波前检测技术研究进展

波前检测技术研究进展

随着计算机技术与微电子技术的飞速发展，光学检测技术也不断出现新的方法，到了二十世纪，波前检测技术研究进展主要经历了夏克-哈特曼法^[1]、点衍射法^[2]和剪切干涉法^[3]三个阶段。

1.     夏克-哈特曼法波前检测技术

波前检测技术研究进展的**个阶段是夏克-哈特曼法，它是在哈特曼法的基础上发展的波前检测方法，*初的哈特曼法是根据几何光学原理，主要用于自适应光学的波前检测技术。哈特曼法主要原理为：将带有畸变波前的光束入射规则排列的小孔光阑(即哈特曼光阑)，待测光束将被哈特曼光阑分为多束细小光束，在待测光束的焦面处放置观察屏接收光斑，根据测量出的各光斑中心坐标可以求出待测光束的波前梯度信息，从而求出待测波前。哈特曼法由于在观察屏上形成的光斑较大，从而使光斑质心测量精度降低，并且哈特曼光阑非透光部分的遮挡使得光能损耗较大。

夏克-哈特曼法为1971年夏克对哈特曼法的改进，将哈特曼光阑置换为微透镜阵列。图1显示了夏克-哈特曼法的示意图，待测平面波入射微透镜阵列，在微透镜阵列的焦面处放置探测器接收会聚点，根据这些汇聚点测量出质心偏移，求出待测波前的梯度信息，从而重构待测波前。微透镜阵列的使用使得观察面的光斑质心测量精度大大提高，并且提高了光能利用率，降低了测量噪声。

图1 夏克-哈特曼法波前检测示意图

夏克-哈特曼的法波前检测技术的优点：

1)不需要参考波前；

2)由于其较长的采样累积时间致使其对扰动和振动具有平均效应，非常适合自适应光学系统的波前检验。

夏克-哈特曼法波前检测技术的缺点：

1)夏克-哈特曼法由于受到微透镜阵列制作工艺的制约，其对待测波前的采样点受到限制，因此恢复的波前空间分辨率较低；

2)夏克-哈特曼法直接测量的为待测波前的梯度信息，属于波前间接测量法。

2. 点衍射法波前检测技术

波前检测技术研究进展的**个阶段是点衍射法波前检测技术(如图2所示)，主要原理为：带有畸变波前的会聚光束经过放置在焦点处的点衍射板，直接透射点衍射板的依旧是由待测波前形成的测试光，经过点衍射板上针孔的光束会衍射成为标准球面波，从而形成参考光，从由参考光和测试光干涉形成的干涉图中解调出的相位信息即为待测波前。

              图2 点衍射法波前检测示意图

点衍射法波前检测技术的优点：

1)点衍射法属于共光路干涉，受到的振动等环境因素影响较小；

2)点衍射法不需要参考镜，省去了参考镜带来的系统误差；

3)待测波前可以直接从点衍射干涉图中解调出来，属于波前直接测量法。

点衍射干涉仪的缺点：

1)点衍射法对关键器件点衍射板的针孔加工要求较高，针孔的圆度和孔径直接影响参考球面波的质量；

2)点衍射法需要将会聚光束通过针孔，其光束对准较困难。

3. 传统横向剪切法波前检测技术  

波前检测技术研究进展的第三个阶段是剪切干涉法，它又可以分为横向剪切干涉法^[3]、径向剪切干涉法^[4]、横径向混合剪切干涉法^[5]以及折叠反转剪切法^[6]，其中横向剪切干涉法在光学测试领域占有重要地位。

横向剪切干涉术无需使用参考光，从而消除了参考光带来的系统误差。图3显示了平行光束和会聚光束的剪切干涉示意图，其基本原理皆为待测波前通过波前分光器件将待测波前分为两支，并且使这两支波前产生一定量的横向错位，从而使得待测波前与自身发生干涉。

                 图3 横向剪切干涉仪示意图

横向剪切干涉法波前检测技术的实现方法有很多，具体包括：

1964年，M．V．R．K．Murty^[7]提出利用单个平行平板产生横向剪切干涉的方法(如图4所示)，待测光束入射到斜放至的平行平板，经过平板前表面和后表面反射，产生两支横向有微小错位待测光束，从而发生横向剪切干涉。这种平行平板作为波前分光器件的方法结构简单，操作方便，后来被广泛应用。

                   图4 平行平板横向剪切干涉仪

2004年Jae Bong Song等^[8]提出将平行平板改为厚度渐变的楔板，从而可以产生移相。利用楔板厚度变化特性可以获得移相功能，沿着楔板放置方向平移楔板，楔板厚度变化将导致剪切干涉波前相位改变从而实现移相，这种方法需要严格设计楔板的厚度渐变量以及使用PZT推动楔板的速度。

2005年Alfredo Dubra等^[9]提出用两块楔板组成偏振式的人眼波前横向剪切干涉仪，当测试光从人眼反射回来的时候，使用分光棱镜将待测光分成两束分别经过两块楔板，**块楔板反射出的两束光束形成水平方向干涉图，**块楔板反射出的两束光形成竖直方向剪切干涉图，这种方法可以同时获得两个正交方向的剪切干涉图，不需要重新调节仪器结构，但是仪器中光路折转等器件较多，光学结构复杂。

2003年H．H Lee等^[10]提出利用两块斜板移相方法，入射光束经过分光立方棱镜，反射光束经水平方向剪切楔板反射到观察面，透射光经竖直方向剪切楔板反射到观察面，这种方案也是在一个系统中不需要旋转器件就可以得到两幅干涉图，但是加入移相功能使得光学结构更加复杂。

1985年，Mahendra P．Kothiyal等^[11]用一个偏振分光立方体和两块平面反射镜为主要部分搭建了横向剪切干涉仪，待测光束经偏振分光立方棱镜投射和折射，再经过一定位置放置的平面反射镜反射，可得到横向剪切干涉图。

以上方法中，研究者们都以平板或棱镜作为波前分光器件，然而经典的Ronchi检验法说明光栅作为波前分光器件可以广泛的应用在横向剪切干涉术中。

1997年，H．Schreiber等人^[12]用两块Ronchi光栅构成一种新的横向剪切干涉仪(如图5所示)。但这种方案需要旋转光栅来分别采集两个正交方向的剪切干涉图。

                   图5 光栅横向剪切干涉仪

2011年VanuschNercissian等^[13]用多块Ronchi光栅设计出一种能瞬态测量的双波横向剪切干涉仪，这种方法可以同时产生水平和竖直两个正交方向的剪切干涉图。如果光栅周期完全一致，以及玻璃基底完全平行，则得出的两幅剪切干涉图的剪切量将相同。

传统的横向剪切干涉法波前检测技术优点：

1)无需参考光，消去了由参考光引入的系统误差；

2)横向剪切干涉仪结构简单、稳定。

传统横向剪切干涉法波前检测技术的缺点：

1)横向剪切干涉法得到的干涉图解调出的相位为差分波前信息，而非待测波前，属于波前间接测量法；

2)待测波前的重构需要两幅正交方向的剪切干涉图，从而使得测量过程复杂。

4. 新的四波横向剪切干涉法波前检测技术

传统横向剪切法波前检测技术无论波前分光器件怎么变化，其都是双光束干涉。在传统横向剪切法逐渐成熟后，研究者们开始研究多波面横向剪切干涉法。

1993年J．Primot等^[14]提出棱镜式的三波横向剪切干涉方法，但该方法使用的波前分光棱镜要求非常高，很难做到**加工，其*终的测量精度只达到了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年的三波横向剪切干涉思路的基础上，又重新设计了波前分光方案。此方案采用了双向六角形刻蚀结构光栅来实现波前分光，实现了分光波前波矢方向的**性，这种方案的成功使光栅法多波面剪切成为可能。

随着研究者们对横向剪切干涉术的进一步认识，四波横向剪切干涉也随之出现，其单帧剪切干涉图波前恢复技术有着传统横向剪切干涉术无法具有的测量优越性。

2004年，日本Masanobu Hasegawa、Mitsuo Takeda^[16-20]等人使用波长为13.5nm的极紫外光为光源提出一种四波横向剪切干涉技术(如图6所示)。该技术采用正交光栅分光和小孔光阑选取四支光并使这四支光发生横向剪切干涉。

    图6 日本极紫外四波剪切波前检测方案

       2000年，J．Primot^[21-23]等人在研究哈特曼传感器的基础上，提出一种改进的传感器方案并称之为四波横向剪切波前传感器，其基本原理是研究出一种特殊的位相光栅，使四支参与干涉用的衍射光能量*大化，抑制其他衍射级次。2001年，Julien Rizzi^[24]等人设计了适用于x射线条件下的四波横向剪切波前传感器。这种新的横向剪切方案不需要光阑帮助实现分光，普遍适用性较高，并且已经产品化，图7显示的即为采用这种四波横向剪切干涉方案的SID-4波前传感器。

图7 法国Phasics公司的SID-4波前传感器

波前检测研究小结

上文介绍了三种常用的波前检测技术和一种新的四波横向剪切干涉技术。夏克-哈特曼法、点衍射法以及传统横向剪切干涉法作为常用的波前检测技术，它们分别有着各自的优缺点，而新的四波横向剪切干涉法相比而言具有以下几点优势：

1)与哈特曼法相比，四波横向剪切干涉法有着较高的空间分辨率；

2)与点衍射法相比，四波横向剪切干涉法结构简单，调整方便；

3)与传统横向剪切干涉法相比，四波横向剪切干涉法具有单帧图波前测量性，测量过程简便。

由以上对比可以看出，四波横向剪切干涉法波前检测技术凭借其在波前检测方面的优越性，非常值得研究者们继续探索、尝试和深入研究。