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本文为2024年9月《红外与激光工程》

第53卷第9期特邀文章

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引用本文：杨甬英, 凌曈, 曹频, 江佳斌. 基于四波前横向剪切干涉的波前传感技术与应用（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(9): 20240331. DOI: 10.3788/IRLA20240331shu

基于四波前横向剪切干涉的波前传感技术与应用 (特邀)

杨甬英^1,4*，凌曈^2,3,4*，曹频⁴，江佳斌⁴

(1. 浙江大学光电科学与工程学院，浙江杭州 310027；

2. 南洋理工大学化学化工与生物科技学院，新加坡 639798；

3. 南洋理工大学电气与电子工程学院，新加坡 639798；

4. 杭州晶耐科光电技术有限公司，浙江杭州 310027)

基金项目:

国家自然科学基金(11275172，6187517)；国家科学技术学术著作出版基金项目；NTU Start-up Grant (SUG); NRF Fellowship Grant (NRF-NRFF14-2022-0005)

通讯作者:

杨甬英，女，教授，博士，主要从事精密干涉测试计量，特别是共路多波前剪切干涉方面的研究。

凌曈，男，助理教授，博士，主要从事精密干涉成像技术在生物医学成像中的研究。

摘　要

高科技的发展对精密干涉成像提出了更高的要求。在现代光学和生物医学领域，无标记成像技术不依赖于传统的染料或荧光标记，进行3D活细胞原位观察和分析，促进定量相位显微术的发展。在光学检测技术领域，对于干涉系统的现场化、实时化的应用具有迫切需求，如激光波前的瞬态检测分析、高速流场检测、自适应光学的检测和控制、高精度光学系统像差分析等都迫切需要一个紧凑型、抗环境干扰、瞬态成像的干涉系统。为此，针对针对这些需求，全面介绍了四波前横向剪切干涉相位成像技术的原理、发展历程、波前重构方法以及其广泛的应用。四波前横向剪切干涉仪能够通过在一个单一的干涉图中获取两个正交剪切方向的四个剪切波前来实现瞬态相位成像，由随机编码光栅和相位棋盘组成新颖的四波干涉传感器(Four-wave Interferometric Sensor，FIS4)。FIS4干涉传感器凭借其独特的优势，如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率以及与现有显微系统的兼容性，在生物医学、光学测量、材料表征等众多领域展现出广阔的应用前景。这一技术的发展不仅为相关领域提供了新的研究工具，也为跨学科的创新和发现开辟了新的可能性。

关键词

四波剪切干涉；衍射光栅；共路干涉；高速流场；自适应光学；白光轮廓仪

中图分类号：O438

文献标志码：A

DOI：10.3788/IRLA20240331

引言

现代光学和生物医学领域对无标记成像技术的需求持续增长。这种技术不依赖于传统的染料或荧光标记，能够在不干预样本自然状态的情况下进行原位观察和分析，其中定量相位显微术(Quantitative Phase Microscopy, QPM) 由于能够提供关于透明生物样本的体积、干重等的额外信息，在科研和临床诊断领域受到了广泛的关注^[1−4]。QPM的最大优势在于其无需任何染料或荧光标记即可显著增强显微图像的对比度，特别适合长时间跟踪活体细胞的动态过程。

QPM技术根据其实现方式不同又可分为不同的分支，包括叠层成像技术、光强传输方程、衍射相位显微镜、数字全息显微镜等 (见表1)。叠层成像技术(Fourier Ptychographic Microscopy, FPM) 是通过分析样本散射的波场的相位和振幅信息来进行图像重构的一种方法^[5−8]。这种技术使用叠层成像迭代引擎，通过对样本的衍射图案进行复杂的算法处理，可以生成无晕影的高对比度图像。然而，这种方法的一个主要缺点是它的时间效率较低，需要采集较多数量的叠层衍射图案和进行较长时间的后处理，限制了其在实时应用中的使用。光强传输方程 (Transport of Intensity Equation, TIE) 技术则通过分析不同焦平面上的图像差异来恢复样本的波前相位变化，可以直接应用于常规的明场显微镜^{[1, 9]}。通过引入部分相干光源^[10]，如发光二极管以及使用电动可调透镜^[11]，TIE 技术的图像采集速率和信噪比均已显著提高，使得相位图像的重建更加精确和快速。

在测量精度方面，基于干涉的技术如衍射相位显微镜 (Diffraction Phase Microscopy, DPM)^{[3, 12]}、数字全息显微镜 (Digital Holographic Microscopy, DHM)^{[2, 13]}显示出更高的性能。这些技术利用光的干涉，能够实现非常精细的光程差灵敏度，可用来测量纳米级别甚至更小尺度的光程差变化。1993年，Jerome Primot 提出了三波前横向剪切干涉仪(Three-wave Lateral Shearing Interferometer, TWLSI)，首次尝试利用多波前横向剪切干涉实现相位检测，但是其光能效率仅约为1%。2005年，Chanteloup对三波前横向剪切干涉仪进行了改进，使用通过光刻制造的三级相位板作为相位光栅，生成输入波前的三个参与横向剪切干涉的波前，其横向分辨率和动态范围比Shack-Hartmann波前传感器要高得多，并且广泛适用于激光束表征和自适应光学。四波前横向剪切干涉仪为三波前横向剪切干涉仪的延伸，通过在一个单一的干涉图中获取两个正交剪切方向的剪切波前来实现瞬态相位成像^[14−16]，并且由于其光学布局被严格设计为共路干涉仪，能够极大地抑制环境振动带来的影响。笔者之前的工作提出了一种基于随机编码混合光栅(Randomly Encoded Hybrid Grating, REHG)的新型四波前横向剪切干涉仪，即随机编码混合光栅横向剪切干涉仪(REHG-LSI)^[17]，随机编码混合光栅由随机编码的二元振幅光栅和相位棋盘组成。随机编码的二元振幅光栅具有微小的编码掩蔽像素，用来模拟理想四波光栅的透射率，而相位棋盘则是一个透明基板，其上0和π的相位调制交替排列。随机编码混合光栅的夫琅和费衍射图样仅包含中心的四个级次，从而消除了周期性的泰伯效应对观察距离的影响，并能实现连续变化的横向剪切^[18]。这一创新不仅提高了四波前横向剪切干涉在各位光学系统中的适用性，还为需要更高测量精度的定量相位成像提供了可能。

文中对四波前横向剪切干涉波前成像技术的最新进展进行综述，探讨其技术优势，并展望其在光学检测、生物医学等领域的应用前景。通过深入了解这一技术，期望为相关领域的研究者提供新的视角和思路。

四波前横向剪切干涉相位成像原理及波前重构方法

如图1所示，四波前横向剪切干涉相位成像原理是：当输入波前通过二维衍射光栅时，波前被复制成四个以略微不同方向传播的倾斜波前，每个波前均保留有原始波前的相位分布信息。由于四个波前之间存在倾斜角，它们在相机传感器上生成的干涉图会呈现出网格状的点阵图案。当输入波前偏离平面波时，这些亮点的位置也会相较于规律的点阵图案有所畸变。波前复制的方式可以为光栅、剪切镜或其他分光元件。相对于其他方法，光栅方法更容易控制偏转精度。根据光栅衍射四个波前的能力不同，四波前横向剪切干涉包括交叉光栅横向剪切干涉仪 (Crossgrating Lateral Shearing Interferometer, CGLSI)^[19−20]、基于改进的哈特曼掩膜 (Modified Hartmann Mask, MHM) 的四波前横向剪切干涉仪^[21−23]和基于随机编码混合光栅的四波前横向剪切干涉仪^[16−18]。

交叉光栅横向剪切干涉仪使用普通的二维振幅光栅生成不同的衍射级次^[19]。光栅由周期性阵列的方形孔组成，典型的光栅节距为几微米到几十微米。当输入波前照射光栅时，光栅会将光衍射成多个级次，包括在x和y方向上的±1级次。对于不需要的衍射级次，如零级和高阶分量，交叉光栅横向剪切干涉仪需要在透镜的傅里叶焦平面放置额外的级次选择窗口^[20]。级次选择窗口仅通过±1级次，同时阻挡其他级次。然而，级次选择窗口的需求增加了系统的复杂性，并限制了光栅参数和待测光学系统放大倍数的灵活度。

改进的哈特曼掩膜则结合了二维振幅光栅和相位棋盘，以减少不需要的衍射级次^[22−23]，其中相位棋盘由周期性间隔排列相移为π的方格组成，周期是振幅光栅的两倍，这种棋盘式的相位调制可以消除零级衍射。此外，通过将振幅光栅的占空比优化到2/3(即孔的尺寸为光栅栅距的2/3)，改进的哈特曼掩膜还可以抑制±3级的衍射分量。通过消除零级和相邻的±3级分量，改进的哈特曼掩膜可以显著提高干涉图的对比度，并消除了系统中对级次选择窗口的需求，使系统更紧凑和灵活。

由于理想的正弦透过率分布只会产生所需的±1衍射级次，随机编码混合光栅通过近似理想的正弦透过率分布进一步改进了光栅设计^[17]。随机编码混合光栅由二维二元振幅光栅和类似于改进哈特曼掩膜的相位棋盘叠加而成。然而，随机编码混合光栅不使用周期性振幅光栅，而是采用伪随机编码方案逼近理想的正弦透过率分布。振幅光栅由众多微小像素组成，通常尺寸为1～2μm，每个像素根据理想正弦透过率分布随机设置为0(阻挡)或1(通过)^[18]。随机编码光栅的设计方案打破了振幅光栅的周期结构，最小化了周期结构导致的伪影和不需要的衍射级次，因此可以产生高对比度的四波前横向剪切干涉图，增强了相位恢复过程的准确性和鲁棒性，可在不同参数的光学系统中用同一块光栅实现高质量波前重建。在获得四波前横向剪切干涉图后，需要通过计算反推出原始的待测波前分布，其相位恢复过程主要包括两个步骤。如图2所示，首先，通过对由四个倾斜波前干涉产生的干涉图做傅里叶变换，提取正交方向(x和y)+1级；在此基础上做逆傅里叶变换，并使用Goldstein、质量图或差分平准相位展开^[16]等算法进行相位解包裹，可以获得在x和y两个方向上的剪切波前，而从展开的剪切波前中恢复原始波前，可以使用差分Zernike多项式拟合方法^[24]或基于傅里叶变换的算法^[25−26]。差分Zernike多项式拟合可以有效抑制随机噪声，但会过滤掉高频信息，而傅里叶变换方法则可以保留高频信息。对于小剪切量的情况，通过将剪切波前近似为偏导数，可以在傅里叶频域中重建原始波前；而对于大剪切量的情况，则可使用基于最小二乘法重建原始波前。

1.1

差分 Zernike 多项式拟合位相重建算法

原始波前函数W(x, y)可以表示为如下的N项 Zernike多项式：

在由极径ρ和极角θ所表示的极坐标中，Zernike多项式可以写成如下形式：

1.2

波前微分傅里叶变换位相重建算法

1.3

大剪切率傅里叶变换位相重建算法

四波前横向剪切干涉波前传感的应用

四波前横向剪切干涉仪因其独特的优势，如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率和与现有显微系统的兼容性，已成为一种强大且多用途的工具，在科研和工业领域中有广泛的应用空间。四波前横向剪切干涉仪最初用于传统的光学车间检验，包括光学元件测试、激光束评估以及自适应光学，后来其应用范围扩展到了生物医学成像、纳米颗粒定位、超表面和温度梯度的表征。四波前横向剪切干涉仪的紧凑设计使其易于与现有显微系统集成，而其鲁棒性则体现在即使在高振动环境下也能保持精确的干涉灵敏度。此外，四波前横向剪切干涉仪能够进行单次拍摄测量，从而捕捉快速动态过程。在生物医学研究领域，四波前横向剪切干涉仪已被用于对多种活细胞的无标记、高分辨率、实时成像，如COS-7^[14]、HT1080细胞^[27]、RPE 细胞^[28]、CHO细胞^[15]、HEK细胞和神经元^[29]。此外，四波前横向剪切干涉仪还被用于相位延迟成像，提供强对比度以可视化各向异性的组织和亚细胞结构^[27]，如胶原纤维^[30]和细胞骨架^[15]。该技术还扩展到X射线^[31]、中波红外 (Mid-wavelength Infrared, MWIR)和长波红外(Long-wavelength Infrared, LWIR) 区域的相位成像^[32]，进一步展示了其在跨学科应用中的潜力。此外，四波前横向剪切干涉波前传感技术在最近的研究中广泛应用于超表面^[33] 和二维材料的表征^[34]，展示了其在光学和材料科学中的诸多用途和潜在价值。

2.1

光学元件测量及比对

对于四波前横向剪切干涉仪在光学元件测量中应用，浙江大学研发团队在2015年有详细介绍^[18]。在实验过程中，使用基于随机编码混合光栅的四波前横向剪切干涉仪测试了两种不同的胶合双胶镜，并将结果与ZYGO GPI干涉仪的测量结果进行了比较。如图3所示，对于焦距为50mm的双胶镜，使用剪切比为 0.066的REHG，得到了峰谷(PV)像差为2.80λ，均方根 (RMS) 像差为0.731λ。相比之下，ZYGO GPI干涉仪对同一双胶镜测得的峰谷像差为2.84λ，均方根像差为0.699λ。第二块测试的双胶镜焦距为90mm，表现出更小的像差。为了提高检测灵敏度，笔者将剪切比增加到0.119。使用基于随机编码混合光栅的四波前横向剪切干涉仪，获得了峰谷像差为0.152λ，均方根像差为0.035λ。而ZYGO GPI涉仪测得该双胶镜的峰谷像差为0.147λ，均方根像差为0.033λ。

实验结果表明，使用四波前横向剪切干涉仪获得的像差测量结果与 ZYGO GPI干涉仪的结果非常接近，验证了基于随机编码混合光栅的四波前横向剪切干涉在光学元件测试中的准确性和可靠性。鉴于四波干涉传感器是利用最新的随机编码数字光栅技术，利用自身的四波前横向剪切干涉形成共光路干涉系统，其有广泛的应用前景，为了使其在国防、国民经济领域具有更广泛的国产化应用，便于了解该干涉传感器的原理，其最直观理解可以为四波干涉传感器(Four-wave Interferometric Sensor,FIS4)，以下简称FIS4干涉传感器。由于系统自干涉，无需参考镜、结构紧凑、具有很强的抗外界环境干扰能力，无须在隔振、恒温等严苛的实验条件下就可以对待测波前实现高精度且稳定的检测；利用剪切差分干涉，使系统具有较大的动态范围和更广泛的应用；FIS4干涉传感器配备了500万像素的相机，具有FIS4高精度波前重构的数字图像处理软件，根据不同的应用可以输出被测波前或精密元件表面面形的PV值、RMS均方根值、等高图及三维图等丰富的数据图像。

后续对FIS4干涉传感器最普遍的应用方向：用于生物领域的3D活体细胞成像、分辨三维定位、四波剪切的白光轮廓仪检测、激光波前及高速流场检测、自适应光学系统应用等给出应用实例。

2.2

活细胞成像

四波前横向剪切干涉相位成像最突出的应用之一是活细胞成像，可提供无标记、高分辨率、宽视场的实时成像^[16]，并具有定量相位信息。通过捕捉由培养液、细胞质和各种细胞器之间折射率差异引起的相位差，四波前横向剪切干涉能够无创观察细胞的结构和动态，无需外源标记物，消除了与荧光显微镜相关的光漂白和光毒性问题。根据笔者以及其他团队的研究表明，四波前横向剪切干涉能够揭示亚细胞结构，如囊泡、褶皱和片状伪足^{[14−15, 27−28]}，并具有纳米级光学路径差异的灵敏度^[16]。此外，四波前横向剪切干涉相位成像与标准倒置显微镜的兼容性及其实时成像能力，使其成为监测细胞过程和动态的有力工具，包括红细胞膜的涨落^[16] 以及 RPE 细胞的运动^[28]。

图4为利用四波前横向剪切干涉相位成像的设计新颖的3D活体细胞显微镜，其核心器件采用了FIS4干涉传感器。图4(a) 为C型正倒置合金台3D活体细胞显微镜倒置模式 (按照传统显微镜物镜下定义；) 图4(b) 为显微镜成像光路；图4(c) 为显微镜正置模式。显微镜成像光路简洁明了，可见光通过照明系统射入培养皿，光束通过置于培养液中的活体细胞，再进入显微物镜、成像镜后射入由观察相机和FIS4干涉传感器组成的双相机成像系统，利用不同的相机可以分别输出样本的2D图像，利用FIS4干涉传感器可以输出样本的3D图像。C型正倒置合金台活体细胞显微镜可以利用XYZ电动工作台对细胞进行精密对准和检测，C型正倒置合金台具有比传统显微镜更小、更紧凑的外廓尺寸，便于携带和检测。倒置模式(图4(a))和正置模式(图4(c))的区别是倒置模式是物镜在下部，其光路与传统的倒置显微镜类同。当测量的细胞尺度或细菌尺度很小时，如果利用大数值孔径的浸油物镜，可以将C型正倒置合金台活体细胞显微镜翻转180°，则浸油物镜就处于上半部，注入的浸油在载玻片，避免了倒置显微镜无法使用浸油物镜的弊端。

图5为利用FIS4干涉传感器研发的3D活体细胞显微镜观察的红细胞动态。

由于显微镜具备对活体细胞进行免标记3D成像的特点，可以在各个阶段对活体细胞培养过程中的形态具有监测功能。对细胞形态、尺寸、活性特点进行监测研究，图6为20倍放大倍率下ESC活细胞自噬过程中的不同时间的状态变化，等高图中圆圈虚线所标注的分别为细胞在0、4、8h时的细胞形态变化。显微镜所采集的细胞对象具有免标记、不破坏细胞内部结构的特点，因此可以实现长时间的活体细胞的3D成像。从系统干涉图解调得到细胞3D图具备定量相位计算的特点，3D图、等高图可用于活体细胞培养过程中的细胞计数、尺寸、体积、干重等目标的研究。

2.3

超分辨三维定位

四波前横向剪切干涉相位成像在超分辨显微镜和热成像中有全新的应用。在超分辨成像方面，研究人员利用四波前横向剪切干涉相位成像中伴随轴向离焦的相位变化(图7)，实现了金纳米颗粒的三维纳米级定位^[35]。该方法在CHO细胞的直接随机光学重建显微镜(Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,dSTORM) 成像中实现了纳米级的漂移补偿，使得纤丝状肌动蛋白的横向分辨率达到1nm，定位精度为0.7nm×0.7nm×0.7nm。在热成像方面，四波前横向剪切干涉相位成像可用于观察与温度变化相关的介质折射率变化。研究人员成功地表征了激光束照射下金纳米颗粒阵列的热分布，展示了快速、无标记的热成像，具有衍射极限的分辨率^[36]。这些应用突显了四波前横向剪切干涉相位成像在推动纳米尺度显微成像和材料表征技术方面的潜力。

2.4

四波剪切的白光轮廓仪检测

利用四波前横向剪切干涉技术的FIS4干涉传感器不但可以用于透射式活体细胞的显微成像，同样利用反射成像原理，也可以将其用于微观轮廓检测，即为FIS4白光轮廓技术。图8(a) 为四波剪切的白光轮廓仪光路示意图，LED白光光源通过照明系统、分光镜，进入显微物镜后照射到精密元件表面，带有被检面微观信息的反射光经分光镜后射入由观察相机和FIS4干涉传感器组成的双相机成像系统，利用不同相机可以分别输出被检样本的2D图像，利用FIS4干涉传感器可以输出样本的3D图像。图8(b)为便携式FIS4白光轮廓仪，系统配备有XYZ的三维移导调整及俯仰、偏摆调整机构，可以实现目标与设备检测光轴的对准，并可安置在三脚架上对不同检测目标 (如大口径光学元件、大口径光窗) 实现任意方位的调整检测。系统自干涉无需参考镜、结构紧凑、具有很强的抗外界环境干扰能力，无须在隔振、恒温等严苛的实验条件下就可以对待测波前实现高精度且稳定的检测，因此特别适合于车间、户外等环境的表面微观形貌测量检测。

利用显微系统可实现光学元件表面的各种微观特征 (如划痕类缺陷宽度、深度、表面粗糙度) 的检测。利用双相机成像系统，2D相机具有大视场的特点，可以快速寻找到表面微观特征信息，而数字波前干涉传感器可以实现划痕深度的3D检测。图9(a)为FIS4白光轮廓仪检测样品表面所具有的凸出圆环局部等高图及3D图。图9(b)为对熔石英板利用电子束曝光和离子刻蚀在表面制作的标准刻线进行检测，对该刻线进行微观的深度检测，可以检测表面标准刻线等高图和3D图。从图9(b)可以看到，熔石英板表面标准刻线的深度PV值约为258nm ，该刻线深度经过台阶仪标定，约为250nm。

图10(a)为FIS4白光轮廓仪检测得到的光学元件表面等高图及表面粗糙度，可检测得到光学元件表面粗糙度约为4.7nm。图10(b)为块规表面等高图及表面微观形貌，可检测得到块规表面PV值约为27nm。由此可见，利用FIS4干涉传感器构建的反射式白光轮廓仪，可以对一些精密表面的微观形貌和轮廓进行实时的在线测量，而且由于其共路干涉的稳定性，适合于现场及外场的检测。

2.5

激光波前及高速流场检测

激光波前检测是一种用于测量激光波前质量的技术，可提供激光的相位信息，可广泛应用于光学系统设计和制造、激光器设计和制造、光学成像和显微技术等领域，利用波前传感器可以评估和测试光学元件和系统的性能、激光器的设计和优化、测量和改善成像的质量和分辨率等。在一些大科学装置中，如激光核聚变的科学装置，激光束的质量和形状对聚变效率和稳定性有重要影响，波前检测的主要目标是确保激光束在目标上产生均匀和集中的热量，这需要使用高精度和高分辨率的波前传感器，以及精确的波前重建算法，由此波前检测技术需要满足高精度、高分辨率等要求。综上所述，具有现场抗振、实时、高取样分辨率的 FIS4四波干涉传感器来进行波前检测是非常适合的。图11为 FIS4用于激光波前检测和分析的光路示意图。激光器经过准直扩束系统射入被测光学系统，携带有被测系统的波前经过缩束系统射入FIS4干涉传感器。图12为FIS4 用于激光波前检测，图12(a) 为对351nm波长、口径100mm的大口径波前检测结果，图12(b) 是对1053nm近红外波长、口径100mm的大口径波前检测结果。从图12可以看出，在口径100mm、351nm波长的激光束PV值约为96nm，1053nm近红外波长激光束PV值约为88nm。

为了验证FIS4干涉传感器在激光波前检测中的可靠性，专门制作了如图13(a)所示的熔石英环形凸台标定板，利用台阶仪对熔石英环形凸台标定板进行了检测，高度H≈123nm。利用图11的光路，将标定板置于平行光光路中，利用氦氖激光束测量得到波前PV值约为63nm。根据熔石英在氦氖激光波段的折射率约为1.4570，可以计算得到经过凸台高度H及空气中的光程差约为56nm，仅为几个nm的偏差，足见FIS4四波干涉传感器对激光波前检测的准确性。

此外，在高温等离子体流场环境下的气动光学效应研究领域，高温等离子体流场环境对光学测量技术提出了极高的挑战。在这种环境下，高温等离子体会导致大量的光学畸变，这些畸变被称为气动光学效应。这些效应主要由等离子体流场的温度、压力和密度梯度引起，会导致光波前的畸变，从而影响光学测量的精度。通过高速绕流场的目标光线由于气动光学效应而造成目标图像的抖动、模糊、偏移和能量衰减，其本质是光波波前受流场扰动而产生了畸变。因此，理论研究及实验验证高速绕流场的变化规律是气动光学效应研究的一个重要环节，FIS4四波干涉传感器是一个很好的选择，其使得检测光路紧凑又稳定。图14为一个FIS4干涉传感器用于风洞高速流场的光路布局示意图，Z轴为光轴方向，风洞流速方向为X方向，测试激光束穿过风洞的窗口射入缩束系统和成像系统，进入FIS4干涉传感器，获取高速流场瞬态的流场变化信息。

2.6

自适应光学系统应用

自适应光学 (Adaptive Optics, AO) 是一种实时补偿光学系统波前误差的技术，其核心是通过动态调整光学系统中的元件 (如变形镜或液晶空间光调制器) 来改变输入光的波前形状，以提高光学系统的成像质量或光束质量。AO系统的应用领域非常广泛，包括天文观测、激光通信、医学成像、精密制造等。如在天文观测中，地球大气对光的传播会产生波前畸变，导致星光在进入望远镜时质量下降。AO系统可以实时补偿这种波前畸变，提高望远镜的观测质量。在医学成像中，如眼科成像 (如光学相干断层扫描(OCT)) 和生物显微镜成像等应用中，生物组织对光的散射和折射会导致波前畸变，影响成像质量，AO系统可以实时补偿这种畸变，提高成像分辨率和对比度。此外，AO系统也在激光武器、光学检测、光学测量等领域都具有广泛应用。图15为FIS4 干涉传感器在AO系统中的应用的光路示例。光源根据不同的需要，可以是可见光或激光，经过扩束系统射入空间光调制器 (或变形镜)，经反射后射入FIS4干涉传感器，传感器获取波前信息后，将该信息反馈至空间光调制器，空间光调制器及时进行调整，最终将理想的波前状态经成像镜射入观察相机，由此完成闭环控制。

根据上述光路，利用FIS4干涉传感器与空间光调制器组合完成了在AO系统中的应用实验。图16(a)为空间光调制器输入产生一个PV=0.49μm的波前，图16(b)为FIS4干涉传感器检测得到的结果，PV=0.498 μm。图17(a)为空间光调制器输入波前 PV=0.98μm的彗差，图17(b)为利用FIS4干涉传感器检测得到 PV=0.966μm的彗差。图18(a)为空间光调制器输入一个球差校正函数取反的波前PV=2.46μm的球差，图18(b)为FIS4干涉传感获取的检测结果PV=2.434μm的球差。经过多次实验，验证了 FIS4干涉传感器与空间光调制器组成的闭环系统，可以很好地实现自适应系统的应用。

结论

全面介绍了四波前横向剪切干涉相位成像技术的原理、发展历程、波前重构方法以及其FIS4干涉传感器广泛的应用。通过对比分析不同的光栅设计，如交叉光栅横向剪切干涉仪、改进的哈特曼掩膜和随机编码混合光栅，凸显了随机编码混合光栅在消除不需要的衍射级次、提高干涉图质量方面的优势。此外，详细阐述了波前重构的两个关键步骤：剪切波前提取以及从剪切波前恢复原始波前的不同算法。最后，广泛探讨了四波前横向剪切干涉相位成像技术在光学元件测量、活细胞成像、超分辨三维定位以及热成像等领域的应用，展示了其作为一种跨学科多用途工具的潜力。

FIS4干涉传感器利用四波前横向剪切干涉相位成像技术，凭借其独特的优势，如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率以及与现有显微系统的兼容性，在生物医学、光学测量、材料表征等众多领域展现出广阔的应用前景。随着设计的不断改进和波前重构算法的优化，四波前横向剪切干涉相位成像技术有望在未来实现更高的测量精度和成像质量，进一步拓展其应用范围，其良好的抗振性能和在线检测的能力在光刻物镜波前检测中也有一定的应用潜力。这一技术的发展不仅为相关领域提供了新的研究工具，也为跨学科的创新和发现开辟了新的可能性。

参考文献