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。被測光束經過被測元件后產生的被測波前進入偏振調制系統(tǒng)后變?yōu)榫€偏振光。線偏振光進入環(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，再經過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。旋轉檢偏器實現N步相移。最后通過成像系統(tǒng)采集N幅干涉條紋圖，再采用相移算法對干涉圖進行分析計算重構被測光束的波前相位。本發(fā)明無需參考鏡，光路結構簡單，抗振動能力好；采用N步相移技術復原波前，提高了相位提取的數據處理速度和算法精度。
【專利說明】基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種環(huán)路徑向剪切干涉術(CRSI, Cyclic Radial ShearingInterferometry)進行光束或光學元件產生的波前檢測的【技術領域】,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】
[0002]基于干涉原理測量波前相位的波前傳感器，由于其空間分辨率高、測量精度高而受廣泛關注。典型的干涉型波前傳感器有剪切干涉儀、點衍射干涉儀等。
[0003]點衍射干涉儀作為一種可直接復原波前相位的波前傳感器，在自適應光學系統(tǒng)中得到了廣泛的應用(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比度不高，限制了干涉儀的波前檢測范圍和精度。
[0004]剪切干涉儀在應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量波前時需要獲取不同剪切量的多幀剪切干涉圖，因此，對環(huán)境擾動很敏感，對波前復原算法要求高。徑向剪切干涉儀通過對被測光束進行擴大與縮小，使兩光束產生徑向剪切干涉從而求解出被測波前相位，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)采用共光路結構、無需專門參考光路，使其能得到穩(wěn)定的干涉條紋，對環(huán)境要求低、測量精度高，從而得到了廣泛的應用。對該系統(tǒng)獲取干涉條紋后復原波前的常用方法是在剪切光束中引入載波干涉條紋，通過傅里葉變換法進行求解。由于傅里葉變換法的邊界效應，限制了波前復原的測量精度和測量的動態(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?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?zhí)?201210524041.1)中，采用的四步相移結構將剪切相位差提取與四步相移算法結合，簡化了相位提取算法，提高了算法效率。但是，由于該結構產生的四幅干涉圖的四組光路經過的是光學元件的不同部位，將會造成分光不均勻、相移不準確等問題，從而影響其測量精度。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?zhí)?201010034142.3)中的四步空間相移結構復雜、器件繁多，給裝調過程增加了難度。
[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】的基礎上，采用環(huán)路徑向剪切技術，避免了由針孔濾波器導致的光能利用率低和干涉條紋對比度低的問題。同時，環(huán)路徑向剪切的共光路特點降低了系統(tǒng)受環(huán)境擾動的影響。通過旋轉檢偏器的偏振方向角度，可以實現N步相移。將相移與干涉相結合的同時，保證了光路一致的光學特性，從而減少了誤差來源，提高了測量精度。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種偏振相移式徑向剪切干涉儀實現波前檢測和波前復原。針對傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相位提取算法復雜、相位提取難度高、相位提取精度較低等缺點，通過引入偏振片、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的缺點。另外，可以通過偏振調制的方法獲得最大的干涉條紋對比度，進一步保證波前檢測的精度。本干涉儀很好地融合了共光路、偏振調制、徑向剪切干涉和N步相移波前復原技術各自的優(yōu)勢，具有光能利用率高、干涉條紋對比度高、抗環(huán)境振動能力強、裝調簡單、波前測量精度高和波前復原計算簡單快速等特點。
[0009]本發(fā)明要解決上述技術問題采用的技術方案是: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以及計算機組成。其中偏振分束棱鏡PBS1和1/2波片HW組成偏振調制系統(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和計算機組成成像系統(tǒng)。 [0010]經過被測元件后的被測光束產生的被測波前進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，經過由偏振分束棱鏡PBS1和1/2波片HW組成的偏振調制系統(tǒng)后，被測光束變?yōu)榫€偏振光。經偏振調制后的線偏振光進入由偏振分束棱鏡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，透射光束經透鏡L1、反射鏡M1和M2、透鏡L2后再次經偏振分束棱鏡PBS2全部透射；反射光束經透鏡L2、反射鏡M2和M1、透鏡L1后再次經偏振分束棱鏡PBS2全部反射。經環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后，兩束共光軸且光束口徑分別被擴大和縮小的正交線偏振光進入由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過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。兩束圓偏振光經過檢偏器P后，與檢偏器P偏振方向相同的偏振分量將會產生干涉現象。形成的干涉條紋進入由光電耦合器件C⑶和計算機組成的成像系統(tǒng)。通過光電耦合器件CCD和計算機采集徑向剪切干涉條紋圖。獲得相移干涉條紋圖后，采用相移算法對干涉圖進行分析計算，通過相位展開得到兩光束重疊區(qū)域的相位，最后通過Zernike多項式擬合或迭代算法重構被測波前。
[0011]其中，被測光束經過偏振分束棱鏡PBSjP 1/2波片HW后其偏振方向與水平方向的夾角為0，則被測光束在水平方向和豎直方向的偏振分量光強比為i?=!/Ianfii。調節(jié)1/2波片HW的快軸方向，可以改變被測光束在水平和豎直方向的偏振分量光強，從而實現對干涉條紋對比度的調節(jié)。
[0012]其中，假設被測光束的口徑為D，則透射光束經環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后，光束口徑被擴大或縮小為D1,且D1=DX f^/f^ ;反射光束經環(huán)路徑向到切系統(tǒng)后，光束口徑被擴大或縮小為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由兩個正透鏡組成，兩透鏡的光軸重合且焦點重合于兩透鏡之間，構成開普勒望遠鏡系統(tǒng)；透鏡L1和L2也可由一個正透鏡和一個負透鏡組成，兩透鏡的光軸重合且焦點重合于兩透鏡的外側。
[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過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,旋轉檢偏器P相移N (N > 3)次，每次的旋轉角度為π/Ν，從而使兩光束依次產生N (N >3)個不同的相移。
[0016]其中，被測元件、透鏡L1和L2和光電耦合器件CXD的位置關系滿足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)明與現有技術相比其顯著的優(yōu)點是:
(I)與普通干涉儀相比，本發(fā)明無需參考鏡，可以用于自適應光學系統(tǒng)的波前探測；采用共光路的結構，能有效抑制環(huán)境擾動，抗振動能力好。
[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，由于邊界效應的影響，使其復原波前的測量精度低、測量動態(tài)范圍小、對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步相移技術復原波前，減小使用傅里葉變化法復原波前的復雜性和難度，大大提高了相位提取的數據處理速度和算法精度。
[0019](3)與傳統(tǒng)的點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，提高了干涉條紋對比度，且對比度可調節(jié)，提高了單次測量的精度。
[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?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現偏振相移干涉，減少了光學元件、尤其是偏振光學元件的使用，具有結構簡單，對光學耦合器件要求不高等優(yōu)點。
[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?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題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是基于偏振相移原理的環(huán)路徑向剪切N步相移干涉儀結果原理示意圖。【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖通過實例對本發(fā)明進行詳細說明。有必要在此指出的是，以下實施例只用于本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域技術熟練人員根據上述本
【發(fā)明內容】
對本發(fā)明做出一些非本質的改進和調整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。
[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以及計算機11組成。其中偏振分束棱鏡PBS1I和1/2波片HW2組成偏振調制系統(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和計算機11組成成像系統(tǒng)。
[0025]被測光束經過被測元件，被測元件是透射式或者反射式，產生的被測波前進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，經過由偏振分束棱鏡PBS1I和1/2波片HW2組成的偏振調制系統(tǒng)后，被測光束變?yōu)榫€偏振光，其偏振方向與水平方向的夾角為Θ，則被測光束在水平方向和豎直方向的偏振分量光強比為。經偏振調制后的線偏振光經過偏振分束棱鏡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，透射光束經透鏡L1L反射鏡Mj和M26、透鏡L27后再次經偏振分束棱鏡PBS23全部透射；反射光束經透鏡L27、反射鏡M26和M#、透鏡Q4后再次經偏振分束棱鏡PBS23全部反射。
[0026]假設被測光束的口徑為D，透鏡L1和L2的焦距關系為4片2，則透射光束經環(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振幅Et和民為
【權利要求】
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以及計算機組成；其中偏振分束棱鏡PBS1和1/2波片HW組成偏振調制系統(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和計算機組成成像系統(tǒng)。
2.根據權利要求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，其特征在于產生被測波前的被測元件、透鏡L1和L2和光電耦合器件CCD的位置關系滿足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。
3.根據權利要求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.根據權利要求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每次的旋轉角度為K /N，即實現相移N (N ? 3)次，從而使兩光束依次產生N(N> 3)個不同的相移，且CXD進行同步采集記錄干涉條紋圖。
5.根據權利要求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算干涉條紋圖的相位信息，具體形式如
【文檔編號】G01J9/02GK103968961SQ201410213399
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權日:2014年5月21日
【發(fā)明者】李大海, 章辰, 邱佳琪, 趙光遠, 王瓊華 申請人:四川大學