基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切n步相移干涉儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀，由偏振調(diào)制系統(tǒng)、環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)、N步相移系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成。被測(cè)光束經(jīng)過(guò)被測(cè)元件后產(chǎn)生的被測(cè)波前進(jìn)入偏振調(diào)制系統(tǒng)后變?yōu)榫€偏振光。線偏振光進(jìn)入環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后被分成兩束偏振方向分別沿水平和豎直方向的正交線偏振光，再經(jīng)過(guò)N步相移系統(tǒng)后成為兩束旋向分別為左旋和右旋的圓偏振光。旋轉(zhuǎn)檢偏器實(shí)現(xiàn)N步相移。最后通過(guò)成像系統(tǒng)采集N幅干涉條紋圖，再采用相移算法對(duì)干涉圖進(jìn)行分析計(jì)算重構(gòu)被測(cè)光束的波前相位。本發(fā)明無(wú)需參考鏡，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振動(dòng)能力好；采用N步相移技術(shù)復(fù)原波前，提高了相位提取的數(shù)據(jù)處理速度和算法精度。
【專利說(shuō)明】基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種環(huán)路徑向剪切干涉術(shù)(CRSI, Cyclic Radial ShearingInterferometry)進(jìn)行光束或光學(xué)元件產(chǎn)生的波前檢測(cè)的【技術(shù)領(lǐng)域】,特別是一種基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀。
【背景技術(shù)】
[0002]基于干涉原理測(cè)量波前相位的波前傳感器，由于其空間分辨率高、測(cè)量精度高而受廣泛關(guān)注。典型的干涉型波前傳感器有剪切干涉儀、點(diǎn)衍射干涉儀等。
[0003]點(diǎn)衍射干涉儀作為一種可直接復(fù)原波前相位的波前傳感器，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用(Optics Express.15 (21): 13745-13756)。但是，由于其光路中采用了針孔濾波器，降低了系統(tǒng)的光能利用率，從而使獲得的干涉條紋對(duì)比度不高，限制了干涉儀的波前檢測(cè)范圍和精度。
[0004]剪切干涉儀在應(yīng)用中分為橫向剪切干涉儀和徑向剪切干涉儀。其中，橫向剪切干涉儀在測(cè)量波前時(shí)需要獲取不同剪切量的多幀剪切干涉圖，因此，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)很敏感，對(duì)波前復(fù)原算法要求高。徑向剪切干涉儀通過(guò)對(duì)被測(cè)光束進(jìn)行擴(kuò)大與縮小，使兩光束產(chǎn)生徑向剪切干涉從而求解出被測(cè)波前相位，在原理上不存在橫向剪切干涉遇到的困難。
[0005]1964年，Murty提出的環(huán)路徑向剪切干涉系統(tǒng)(Appl.0pt.1964, 3(7):853-857)采用共光路結(jié)構(gòu)、無(wú)需專門參考光路，使其能得到穩(wěn)定的干涉條紋，對(duì)環(huán)境要求低、測(cè)量精度高，從而得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)該系統(tǒng)獲取干涉條紋后復(fù)原波前的常用方法是在剪切光束中引入載波干涉條紋，通過(guò)傅里葉變換法進(jìn)行求解。由于傅里葉變換法的邊界效應(yīng)，限制了波前復(fù)原的測(cè)量精度和測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。
[0006]在專利“基于四步空間相移的共光路徑向剪切干涉儀”(專利申請(qǐng)?zhí)?201010034142.3)和專利“一種基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀”(專利申請(qǐng)?zhí)?201210524041.1)中，采用的四步相移結(jié)構(gòu)將剪切相位差提取與四步相移算法結(jié)合，簡(jiǎn)化了相位提取算法，提高了算法效率。但是，由于該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的四幅干涉圖的四組光路經(jīng)過(guò)的是光學(xué)元件的不同部位，將會(huì)造成分光不均勻、相移不準(zhǔn)確等問(wèn)題，從而影響其測(cè)量精度。此夕卜，專利“基于四步空間相移的共光路徑向剪切干涉儀”(專利申請(qǐng)?zhí)?201010034142.3)中的四步空間相移結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件繁多，給裝調(diào)過(guò)程增加了難度。
[0007]基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀在以上【背景技術(shù)】的基礎(chǔ)上，采用環(huán)路徑向剪切技術(shù)，避免了由針孔濾波器導(dǎo)致的光能利用率低和干涉條紋對(duì)比度低的問(wèn)題。同時(shí)，環(huán)路徑向剪切的共光路特點(diǎn)降低了系統(tǒng)受環(huán)境擾動(dòng)的影響。通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢偏器的偏振方向角度，可以實(shí)現(xiàn)N步相移。將相移與干涉相結(jié)合的同時(shí)，保證了光路一致的光學(xué)特性，從而減少了誤差來(lái)源，提高了測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種偏振相移式徑向剪切干涉儀實(shí)現(xiàn)波前檢測(cè)和波前復(fù)原。針對(duì)傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相位提取算法復(fù)雜、相位提取難度高、相位提取精度較低等缺點(diǎn)，通過(guò)引入偏振片、波片和偏振分束棱鏡等偏振器件，利用N步相移算法，有效的克服了原有技術(shù)的缺點(diǎn)。另外，可以通過(guò)偏振調(diào)制的方法獲得最大的干涉條紋對(duì)比度，進(jìn)一步保證波前檢測(cè)的精度。本干涉儀很好地融合了共光路、偏振調(diào)制、徑向剪切干涉和N步相移波前復(fù)原技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，具有光能利用率高、干涉條紋對(duì)比度高、抗環(huán)境振動(dòng)能力強(qiáng)、裝調(diào)簡(jiǎn)單、波前測(cè)量精度高和波前復(fù)原計(jì)算簡(jiǎn)單快速等特點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明要解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀包括:偏振分束棱鏡PBSp 1/2波片服、偏振分束棱鏡PBS2、透鏡L1和L2、反射鏡M1和M2' 1/4波片QW、檢偏器P、光電耦合器件CXD以及計(jì)算機(jī)組成。其中偏振分束棱鏡PBS1和1/2波片HW組成偏振調(diào)制系統(tǒng)；偏振分束棱鏡PBS2、透鏡L1和L2、反射鏡M1和M2組成環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)，其中透鏡L1和L2的焦距分別為和f2，且Φ f2 ；1/4波片QW和檢偏器P組成N步相移系統(tǒng)；光電耦合器件CXD和計(jì)算機(jī)組成成像系統(tǒng)。 [0010]經(jīng)過(guò)被測(cè)元件后的被測(cè)光束產(chǎn)生的被測(cè)波前進(jìn)入基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)由偏振分束棱鏡PBS1和1/2波片HW組成的偏振調(diào)制系統(tǒng)后，被測(cè)光束變?yōu)榫€偏振光。經(jīng)偏振調(diào)制后的線偏振光進(jìn)入由偏振分束棱鏡PBS2、透鏡L1和L2、反射鏡M1和M2組成的環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)。光束首先被偏振分束棱鏡PBS2分成兩束偏振方向分別沿水平方向和豎直方向的正交線偏振光。其中，透射光束經(jīng)透鏡L1、反射鏡M1和M2、透鏡L2后再次經(jīng)偏振分束棱鏡PBS2全部透射；反射光束經(jīng)透鏡L2、反射鏡M2和M1、透鏡L1后再次經(jīng)偏振分束棱鏡PBS2全部反射。經(jīng)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后，兩束共光軸且光束口徑分別被擴(kuò)大和縮小的正交線偏振光進(jìn)入由1/4波片QW和檢偏器P組成的N步相移系統(tǒng)。兩束正交線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片QW后成為兩束圓偏振光，其旋向分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。兩束圓偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器P后，與檢偏器P偏振方向相同的偏振分量將會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。形成的干涉條紋進(jìn)入由光電耦合器件C⑶和計(jì)算機(jī)組成的成像系統(tǒng)。通過(guò)光電耦合器件CCD和計(jì)算機(jī)采集徑向剪切干涉條紋圖。獲得相移干涉條紋圖后，采用相移算法對(duì)干涉圖進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)相位展開(kāi)得到兩光束重疊區(qū)域的相位，最后通過(guò)Zernike多項(xiàng)式擬合或迭代算法重構(gòu)被測(cè)波前。
[0011]其中，被測(cè)光束經(jīng)過(guò)偏振分束棱鏡PBSjP 1/2波片HW后其偏振方向與水平方向的夾角為0，則被測(cè)光束在水平方向和豎直方向的偏振分量光強(qiáng)比為i?=!/Ianfii。調(diào)節(jié)1/2波片HW的快軸方向，可以改變被測(cè)光束在水平和豎直方向的偏振分量光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉條紋對(duì)比度的調(diào)節(jié)。
[0012]其中，假設(shè)被測(cè)光束的口徑為D，則透射光束經(jīng)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后，光束口徑被擴(kuò)大或縮小為D1,且D1=DX f^/f^ ;反射光束經(jīng)環(huán)路徑向到切系統(tǒng)后，光束口徑被擴(kuò)大或縮小為D2，且D2=D XfVf2。透射光束和反射光束形成的剪切光束的剪切比s為S=Vfltj
[0013]其中，在環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)中的透鏡L1和L2由兩個(gè)正透鏡組成，兩透鏡的光軸重合且焦點(diǎn)重合于兩透鏡之間，構(gòu)成開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；透鏡L1和L2也可由一個(gè)正透鏡和一個(gè)負(fù)透鏡組成，兩透鏡的光軸重合且焦點(diǎn)重合于兩透鏡的外側(cè)。
[0014]其中，1/4波片QW的快軸方向與水平方向和豎直方向的夾角均為45°。兩束正交線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片QW后成為兩束圓偏振光，其旋向分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。[0015]其中,旋轉(zhuǎn)檢偏器P相移N (N > 3)次，每次的旋轉(zhuǎn)角度為π/Ν，從而使兩光束依次產(chǎn)生N (N >3)個(gè)不同的相移。
[0016]其中，被測(cè)元件、透鏡L1和L2和光電耦合器件CXD的位置關(guān)系滿足4f系統(tǒng)，使干涉條紋圖成像于光電耦合器件CCD的靶面上。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點(diǎn)是:
(I)與普通干涉儀相比，本發(fā)明無(wú)需參考鏡，可以用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前探測(cè)；采用共光路的結(jié)構(gòu)，能有效抑制環(huán)境擾動(dòng)，抗振動(dòng)能力好。
[0018](2)與傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相比，傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀使用傅里葉變換法處理單幀載頻干涉圖，由于邊界效應(yīng)的影響，使其復(fù)原波前的測(cè)量精度低、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小、對(duì)光電耦合器件分辨率要求高。本發(fā)明引入偏振片、波片和偏振分束棱鏡等偏振器件，采用N步相移技術(shù)復(fù)原波前，減小使用傅里葉變化法復(fù)原波前的復(fù)雜性和難度，大大提高了相位提取的數(shù)據(jù)處理速度和算法精度。
[0019](3)與傳統(tǒng)的點(diǎn)衍射相移干涉儀相比，本發(fā)明不需要專門的參考光束，光能利用率高，提高了干涉條紋對(duì)比度，且對(duì)比度可調(diào)節(jié)，提高了單次測(cè)量的精度。
[0020](4)與專利“基于四步空間相移的共光路徑向剪切干涉儀”(專利申請(qǐng)?zhí)?201010034142.3)提出的四步空間移像系統(tǒng)相比，本發(fā)明采用1/4波片和偏振片組合實(shí)現(xiàn)偏振相移干涉，減少了光學(xué)元件、尤其是偏振光學(xué)元件的使用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)光學(xué)耦合器件要求不高等優(yōu)點(diǎn)。
[0021](5)與專利“一種基于四步相移原理的小型化徑向剪切干涉儀”(專利申請(qǐng)?zhí)?201210524041.1)提出的微偏振片陣列的小型四步移相器相比，本發(fā)明專利提出的偏振N步相移均成像在光電耦合器件CCD的同一位置，不存在分光不均勻以及干涉圖之間位置匹配的問(wèn)題。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀結(jié)果原理示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]如圖1所示，基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀包括:偏振分束棱鏡PBS1U1/2波片HW2、偏振分束棱鏡PBS23、透鏡L1L反射鏡Mj和M26、透鏡L27、l/4波片QW8、檢偏器P9、光電耦合器件CXDlO以及計(jì)算機(jī)11組成。其中偏振分束棱鏡PBS1I和1/2波片HW2組成偏振調(diào)制系統(tǒng)；偏振分束棱鏡PBS23、透鏡L1I反射鏡Mj和M26、透鏡L27組成環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)，其中透鏡M和L27的焦距分別為和f2，且^ f2 ；1/4波片QW8和檢偏器P9組成N步 相移系統(tǒng)；光電耦合器件CXDlO和計(jì)算機(jī)11組成成像系統(tǒng)。
[0025]被測(cè)光束經(jīng)過(guò)被測(cè)元件，被測(cè)元件是透射式或者反射式，產(chǎn)生的被測(cè)波前進(jìn)入基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)由偏振分束棱鏡PBS1I和1/2波片HW2組成的偏振調(diào)制系統(tǒng)后，被測(cè)光束變?yōu)榫€偏振光，其偏振方向與水平方向的夾角為Θ，則被測(cè)光束在水平方向和豎直方向的偏振分量光強(qiáng)比為。經(jīng)偏振調(diào)制后的線偏振光經(jīng)過(guò)偏振分束棱鏡PBS23后被分成兩束偏振方向分別沿水平方向和豎直方向的正交線偏振光。其中，透射光束經(jīng)透鏡L1L反射鏡Mj和M26、透鏡L27后再次經(jīng)偏振分束棱鏡PBS23全部透射；反射光束經(jīng)透鏡L27、反射鏡M26和M#、透鏡Q4后再次經(jīng)偏振分束棱鏡PBS23全部反射。
[0026]假設(shè)被測(cè)光束的口徑為D，透鏡L1和L2的焦距關(guān)系為4片2，則透射光束經(jīng)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后為偏振方向沿水平方向的線偏振光，光束口徑被縮小為D1，且D1=D X f2/f!;反射光束經(jīng)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后為偏振方向沿豎直方向的線偏振光，光束口徑被擴(kuò)大為D2,且D2=DXfVf2。透射光束和反射光束形成的剪切光束的剪切比s為用瓊斯矩陣分別表示透射和反射的兩束正交線偏振光的復(fù)振幅Et和民為
【權(quán)利要求】
1.基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀，其特征在于:包括偏振分束棱鏡PBSp 1/2波片服、偏振分束棱鏡PBS2、透鏡L1和L2、反射鏡M1和M2、1/4波片QW、檢偏器P、光電耦合器件CXD以及計(jì)算機(jī)組成；其中偏振分束棱鏡PBS1和1/2波片HW組成偏振調(diào)制系統(tǒng)；偏振分束棱鏡PBS2、透鏡L1和L2、反射鏡M1和M2組成環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)，透鏡L1和L2的焦距分別為和f2，且# f2 ;1/4波片QW和檢偏器P組成N步相移系統(tǒng)；光電耦合器件CXD和計(jì)算機(jī)組成成像系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀，其特征在于產(chǎn)生被測(cè)波前的被測(cè)元件、透鏡L1和L2和光電耦合器件CCD的位置關(guān)系滿足4f系統(tǒng)，使干涉條紋圖成像于光電耦合器件CCD的靶面上，透鏡L1和L2共光軸且共焦點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀，其特征在于1/4波片QW的快軸方向與水平和豎直方向的夾角均為45°，使兩束正交的線偏振光變?yōu)閮墒蚍謩e為左旋和右旋的圓偏振光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀，其特征在于檢偏器P每次的旋轉(zhuǎn)角度為K /N，即實(shí)現(xiàn)相移N (N ? 3)次，從而使兩光束依次產(chǎn)生N(N> 3)個(gè)不同的相移，且CXD進(jìn)行同步采集記錄干涉條紋圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀，其特征在于使用最小二乘迭代算法計(jì)算干涉條紋圖的相位信息，具體形式如
【文檔編號(hào)】G01J9/02GK103968961SQ201410213399
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】李大海, 章辰, 邱佳琪, 趙光遠(yuǎn), 王瓊?cè)A 申請(qǐng)人:四川大學(xué)