[发明专利]基于全局随机编码规则的位相衍射光栅

说明书

本发明公开了基于全局随机编码规则的位相衍射光栅，通过采用两种透射率像元，在衍射光栅进行全局随机分布，并保证各个周期的同一像元位置的平均透射率等于理想正弦衍射光栅在对应位置的透射率；该衍射光栅不需要借助级选择板便能达到完全消除高阶衍射光的效果，避免了精度和测量范围的损失，同时与改进的Hartmann掩模或是随机编码混合光栅相比，抑制高阶衍射级次光的效果更好，提高了波前的检测精度；此外，由于光栅中像元只有1和‑1两种透射率，因此该纯位相的结构具有更易加工，光的利用率大的优势。

技术领域

本发明属于衍射光栅技术领域，具体涉及基于全局随机编码规则的位相衍射光栅。

背景技术

横向剪切干涉技术指的是受检测的光学元件或系统出射的波前，经过分光元件被复制成若干剪切波面，并使得它们产生一定的横向错位量(剪切量)，在光波的重叠区域的干涉图中可以获取沿剪切方向的剪切波面信息，达到测量波前的相位分布的目的。剪切干涉技术属于共光路干涉,对测量环境稳定性要求低，同时对光源的相干性等没有特殊的要求，并且一般不受口径的限制。基于上述特点，横向剪切干涉技术目前在光学系统和光学器件的检测、液体和气体流动的研究、实验力学中的应力、应变和振动分析等方面都己得到广泛应用。

以光栅为基础的四波面横向剪切干涉技术成为了现今横向剪切干涉技术的主流。光栅横向剪切干涉技术中遇到的最主要的问题来自于光栅的衍射场中不可避免出现的多余高阶衍射级次，高阶衍射级次意味着多余的剪切波面，它们的引入将会带来测量误差。

为抑制高阶衍射级次，现有技术大致分为两类：利用空间滤波系统中的级选择板滤去不必要的高阶衍射级次，缺点在于级选择板的存在导致系统调整结构复杂，对仪器调节机构精度要求高、调整难度大,且级选择板的大小会影响可测量的波前畸变范围，降低瞬态波前检测的精度；改进横向剪切干涉技术的分光元件，代表为改进的Hartmann掩模横向剪切干涉技术和随机编码混合光栅横向剪切干涉技术。即通过设计光栅的结构，直接抑制光栅衍射场中多余的衍射级次，从而简化系统结构。四波面横向剪切干涉所要求的理想光栅的透射率分布应为介于±1之间的二维正弦分布，然而实际应用中加工这样的理想光栅是极其困难的。不论是改进的Hartmann掩模或是随机编码混合光栅，都会引入高阶衍射级次，同样会影响±1级次之间的横向剪切干涉。故需要设计一种新的光栅，抑制除了必要衍射级次以外所有的衍射级次，进一步提高检测精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供基于全局随机编码规则的位相衍射光栅，其衍射光场具有与理想正弦光栅完全相等的衍射级次光，并且能够降低光栅的加工难度。

本发明的基于全局随机编码规则的位相衍射光栅，衍射光栅的每个周期由多个像元构成；

所述像元具有两种不同的设定透射率，分别为1和-1，且该两种透射率像元在所述衍射光栅上随机分布，并满足：针对各个周期的同一像元位置，该像元位置的平均透射率等于正弦函数理想衍射光栅在对应位置的透射率；其中，该正弦函数值介于-1到1之间。

较佳的，所述位相衍射光栅采用透光基底实现；在透光基底上透射率为-1的像元位置处进行刻蚀，刻蚀深度为其中λ为入射光波的波长，n为透光基底的折射率。

较佳的，所述透光基底的材料为石英。

较佳的，所述像元为正方形，面积的取值为1平方微米至25平方微米。

较佳的，周期宽度大于或等于5个像元的宽度。

本发明具有如下有益效果：