移楔板，楔板厚度變化將導(dǎo)致剪切干涉波前相位改變從而實(shí)現(xiàn)移相，這種方法需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)楔板的厚度漸變量以及使用PZT推動(dòng)楔板的速度。

2005年Alfredo Dubra等^[9]提出用兩塊楔板組成偏振式的人眼波前橫向剪切干涉儀，當(dāng)測(cè)試光從人眼反射回來的時(shí)候，使用分光棱鏡將待測(cè)光分成兩束分別經(jīng)過兩塊楔板，**塊楔板反射出的兩束光束形成水平方向干涉圖，**塊楔板反射出的兩束光形成豎直方向剪切干涉圖，這種方法可以同時(shí)獲得兩個(gè)正交方向的剪切干涉圖，不需要重新調(diào)節(jié)儀器結(jié)構(gòu)，但是儀器中光路折轉(zhuǎn)等器件較多，光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2003年H．H Lee等^[10]提出利用兩塊斜板移相方法，入射光束經(jīng)過分光立方棱鏡，反射光束經(jīng)水平方向剪切楔板反射到觀察面，透射光經(jīng)豎直方向剪切楔板反射到觀察面，這種方案也是在一個(gè)系統(tǒng)中不需要旋轉(zhuǎn)器件就可以得到兩幅干涉圖，但是加入移相功能使得光學(xué)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

1985年，Mahendra P．Kothiyal等^[11]用一個(gè)偏振分光立方體和兩塊平面反射鏡為主要部分搭建了橫向剪切干涉儀，待測(cè)光束經(jīng)偏振分光立方棱鏡投射和折射，再經(jīng)過一定位置放置的平面反射鏡反射，可得到橫向剪切干涉圖。

以上方法中，研究者們都以平板或棱鏡作為波前分光器件，然而經(jīng)典的Ronchi檢驗(yàn)法說明光柵作為波前分光器件可以廣泛的應(yīng)用在橫向剪切干涉術(shù)中。

1997年，H．Schreiber等人^[12]用兩塊Ronchi光柵構(gòu)成一種新的橫向剪切干涉儀(如圖5所示)。但這種方案需要旋轉(zhuǎn)光柵來分別采集兩個(gè)正交方向的剪切干涉圖。

                   圖5 光柵橫向剪切干涉儀

2011年VanuschNercissian等^[13]用多塊Ronchi光柵設(shè)計(jì)出一種能瞬態(tài)測(cè)量的雙波橫向剪切干涉儀，這種方法可以同時(shí)產(chǎn)生水平和豎直兩個(gè)正交方向的剪切干涉圖。如果光柵周期完全一致，以及玻璃基底完全平行，則得出的兩幅剪切干涉圖的剪切量將相同。

傳統(tǒng)的橫向剪切干涉法波前檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1)無需參考光，消去了由參考光引入的系統(tǒng)誤差；

2)橫向剪切干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。

傳統(tǒng)橫向剪切干涉法波前檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)：

1)橫向剪切干涉法得到的干涉圖解調(diào)出的相位為差分波前信息，而非待測(cè)波前，屬于波前間接測(cè)量法；

2)待測(cè)波前的重構(gòu)需要兩幅正交方向的剪切干涉圖，從而使得測(cè)量過程復(fù)雜。

4. 新的四波橫向剪切干涉法波前檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)橫向剪切法波前檢測(cè)技術(shù)無論波前分光器件怎么變化，其都是雙光束干涉。在傳統(tǒng)橫向剪切法逐漸成熟后，研究者們開始研究多波面橫向剪切干涉法。

1993年J．Primot等^[14]提出棱鏡式的三波橫向剪切干涉方法，但該方法使用的波前分光棱鏡要求非常高，很難做到**加工，其*終的測(cè)量精度只達(dá)到了PV值λ/6，RMS值λ/30，因此需要探索更好的方案。

1995年J．Primot等^[15]在采用1993年的三波橫向剪切干涉思路的基礎(chǔ)上，又重新設(shè)計(jì)了波前分光方案。此方案采用了雙向六角形刻蝕結(jié)構(gòu)光柵來實(shí)現(xiàn)波前分光，實(shí)現(xiàn)了分光波前波矢方向的**性，這種方案的成功使光柵法多波面剪切成為可能。

隨著研究者們對(duì)橫向剪切干涉術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，四波橫向剪切干涉也隨之出現(xiàn)，其單幀剪切干涉圖波前恢復(fù)技術(shù)有著傳統(tǒng)橫向剪切干涉術(shù)無法具有的測(cè)量?jī)?yōu)越性。

2004年，日本Masanobu Hasegawa、Mitsuo Takeda^[16-20]等人使用波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光為光源提出一種四波橫向剪切干涉技術(shù)(如圖6所示)。該技術(shù)采用正交光柵分光和小孔光闌選取四支光并使這四支光發(fā)生橫向剪切干涉。

    圖6 日本極紫外四波剪切波前檢測(cè)方案

       2000年，J．Primot^[21-23]等人在研究哈特曼傳感器的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的傳感器方案并稱之為四波橫向剪切波前傳感器，其基本原理是研究出一種特殊的位相光柵，使四支參與干涉用的衍射光能量*大化，抑制其他衍射級(jí)次。2001年，Julien Rizzi^[24]等人設(shè)計(jì)了適用于x射線條件下的四波橫向剪切波前傳感器。這種新的橫向剪切方案不需要光闌幫助實(shí)現(xiàn)分光，普遍適用性較高，并且已經(jīng)產(chǎn)品化，圖7顯示的即為采用這種四波橫向剪切干涉方案的SID-4波前傳感器。

圖7 法國Phasics公司的SID-4波前傳感器

波前檢測(cè)研究小結(jié)

上文介紹了三種常用的波前檢測(cè)技術(shù)和一種新的四波橫向剪切干涉技術(shù)。夏克-哈特曼法、點(diǎn)衍射法以及傳統(tǒng)橫向剪切干涉法作為常用的波前檢測(cè)技術(shù)，它們分別有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而新的四波橫向剪切干涉法相比而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1)與哈特曼法相比，四波橫向剪切干涉法有著較高的空間分辨率；

2)與點(diǎn)衍射法相比，四波橫向剪切干涉法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便；

3)與傳統(tǒng)橫向剪切干涉法相比，四波橫向剪切干涉法具有單幀圖波前測(cè)量性，測(cè)量過程簡(jiǎn)便。

由以上對(duì)比可以看出，四波橫向剪切干涉法波前檢測(cè)技術(shù)憑借其在波前檢測(cè)方面的優(yōu)越性，非常值得研究者們繼續(xù)探索、嘗試和深入研究。