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PHASICS波前分析仪的核心——四波横向剪切干涉技术

作者: 时间:2022-06-07

这篇文章主要介绍了的PHASICS公司的核心技术——波前测量。PHASICS提供所有级别的集成,从单一的波前传感器到模块,再到完整的系统,无论是干涉仪还是完整的MTF站。

PHASICS所有的产品中都使用了一种技术,这就是所谓的四波横向剪切干涉仪。它是一种衍射光栅和传感器技术的结合。我们使用各种传感器技术来覆盖从紫外线到远红外线。

四波横向剪切干涉仪 (QWLSI)的原理

当待测波前经过波前分析仪(波前传感器)时,光波通过特制光栅后得到一个与其自身有一定横向位移的复制光束,此复制光波与待测光波发生干涉,形成横向剪切干涉,两者重合部位出现干涉条纹(图1)。被测波前可能为平面波或者汇聚波,对于平面横向剪切干涉,为被测波前在其自身严面内发生微小位移发生微小位移产生一个复制光波;而对于汇聚横向剪切千涉,复制光波由汇聚波绕其曲率中心转动产生。干涉条纹中包含有原始波前的差分信息,通过特定的分析和定量计算梳理(反傅里叶变换)可以再现原始波前(23)


1几何光学描述波前畸形



2相位重建示意图



3波前相位重构原理图

QWLSI Shack-Hartmann 夏克哈特曼波前传感器和 Fizeau菲索干涉仪技术的代替品

四波横向剪切干涉测量具有纳米级灵敏度和非常高的空间分辨率的光束的相位和强度。这种创新技术依赖于将入射光束复制成 4 个相同波的衍射光栅。传播几毫米后,4 个复制品重叠并发生干涉,在探测器上形成干涉图。相位梯度被编码在干涉条纹变形中。

Shack-Hartmann 夏克哈特曼波前传感器基于 2 个主要组件:微透镜阵列和位于微透镜阵列焦平面的图像传感器。Shack-Hartmann 操作原理是跟踪探测器上焦点的位置。当入射波前是平面时,所有焦点图像都位于由小透镜阵列几何形状定义的规则网格中。一旦波前包含像差,焦点的图像就会从它们的初始位置偏移。

Fizeau 干涉仪测量原理基于干涉仪布置,该布置依赖于参考表面(参考镜或参考球体)和测试表面之间的干涉现象。干涉条纹被记录在探测器上,表面形状之间的任何偏差都会导致条纹失真。然后根据条纹失真计算波前。


QWLSI 技术的开发是为了克服 Shack-Hartmann (SH) 技术缺乏分辨率的问题。它使用智能衍射光栅设计,而不是 Hartmann 测试中使用的孔和 Shack 1960 年代提出的微透镜。

四波横向剪切干涉仪 (QWLSI) 提供:

-高分辨率:比 Shack-Hartmann 4

-检测器整个光谱范围内的无色度

-大动态允许直接测量发散光束

-与经典 Fizeau 干涉仪不同,没有参考臂

-紧凑和易于实施




波前传感测量技术比较

Shack-Hartmann 波前传感器与 Fizeau 干涉法与 QWLSI 波前传感器

Phasics QWLSI 波前传感器和Shack-Hartmann 波前传感器技术都是集成到相机里面使用的,QWLSI 波前传感器最高取样达到852×720,消色差仅受检测器限制且自我参照对振动不敏感,最大动态范围可以达到500um PTVPhasics QWLSI 波前传感器的成本相比于其他另外两种技术更加经济。

Phasics SID4系列波前分析仪的优势特点

四波横向剪切干涉仪 (QWLSI)有几个优点。其中第一个是分辨率高。因此,与Shack Hartmann波前传感器相比,我们只需要44的相机像素来获得一个相位测量像素,这使我们能够获得典型的高分辨率。高达400*300个采样点,具备强大的局部畸变测试能力,降低测量不准确性和噪声;同时得到高精度强度分布图。

Phasics SID4的CCD640×480,分辨率为160×120,分辨率是CCD的四分之一。而Shack Hartmann拥有同样的CCD,但它的分辨率只有32×32Phasics SID4的分辨率相差4-5倍。Phasics SID4的像素比Shack Hartmann清晰许多。

第二个优点是消色差。你可以在这个传感器的所有检测范围内使用波前传感器进行波前测量,具有相同的精度,而不需要重新校准。这都是由于我们的技术是衍射法和干涉法的结合。干涉和衍射相结合抵消了波长因子,干涉条纹间距与光栅间距完全相等。适应于不多波长光学测量且不需要重复校准。

第三个优势是大动态范围的测量能力。因此,例如,使用我们的传感器,你通常可以测量高达500微米的峰谷像差--如果你真的聚焦,例如。这也使我们的系统能够直接在发散光束上工作,而不仅仅是准直光束。这对于表征透镜部件和透镜组件特别有用。可见光波段可达500um的高动态范围;可测试离焦量,大相差,非球面和复曲面等测。测试时可以简单摆放波前分析仪,无需额外的镜头,不会引起附加畸变。







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