專利名稱：基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于干涉法進(jìn)行波前測(cè)量的波前傳感器，特別是一種基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法(CRS-SPS)的波前傳感器。

背景技術(shù)：
目前在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)之中，哈特曼波前傳感器的應(yīng)用較為廣泛。為了提高測(cè)量精度，則需要增加哈特曼波前傳感器的子孔數(shù)目，而每個(gè)子孔徑又對(duì)應(yīng)一定數(shù)目的CCD像素?cái)?shù)目，因此在CCD靶面上需要更多的像素，對(duì)CCD相機(jī)提出了較高的要求。
在基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器中CCD靶面上的每個(gè)像素可以看成一個(gè)子孔徑，這樣每個(gè)像素即可直接對(duì)應(yīng)波前的一部分，當(dāng)入射波面口徑增大時(shí)，與哈特曼波前傳感器相比，可以有效的降低CCD相機(jī)的像素?cái)?shù)，并且有效的提高波前探測(cè)的空間分辨率。
James Notaras等人在文章“Demonstration of closed-loop adaptive optics witha point-diffraction interferometer in strong scintillation with opticalvortices”O(jiān)ptics Express.15(21)13745~13756中描述了采用點(diǎn)衍射四步空間移相干涉儀做波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，由于針孔濾波器的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)光能利用率不高，獲得的干涉條紋對(duì)比度低，從而使得波前探測(cè)精度受到限制；同時(shí)，參考光束波前不是平面波前也使得系統(tǒng)單次波前測(cè)量精度不高，參考光束與待測(cè)光束的不共路也將導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)環(huán)境振動(dòng)較為敏感。
基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器在以上背景基礎(chǔ)上，采用環(huán)路徑向剪切與四步空間移相干涉相結(jié)合的方法，有效的回避了由于針孔的存在導(dǎo)致的光能利用率低、干涉條紋對(duì)比度低、需要平面參考波前的缺點(diǎn)，同時(shí)，環(huán)路剪切干涉的共光路特性也提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的抗震性能。新的波前傳感器干涉條紋對(duì)比度可以簡單的通過旋轉(zhuǎn)起偏器的起偏角調(diào)節(jié)，方便實(shí)際操作和使用；待測(cè)畸變波前計(jì)算簡單、快速、準(zhǔn)確，對(duì)環(huán)境要求較低，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，將環(huán)路徑向剪切干涉原理與四步空間移相干涉原理相結(jié)合，克服各自的缺點(diǎn)，綜合利用二者的優(yōu)勢(shì)，使得新的波前傳感器光能利用率高，干涉條紋對(duì)比度可調(diào)，抗震性能好，無需參考光束且波前計(jì)算簡單、快速、準(zhǔn)確。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法(CRS-SPS)的波前傳感器包括透鏡L1和L2組成的縮束系統(tǒng)，調(diào)節(jié)干涉條紋對(duì)比度的起偏器P1，偏振分束鏡PBS1、反射鏡M1和M2、透鏡L3和L4組成的環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)(CRS)，分光鏡BS、反射鏡M3和M4、偏振分束鏡PBS2、1/4波片QW1、QW2和QW3組成的四步空間移相系統(tǒng)(SPS)，反射鏡M5、M6和M7組成的光束編排系統(tǒng)，CCD以及計(jì)算機(jī)C組成。
畸變光束進(jìn)入基于四步空間相移環(huán)路徑向剪切干涉儀(SPS-CRSI)的波前傳感器，利用縮束系統(tǒng)進(jìn)行光束口徑變換，設(shè)透鏡L1、L2的焦距分別為f1和f2，入射畸變光束口徑為A1，則縮束后光束口徑A2，且A2＝A1f2/f1。起偏器P1對(duì)縮束光束沿水平和垂直方向偏振分量的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)P1的起偏角為θ，則沿水平方向和垂直方向偏振分量的光強(qiáng)比η1如(8)式所示 η1＝1/tanθ (8) 調(diào)制后的光束進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)(CRS)后，首先經(jīng)偏振分束鏡PBS1分成沿水平方向振動(dòng)的反射線偏光B||和沿垂直方向振動(dòng)的透射線偏光B⊥；B||經(jīng)過反射鏡M1后進(jìn)入由透鏡L3和L4組成的擴(kuò)束系統(tǒng)，設(shè)L3、L4的焦距為f3和f4，則擴(kuò)束后的口徑A3＝A2f4/f3，經(jīng)過反射鏡M2反射后進(jìn)入PBS1中，由于其偏振方向沿水平方向，因此被全部反射進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)(SPS)；透射偏振光B⊥經(jīng)過反射鏡M2后進(jìn)入由透鏡L4和L3組成的縮束系統(tǒng)，縮束后的口徑A4＝A2f3/f4，經(jīng)過反射鏡M1反射后進(jìn)入PBS1中，由于其偏振方向沿垂直方向，因此全部透射進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)(SPS)；最終，縮束光束進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)(CRS)后輸出兩束同光軸、偏振方向相互垂直且光束口徑分別為A3和A4的線偏光，設(shè)剪切光束的剪切比為s，則有 s2＝A4/A3＝(f3/f4)2 (9) 環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)輸出的徑向剪切光束進(jìn)入四步移相空間移相系統(tǒng)(SPS)后，首先經(jīng)過分光鏡BS分成透射剪切光束對(duì)a和反射剪切光束對(duì)b；光束對(duì)a經(jīng)過快軸方向與水平方向成0°角的1/4波片QW2和快軸方向與水平方向成45°角的1/4波片QW3后進(jìn)入偏振分光鏡PBS2，被分成偏振方向相互垂直的透射和反射剪切光束對(duì)，表示為1a和2a；光束對(duì)b經(jīng)過快軸方向與水平方向成45°角的1/4波片QW1后進(jìn)入偏振分光鏡PBS2，被分成偏振方向相互垂直的透射和反射剪切光束對(duì)，表示為1b和2b。
由1/4波片原理可知，當(dāng)入射光的光矢量與波片快軸平行時(shí)，1/4波片不能改變?nèi)肷涔獾南辔环植?；而入射光的光矢量與波前快軸有一點(diǎn)夾角時(shí)，1/4波片使得兩個(gè)互相垂直的光矢量間引入一定的相位延遲，且波片只能改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，而不改變其光強(qiáng)。若入射線偏光的光矢量與波片快軸成45°時(shí)，將得到圓偏光。本發(fā)明中，采用瓊斯矩陣表示法來表示光路中1/4波片以及偏振分束鏡對(duì)出射光波狀態(tài)作用效果。
快軸與水平方向成0°和45°的1/4波片的瓊斯矩陣分別表示為Q0和Q45，光束經(jīng)過PBS2后透射和反射光束的瓊斯矩陣分別表示為P0和P45，Q0、Q45、P0和P45分別如(10)式所示 設(shè)出射剪切光束對(duì)1a、2a、1b和2b所經(jīng)過光路的瓊斯矩陣分別為A1、A2、B1和B2，分別如(11)式所示 設(shè)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS出射剪切光束在剪切區(qū)域的相位差分布為Δφ(x，y)，則經(jīng)過四步空間移相系統(tǒng)后出射的四對(duì)剪切光束對(duì)1a、1b、2a、2b在剪切區(qū)域的相位差分布分別為Δφ(x，y)、Δφ(x，y)+π/2、Δφ(x，y)+π和Δφ(x，y)+3π/2。
線偏光經(jīng)過快軸與水平方向成45°角的1/4波片后形成左旋或右旋的圓偏光，經(jīng)過PBS后，形成同光軸但不同口徑的四對(duì)徑向剪切光束對(duì)，且每對(duì)光束的偏振態(tài)相同，從而能夠在干涉區(qū)域形成干涉條紋。
通過反射鏡M5~M7對(duì)四對(duì)徑向剪切光束對(duì)進(jìn)行空間編排，其中，2a和1b經(jīng)過反射鏡M5的反射進(jìn)入CCD中，形成兩幅干涉條紋圖；1a和2b經(jīng)過M6的反射形成向下傾斜的光束，產(chǎn)生一定量的高度差后經(jīng)過反射鏡M7后進(jìn)入CCD的不同區(qū)域形成干涉條紋。
設(shè)入射到CCD光敏面的四個(gè)獨(dú)立區(qū)域中的4幅干涉條紋圖光強(qiáng)分布分別為I1a(x，y)、I1b(x，y)、I2a(x，y)和I2b(x，y)，利用(13)式即可計(jì)算出經(jīng)過徑向剪切系統(tǒng)CRS后剪切光束的纏繞相位差分布Δφ(x，y) 利用文獻(xiàn)”Robust phase-unwrapping techniques acomparison”，J.Opt.Soc.Am.A.1996，13(12)2355-2366中的方法對(duì)(13)式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行解纏繞，從而可以得到解纏繞后的剪切相位差分布Δφ(x，y)。
設(shè)原始光束畸變波前為φ0(x，y)，并可以用Zernike正交基線性表示為(12)式 其中，ak表示第k階Zernike系數(shù)。
根據(jù)(12)式可以得出(13)式 其中， ΔZk(x，y)＝Zk(x·s，y·s)-Zk(x/s，y/s)，x，y∈A4…….…………...(14) 對(duì)(13)式利用最小二乘法求出ak，k＝0，1，2…N后帶入(12)式中，即可求解原始光束畸變波前相位分布φ0(x，y)。
縮束和擴(kuò)束透鏡組合L3和L4，可以用共焦點(diǎn)在透鏡同一側(cè)的正-負(fù)透鏡組成，也可以用共焦點(diǎn)在兩透鏡之間的正-正透鏡組成。
CCD所探測(cè)到的四幅干涉條紋對(duì)比度K可以通過旋轉(zhuǎn)起偏器P1的起偏角θ進(jìn)行調(diào)節(jié)，如(15)式所示 光束編排系統(tǒng)，可以采用M5～M7將四對(duì)徑向剪切光束對(duì)編排后入射到單個(gè)CCD的四個(gè)獨(dú)立區(qū)域完成干涉條紋圖的采集(如圖1所示)；也可以省去M5～M7，直接將徑向剪切光束對(duì)入射到2個(gè)CCD中，在每個(gè)CCD中形成兩幅獨(dú)立的干涉條紋圖如圖2所示。
本發(fā)明的原理畸變光束進(jìn)入波前傳感器，利用縮束系統(tǒng)變換光束口徑，起偏器對(duì)光束偏振方向進(jìn)行調(diào)制；再進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS，形成同光軸、偏振方向互相垂直且光束口徑按相同比例縮放的兩束光；該兩光束進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)后被分成四對(duì)同軸光束，每對(duì)同軸光束偏振方向相同且它們之間相位差分別為0、π/2、π、3π/2；四對(duì)同軸光束經(jīng)光束編排后同時(shí)進(jìn)入CCD的光敏面，形成四幅徑向剪切干涉圖，計(jì)算機(jī)根據(jù)四幅干涉圖數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次矩陣運(yùn)算后即可復(fù)原出待測(cè)光束畸變波前。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn) (1)與傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器相比，本發(fā)明采用環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法，CCD的每一個(gè)像素都可以看成一個(gè)子孔徑，因此，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)畸變波前的一部分，提升了波面探測(cè)的精度和空間分辨率。
(2)傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器通過測(cè)量各子孔徑區(qū)域內(nèi)光斑質(zhì)心偏移來反映畸變波前的斜率分布信息，相比較而言，采用基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)直接反映畸變波前信息，省去了波前復(fù)原的過程。
(3)傳統(tǒng)的徑向剪切干涉法使用傅立葉變換法去處理一幀加有載頻的干涉條紋圖，算法的計(jì)算量較大，且波前復(fù)原精度低。比較而言，基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器，僅需兩次矩陣運(yùn)算，算法簡單，數(shù)據(jù)處理快速，算法精度較高。
(4)與傳統(tǒng)的點(diǎn)衍射相移干涉法相比，采用基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器，光能利用率較高，可以獲得較高的干涉條紋對(duì)比度且對(duì)比度可調(diào)，不需要平面參考波前，單次測(cè)量精度較高。
(5)采用基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器，兩束相干光束共光路，抗震性能較好。
(6)與傳統(tǒng)的采用移相器的時(shí)間移相干涉法相比，采用基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法的自參考波前傳感器可同時(shí)完成四步移相，波前探測(cè)實(shí)時(shí)性較高。
總之，本發(fā)明將環(huán)路徑向剪切干涉原理和四步空間相移干涉原理相結(jié)合，具有較高空間分辨率；本發(fā)明不需要參考光束，降低了復(fù)雜性；環(huán)路徑向剪切干涉法的共光路特性增強(qiáng)了系統(tǒng)抗振能力；采用偏振光進(jìn)行干涉，提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的抗干擾能力的同時(shí)，也賦予了系統(tǒng)干涉圖對(duì)比度可調(diào)節(jié)能力；四步空間移相干涉法不僅可以提高波前測(cè)量的精度，也增強(qiáng)了波前測(cè)量的實(shí)時(shí)性；采用單個(gè)CCD進(jìn)行干涉圖的采集，克服了CCD的差異性導(dǎo)致的波前測(cè)量精度的下降。本發(fā)明擴(kuò)大了采用干涉法波前傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)越性明顯。



圖1為基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法(CRS-SPS)的波前傳感器光路原理示意圖(單CCD)。
圖2為基于環(huán)路徑向剪切-四步空間相移干涉法(CRS-SPS)的波前傳感器光路原理示意圖(雙CCD)。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示，畸變光束進(jìn)入基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，利用縮束系統(tǒng)進(jìn)行光束口徑變換，設(shè)透鏡L1、L2的焦距分別為f1和f2，入射畸變光束口徑為A1，則縮束后光束口徑A2，且A2＝A1f2/f1。起偏器P1對(duì)縮束光束沿水平和垂直方向偏振分量的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)P1的起偏角為θ，則沿水平方向和垂直方向偏振分量的光強(qiáng)比η1如 (16)式所示 η1＝1/tanθ(16) 調(diào)制后的光束進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)(CRS)后，首先經(jīng)偏振分束鏡PBS1分成沿水平方向振動(dòng)的反射線偏光B||和沿垂直方向振動(dòng)的透射線偏光B⊥；B||經(jīng)過反射鏡M1后進(jìn)入由透鏡L3和L4組成的擴(kuò)束系統(tǒng)，設(shè)L3、L4的焦距為f3和f4，則擴(kuò)束后的口徑A3＝A2f4/f3，經(jīng)過反射鏡M2反射后進(jìn)入PBS1中，由于其偏振方向沿水平方向，因此被全部反射進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)(SPS)；透射偏振光B⊥經(jīng)過反射鏡M2后進(jìn)入由透鏡L4和L3組成的縮束系統(tǒng)，縮束后的口徑A4＝A2f3/f4，經(jīng)過反射鏡M1反射后進(jìn)入PBS1中，由于其偏振方向沿垂直方向，因此全部透射進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)(SPS)；最終，縮束光束進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后輸出兩束同光軸、偏振方向相互垂直且光束口徑分別為A3和A4的線偏光，設(shè)剪切光束的剪切比為s，則有 s2＝A4/A3＝(f3/f4)2 (17) 徑向剪切系統(tǒng)輸出的徑向剪切光束進(jìn)入四步移相空間移相系統(tǒng)(SPS)后，首先經(jīng)過分光鏡BS分成透射剪切光束對(duì)a和反射剪切光束對(duì)b；光束對(duì)a經(jīng)過快軸方向與水平方向成0°角的1/4波片QW2和快軸方向與水平方向成45°角的1/4波片QW3后進(jìn)入偏振分光鏡PBS2，被分成偏振方向相互垂直的透射和反射剪切光束對(duì)，表示為1a和2a；光束對(duì)b經(jīng)過快軸方向與水平方向成45°角的1/4波片QW1后進(jìn)入偏振分光鏡PBS2，被分成偏振方向相互垂直的透射和反射剪切光束對(duì)，表示為1b和2b。
由1/4波片原理可知，當(dāng)入射光的光矢量與波片快軸平行時(shí)，1/4波片不能改變?nèi)肷涔獾南辔环植?；而入射光的光矢量與波前快軸有一點(diǎn)夾角時(shí)，1/4波片使得兩個(gè)互相垂直的光矢量間引入一定的相位延遲，且波片只能改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，而不改變其光強(qiáng)。若入射線偏光的光矢量與波片快軸成45°時(shí)，將得到圓偏光。本發(fā)明中采用瓊斯矩陣表示法來表示光路中1/4波片以及偏振分束鏡對(duì)出射光波狀態(tài)作用效果。
快軸與水平方向成0°和45°的1/4波片的瓊斯矩陣分別表示為Q0和Q45，光束經(jīng)過PBS2后透射和反射光束的瓊斯矩陣分別表示為P0和P45，Q0、Q45、P0和P45分別如(18)式所示 設(shè)出射剪切光束對(duì)1a、2a、1b和2b所經(jīng)過光路的瓊斯矩陣分別為A1、A2、B1和B2，分別如(19)式所示 設(shè)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS出射剪切光束在剪切區(qū)域的相位差分布為Δφ(x，y)，則經(jīng)過四步空間移相系統(tǒng)后出射的四對(duì)剪切光束對(duì)1a、1b、2a、2b在剪切區(qū)域的相位差分布分別為Δφ(x，y)、Δφ(x，y)+π/2、Δφ(x，y)+π和Δφ(x，y)+3π/2。
線偏光經(jīng)過快軸與水平方向成45°角的1/4波片后形成左旋或右旋的圓偏光，經(jīng)過PBS后，形成同光軸但不同口徑的四對(duì)徑向剪切光束對(duì)，且每對(duì)光束的偏振態(tài)相同，從而能夠在干涉區(qū)域形成干涉條紋。
通過反射鏡M5～M7對(duì)四對(duì)徑向剪切光束對(duì)進(jìn)行空間編排，其中，2a和1b經(jīng)過反射鏡M5的反射進(jìn)入CCD中，形成兩幅干涉條紋圖；1a和2b經(jīng)過M6的反射形成向下傾斜的光束，產(chǎn)生一定量的高度差后經(jīng)過反射鏡M7后進(jìn)入CCD的不同區(qū)域形成干涉條紋。
設(shè)入射到CCD光敏面的四個(gè)獨(dú)立區(qū)域中的4幅干涉條紋圖光強(qiáng)分布分別為I1a(x，y)、I1b(x，y)、I2a(x，y)和I2b(x，y)，利用(20)式即可計(jì)算出經(jīng)過徑向剪切系統(tǒng)CRS后剪切光束的纏繞相位差分布Δφ(x，y) 利用文獻(xiàn)”Robust phase-unwrappingtechniquesacomparison”，J.Opt.Soc.Am.A.1996，13(12)2355-2366中的方法對(duì)(20)式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行解纏繞，從而可以得到解纏繞后的剪切相位差分布Δφ(x，y)。
設(shè)原始光束畸變波前為φ0(x，y)，并可以用Zernike正交基線性表示為(21)式 其中，ak表示第k階Zernike系數(shù)。
根據(jù)(21)式可以得出(22)式 其中， ΔZk(x，y)＝Zk(x·s，y·s)-Zk(x/s，y/s)，x，y∈A4…….…………...(23) 對(duì)(22)式利用最小二乘法求出ak，k＝0，1，2…N后帶入(21)式中，即可求解原始光束畸變波前相位分布φ0(x，y)。
CCD所探測(cè)到的四幅干涉條紋對(duì)比度K可以通過旋轉(zhuǎn)起偏器P1的起偏角θ進(jìn)行調(diào)節(jié)，如(24)式所示 當(dāng)θ＝arctan(s2)時(shí)，可以使得干涉條紋對(duì)比度最高，為1。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知常識(shí)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于包括透鏡L1和L2組成的縮束系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)干涉條紋對(duì)比度K的起偏器P1，由第一偏振分束鏡PBS1、兩個(gè)反射鏡M1和M2、透鏡L3和L4組成的環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS，分光鏡BS、兩個(gè)反射鏡M3和M4、第二偏振分束鏡PBS2、三個(gè)1/4波片QW1、QW2和QW3組成的四步空間移相系統(tǒng)SPS，反射鏡M5、M6和M7組成的光束編排系統(tǒng)，CCD及計(jì)算機(jī)C組成；
畸變光束進(jìn)入基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀后，首先利用縮束系統(tǒng)進(jìn)行光束口徑變換，設(shè)透鏡L1、L2的焦距分別為f1和f2，入射畸變光束口徑為A1，則縮束后光束口徑A2，且A2＝A1f2/f1；縮束后的光束經(jīng)過起偏器P1后，光束的偏振方向受到調(diào)制；環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS的主要作用時(shí)對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的偏振方向受調(diào)制的進(jìn)行擴(kuò)束和縮束，并最終出射兩束同軸、偏振方向相互垂直且剪切比s受透鏡L3和L4的焦距大小f3和f4決定的徑向剪切光束對(duì)，設(shè)出射光束對(duì)中擴(kuò)束光束和縮束光束口徑分別為A3和A4，則有A3＝A2f4/f3，A4＝A2f3/f4；從環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS出射的徑向剪切光束對(duì)進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)SPS中，利用分光鏡BS、第二偏振分束鏡PBS2將這一對(duì)偏振方向垂直的徑向剪切光束對(duì)分束成四對(duì)口徑和剪切比相同的徑向剪切光束對(duì)，且每對(duì)徑向剪切光束中的兩束光偏振方向相同，形成干涉；采用三個(gè)1/4波片QW1～QW3對(duì)四對(duì)徑向剪切光束對(duì)分別移相，最終在徑向剪切光束對(duì)中分別引入0、π/2、π和3π/2的相移；設(shè)從徑向剪切系統(tǒng)CRS出射的徑向剪切光束對(duì)在干涉區(qū)域的相位差為Δφ(x，y)，則出射的四對(duì)徑向剪切光束對(duì)1a、1b、2a、2b在剪切區(qū)域的相位差分布分別為Δφ(x，y)、Δφ(x，y)+π/2、Δφ(x，y)+π和Δφ(x，y)+3π/2；
從四步空間移相系統(tǒng)SPS出射的四對(duì)徑向剪切光束對(duì)經(jīng)過四個(gè)反射鏡M5～M7對(duì)四對(duì)徑向剪切光束對(duì)進(jìn)行光束編排后進(jìn)入CCD中，形成四幅剪切干涉圖，設(shè)入射到CCD光敏面的四個(gè)獨(dú)立區(qū)域中的四幅干涉條紋圖光強(qiáng)分布分別為I1a(x，y)、I1b(x，y)、I2a(x，y)和I2b(x，y)，利用相移四步算法求解纏繞相位Δφ’(x，y)，之后對(duì)計(jì)算出來的纏繞相位進(jìn)行解纏繞運(yùn)算，即可得到剪切光束對(duì)在剪切區(qū)域的徑向剪切相位差Δφ(x，y)；
設(shè)原始光束畸變波前為φ0(x，y)，φ0(x，y)與徑向剪切相位差Δφ(x，y)和剪切比s之間的關(guān)系如(1)式所示
Δφ(x，y)＝φ0(x·s，y·s)-φ0(x/s，y/s)，x，y∈A4 (1)
利用剪切相位重構(gòu)算法即可反算出原始光束畸變波前相位分布φ0(x，y)，式中，x，y分別為剪切光束對(duì)在剪切區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述干涉條紋圖對(duì)比度K的調(diào)節(jié)通過起偏器P1的角度θ(θ∈(0，π/2))來實(shí)現(xiàn)，具體如公式(2)所示
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的共光路是指入射光經(jīng)過PBS1反射后最終形成的擴(kuò)束光束與經(jīng)過PBS1透射后形成的縮束光束在經(jīng)過徑向剪切系統(tǒng)(CRS)、四步空間移相系統(tǒng)(SPS)以及空間編排系統(tǒng)后最終同時(shí)入射到CCD靶面的過程中，所經(jīng)過光路是相同的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的徑向剪切系統(tǒng)CRS出射剪切光束對(duì)的剪切比s由透鏡L3和L4的焦距大小f3和f4決定，關(guān)系如(3)式所示
s2＝A4/A3＝(f3/f4)2(3)
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的縮束和擴(kuò)束透鏡組合L3和L4，可以用共焦點(diǎn)在透鏡同一側(cè)的正-負(fù)透鏡組成，也可以用共焦點(diǎn)在兩透鏡之間的正-正透鏡組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的相移四步算法如(4)式所示
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的剪切相位重構(gòu)算法是基于Zernike基的最小二乘算法，具體形式如(5)~(7)式所示
其中，Zk(x，y)表示Zernike正交基，ak表示第k階Zernike系數(shù)，有
ΔZk(x，y)＝Zk(x·s，y·s)-Zk(x/s，y/s)，x，y∈A4 (6)
由(5)~(6)式計(jì)算出各階Zernike基系數(shù)ak并帶入(7)式求解待測(cè)相位φ0(x，y)
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的光束空間編排系統(tǒng)采用M5～M7將四對(duì)徑向剪切光束對(duì)編排后入射到單個(gè)CCD的四個(gè)獨(dú)立區(qū)域完成干涉條紋圖的采集；也可以省去M5～M7，直接將徑向剪切光束對(duì)入射到2個(gè)CCD中，在每個(gè)CCD中形成兩幅獨(dú)立的干涉條紋圖。
全文摘要
一種基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀，包括縮束系統(tǒng)、起偏器、環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS，四步空間移相系統(tǒng)SPS、光束編排系統(tǒng)、CCD和計(jì)算機(jī)組成，畸變光束進(jìn)入波前傳感器，利用縮束系統(tǒng)變換光束口徑，起偏器對(duì)光束偏振方向進(jìn)行調(diào)制；再進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)CRS，形成同光軸、偏振方向互相垂直且光束口徑按相同比例縮放的兩束光；該兩光束進(jìn)入四步空間移相系統(tǒng)后被分成四對(duì)同軸光束，每對(duì)同軸光束偏振方向相同且它們之間相位差分別為0、π/2、π、3π/2；四對(duì)同軸光束經(jīng)光束編排后同時(shí)進(jìn)入CCD的光敏面，形成四幅徑向剪切干涉圖，計(jì)算機(jī)根據(jù)四幅干涉圖數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次矩陣運(yùn)算后即可復(fù)原出待測(cè)光束畸變波前。本發(fā)明擴(kuò)大了采用干涉法波前傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)越性明顯。
文檔編號(hào)G01J9/02GK101762331SQ20101003414
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者顧乃庭, 白福忠, 黃林海, 楊澤平, 饒長輝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所