波前檢測技術研究進展

波前檢測技術研究進展

隨著計算機技術與微電子技術的飛速發展，光學檢測技術也不斷出現新的方法，到了二十世紀，波前檢測技術研究進展主要經曆了夏克-哈特曼法^[1]、點衍射法^[2]和剪切乾涉法^[3]三個階段。

1.     夏克-哈特曼法波前檢測技術

波前檢測技術研究進展的**個階段是夏克-哈特曼法，它是在哈特曼法的基礎上發展的波前檢測方法，*初的哈特曼法是根據幾何光學原理，主要用於自適應光學的波前檢測技術。哈特曼法主要原理為：將帶有畸變波前的光束入射規則排列的小孔光闌(即哈特曼光闌)，待測光束將被哈特曼光闌分為多束細小光束，在待測光束的焦麵處放置觀察屏接收光斑，根據測量出的各光斑中心坐標可以求出待測光束的波前梯度信息，從而求出待測波前。哈特曼法由於在觀察屏上形成的光斑較大，從而使光斑質心測量精度降低，並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年夏克對哈特曼法的改進，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，待測平麵波入射微透鏡陣列，在微透鏡陣列的焦麵處放置探測器接收會聚點，根據這些彙聚點測量出質心偏移，求出待測波前的梯度信息，從而重構待測波前。微透鏡陣列的使用使得觀察麵的光斑質心測量精度大大提高，並且提高了光能利用率，降低了測量噪聲。

圖1 夏克-哈特曼法波前檢測示意圖

夏克-哈特曼的法波前檢測技術的優點：

1)不需要參考波前；

2)由於其較長的采樣累積時間致使其對擾動和振動具有平均效應，非常適合自適應光學係統的波前檢驗。

夏克-哈特曼法波前檢測技術的缺點：

1)夏克-哈特曼法由於受到微透鏡陣列製作工藝的製約，其對待測波前的采樣點受到限製，因此恢複的波前空間分辨率較低；

2)夏克-哈特曼法直接測量的為待測波前的梯度信息，屬於波前間接測量法。

2. 點衍射法波前檢測技術

波前檢測技術研究進展的**個階段是點衍射法波前檢測技術(如圖2所示)，主要原理為：帶有畸變波前的會聚光束經過放置在焦點處的點衍射板，直接透射點衍射板的依舊是由待測波前形成的測試光，經過點衍射板上針孔的光束會衍射成為標準球麵波，從而形成參考光，從由參考光和測試光乾涉形成的乾涉圖中解調出的相位信息即為待測波前。

              圖2 點衍射法波前檢測示意圖

點衍射法波前檢測技術的優點：

1)點衍射法屬於共光路乾涉，受到的振動等環境因素影響較小；

2)點衍射法不需要參考鏡，省去了參考鏡帶來的係統誤差；

3)待測波前可以直接從點衍射乾涉圖中解調出來，屬於波前直接測量法。

點衍射乾涉儀的缺點：

1)點衍射法對關鍵器件點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麵波的質量；

2)點衍射法需要將會聚光束通過針孔，其光束對準較困難。

3. 傳統橫向剪切法波前檢測技術  

波前檢測技術研究進展的第三個階段是剪切乾涉法，它又可以分為橫向剪切乾涉法^[3]、徑向剪切乾涉法^[4]、橫徑向混合剪切乾涉法^[5]以及折疊反轉剪切法^[6]，其中橫向剪切乾涉法在光學測試領域占有重要地位。

橫向剪切乾涉術無需使用參考光，從而消除了參考光帶來的係統誤差。圖3顯示了平行光束和會聚光束的剪切乾涉示意圖，其基本原理皆為待測波前通過波前分光器件將待測波前分為兩支，並且使這兩支波前產生一定量的橫向錯位，從而使得待測波前與自身發生乾涉。

                 圖3 橫向剪切乾涉儀示意圖

橫向剪切乾涉法波前檢測技術的實現方法有很多，具體包括：

1964年，M．V．R．K．Murty^[7]提出利用單個平行平板產生橫向剪切乾涉的方法(如圖4所示)，待測光束入射到斜放至的平行平板，經過平板前表麵和後表麵反射，產生兩支橫向有微小錯位待測光束，從而發生橫向剪切乾涉。這種平行平板作為波前分光器件的方法結構簡單，操作方便，後來被廣泛應用。

                   圖4 平行平板橫向剪切乾涉儀

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，楔板厚度變化將導致剪切乾涉波前相位改變從而實現移相，這種方法需要嚴格設計楔板的厚度漸變量以及使用PZT推動楔板的速度。

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乾涉儀，當測試光從人眼反射回來的時候，使用分光棱鏡將待測光分成兩束分彆經過兩塊楔板，**塊楔板反射出的兩束光束形成水平方向乾涉圖，**塊楔板反射出的兩束光形成豎直方向剪切乾涉圖，這種方法可以同時獲得兩個正交方向的剪切乾涉圖，不需要重新調節儀器結構，但是儀器中光路折轉等器件較多，光學結構複雜。

2003年H．H Lee等^[10]提出利用兩塊斜板移相方法，入射光束經過分光立方棱鏡，反射光束經水平方向剪切楔板反射到觀察麵，透射光經豎直方向剪切楔板反射到觀察麵，這種方案也是在一個係統中不需要旋轉器件就可以得到兩幅乾涉圖，但是加入移相功能使得光學結構更加複雜。

1985年，Mahendra P．Kothiyal等^[11]用一個偏振分光立方體和兩塊平麵反射鏡為主要部分搭建了橫向剪切乾涉儀，待測光束經偏振分光立方棱鏡投射和折射，再經過一定位置放置的平麵反射鏡反射，可得到橫向剪切乾涉圖。

以上方法中，研究者們都以平板或棱鏡作為波前分光器件，然而經典的Ronchi檢驗法說明光柵作為波前分光器件可以廣泛的應用在橫向剪切乾涉術中。

1997年，H．Schreiber等人^[12]用兩塊Ronchi光柵構成一種新的橫向剪切乾涉儀(如圖5所示)。但這種方案需要旋轉光柵來分彆采集兩個正交方向的剪切乾涉圖。

                   圖5 光柵橫向剪切乾涉儀

2011年VanuschNercissian等^[13]用多塊Ronchi光柵設計出一種能瞬態測量的雙波橫向剪切乾涉儀，這種方法可以同時產生水平和豎直兩個正交方向的剪切乾涉圖。如果光柵周期完全一致，以及玻璃基底完全平行，則得出的兩幅剪切乾涉圖的剪切量將相同。

傳統的橫向剪切乾涉法波前檢測技術優點：

1)無需參考光，消去了由參考光引入的係統誤差；

2)橫向剪切乾涉儀結構簡單、穩定。

傳統橫向剪切乾涉法波前檢測技術的缺點：

1)橫向剪切乾涉法得到的乾涉圖解調出的相位為差分波前信息，而非待測波前，屬於波前間接測量法；

2)待測波前的重構需要兩幅正交方向的剪切乾涉圖，從而使得測量過程複雜。

4. 新的四波橫向剪切乾涉法波前檢測技術

傳統橫向剪切法波前檢測技術無論波前分光器件怎麼變化，其都是雙光束乾涉。在傳統橫向剪切法逐漸成熟後，研究者們開始研究多波麵橫向剪切乾涉法。

1993年J．Primot等^[14]提出棱鏡式的三波橫向剪切乾涉方法，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*終的測量精度隻達到了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年的三波橫向剪切乾涉思路的基礎上，又重新設計了波前分光方案。此方案采用了雙向六角形刻蝕結構光柵來實現波前分光，實現了分光波前波矢方向的**性，這種方案的成功使光柵法多波麵剪切成為可能。

隨著研究者們對橫向剪切乾涉術的進一步認識，四波橫向剪切乾涉也隨之出現，其單幀剪切乾涉圖波前恢複技術有著傳統橫向剪切乾涉術無法具有的測量優越性。

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

    圖6 日本極紫外四波剪切波前檢測方案

       2000年，J．Primot^[21-23]等人在研究哈特曼傳感器的基礎上，提出一種改進的傳感器方案並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，使四支參與乾涉用的衍射光能量*大化，抑製其他衍射級次。2001年，Julien Rizzi^[24]等人設計了適用於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現分光，普遍適用性較高，並且已經產品化，圖7顯示的即為采用這種四波橫向剪切乾涉方案的SID-4波前傳感器。

圖7 法國Phasics公司的SID-4波前傳感器

波前檢測研究小結

上文介紹了三種常用的波前檢測技術和一種新的四波橫向剪切乾涉技術。夏克-哈特曼法、點衍射法以及傳統橫向剪切乾涉法作為常用的波前檢測技術，它們分彆有著各自的優缺點，而新的四波橫向剪切乾涉法相比而言具有以下幾點優勢：

1)與哈特曼法相比，四波橫向剪切乾涉法有著較高的空間分辨率；

2)與點衍射法相比，四波橫向剪切乾涉法結構簡單，調整方便；

3)與傳統橫向剪切乾涉法相比，四波橫向剪切乾涉法具有單幀圖波前測量性，測量過程簡便。

由以上對比可以看出，四波橫向剪切乾涉法波前檢測技術憑借其在波前檢測方麵的優越性，非常值得研究者們繼續探索、嘗試和深入研究。