非共光路環(huán)路徑向剪切偏振相移干涉儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于環(huán)路徑向剪切干涉術(shù)（CRSI,CyclicRadialShearing Interferometry)和偏振相移技術(shù)進行光束或光學(xué)元件產(chǎn)生的波前檢測的技術(shù)領(lǐng)域，特別 是一種非共光路環(huán)路徑向剪切偏振相移干涉儀。
【背景技術(shù)】
[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(guān)注。典型的干涉型波前傳感器有哈特曼傳感器、剪切干涉儀、點衍射干涉儀等。
[0003] 哈特曼傳感器是采用微透鏡陣列對入射光束進行斜率測量，并根據(jù)測量出的波前 相位梯度數(shù)據(jù)來重建波前。哈特曼傳感器將每個微透鏡看作一個子孔徑，因此微透鏡陣列 的大小決定了傳感器的空間采樣率。為了提高測量精度，需要增加子孔徑的數(shù)目，從而提高 了對光電探測器件的分辨率要求。
[0004] 點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。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，使它的波前檢測范圍和精度受到了一定的影響。
[0005] 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(fù)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(chǎn)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。
[0006] 1964年，Murty提出的環(huán)路徑向剪切干涉系統(tǒng)（Appl.Opt. 1964, 3(7) :853-857)采 用共光路結(jié)構(gòu)、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(yīng)用。對該系統(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，通過傅里葉變換法進行求解。由于傅里葉變換法的邊界效應(yīng)，限制了 波前復(fù)原的測量精度和測量的動態(tài)范圍。
[0007] 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)枴?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 號：201210524041. 1)中，采用的四步相移結(jié)構(gòu)將剪切波前的相位提取與四步相移算法結(jié) 合，簡化了相位提取算法，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)過的是光學(xué)元件的不同部位，將會造成分光不均勻、相移不準(zhǔn)確等問題，從而影響 其測量精度。此外，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)枴?201010034142. 3)中的四步空間相移結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件繁多，增加了測量的誤差源。專利"共 光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器"（專利【申請?zhí)枴?0121076291. 0)中的共光路結(jié)構(gòu)對 光學(xué)元件的裝調(diào)精準(zhǔn)度要求高，尤其是要求兩透鏡共光軸共焦點，在實際操作中不易實現(xiàn)。
[0008] 非共光路環(huán)路徑向剪切偏振相移干涉儀在以上【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比度低的問題。非共光 路的特點降低了系統(tǒng)的裝調(diào)難度，使用更方便。通過旋轉(zhuǎn)檢偏器可以實現(xiàn)N步相移。將相 移與干涉相結(jié)合的同時，使被測波前的提取和重建更簡單、快速和準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種非共光路環(huán)路徑向剪切偏振相移干涉儀實 現(xiàn)波前檢測和波前復(fù)原。針對傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相位提取難度高、算法復(fù)雜、精度較低等 缺點，通過引入偏振片和波片等偏振器件，利用相移算法，有效的克服了原有技術(shù)的缺點。 本干涉儀很好地融合了偏振調(diào)制、徑向剪切干涉和N步相移技術(shù)各自的優(yōu)勢，具有光能利 用率高、抗環(huán)境振動能力強、裝調(diào)簡單、波前測量精度高和波前復(fù)原計算簡單快速等特點。
[0010] 本發(fā)明要解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：非共光路環(huán)路徑向剪切偏振相移 干涉儀包括偏振調(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)四個部分：偏振調(diào) 制系統(tǒng)由起偏器P和1/2波片HW組成或由起偏器PJPP2組成；環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)是由分 束棱鏡BS、透鏡LJPL2、反射鏡乂和^組成；N步相移系統(tǒng)是由1/4波片QW和檢偏器A組 成；成像系統(tǒng)是由光電耦合器件CCD和計算機組成。
[0011] 光束經(jīng)過被測元件后產(chǎn)生的被測波前進入非共光路環(huán)路徑向剪切偏振相移干涉 儀中，在環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)中被分束棱鏡BS分成兩束傳播方向不同的擴大光束和縮小光 束，其中透射光束經(jīng)透鏡U、反射鏡乂和M2、透鏡L2后再次經(jīng)分束棱鏡BS全部透射，反射光 束經(jīng)透鏡L2、反射鏡仏和Mi、透鏡Q后再次經(jīng)分束棱鏡BS全部反射，透射光束和反射光束 在透鏡LdPL2之間匯聚的焦點不重合，形成非共光路結(jié)構(gòu)；在偏振調(diào)制系統(tǒng)中，將起偏器P 放置在分束棱鏡BS之前，使被測光束成為線偏振光，1/2波片HW放置在透射(或反射)光束 的焦點位置，使透射光束和反射光束成為相互正交的線偏振光；或者在偏振調(diào)制系統(tǒng)中，將 起偏器PJP?2分別放置在透射光束和反射光束的焦點位置，使透射光束和反射光束成為相 互正交的線偏振光；兩束正交線偏振光進入N步相移系統(tǒng)后經(jīng)過1/4波片QW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，再經(jīng)過檢偏器A后產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；形成 的干涉條紋進入成像系統(tǒng)，通過光電耦合器件CCD和計算機采集干涉條紋圖，采用相移算 法對干涉圖進行分析計算，通過相位展開得到剪切波前的相位分布，最后通過Zernike多 項式擬合或迭代算法重構(gòu)被測波前。
[0012] 其中，在環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)中的透鏡l#l2由兩個正透鏡組成，兩透鏡的焦點位 于兩透鏡之間，構(gòu)成開普勒望遠鏡系統(tǒng)；透鏡LJPL2也可由一個正透鏡和一個負透鏡組成， 兩透鏡的焦點位于兩透鏡的外側(cè)。透鏡LdPL2的焦距分別為f:和f2，且#f2。
[0013] 其中，假設(shè)被測光束的口徑為D，則透射光束經(jīng)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后，光束口徑被 擴大或縮小為Di，且DeDXfVfi;反射光束經(jīng)環(huán)路徑向剪切系統(tǒng)后，光束口徑被縮小或擴大 為D2，且D2=DXf/f2。透射光束和反射光束形成的剪切光束的剪切比s=f2/f\。
[0014]其中，1/2波片HW快軸與起偏器P快軸的夾角為45°，或者起偏器PJPP2快軸的 夾角為90°，兩種偏振調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)置都將透射(或反射）光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，使其 與反射(或透射）光束的偏振方向垂直。
[0015]其中，1/4波片QW快軸與1/2波片HW快軸的夾角為45°，或者1/4波片QW快軸與 起偏器Pi快軸的夾角為45°。兩束正交線偏振光經(jīng)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。
[0016] 其中，每次旋轉(zhuǎn)檢偏器A的角度為開/N(N之3)，從而使兩光束依次產(chǎn)生N步等間 距的相移。
[0017] 其中，被測元件、透鏡LdP L2、光電耦合器件C⑶的位置關(guān)系滿足4f系統(tǒng)，使干涉 條紋圖清晰成像于光電耦合器件CCD的靶面上。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點是： (1)與普通干涉儀相比，本發(fā)明無需專門設(shè)置參考鏡，可用于自適應(yīng)光學(xué)等波前探測領(lǐng) 域的應(yīng)用。
[0019] (2)與傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相比，由于邊界效應(yīng)的影響，使傅里葉變換法處理單幀 載頻干涉圖復(fù)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) 明引入偏振片和波片等偏振器件，采用偏振相移技術(shù)復(fù)原波前，解決了傅里葉變換法復(fù)原 波前精度低的問題，并大大提高了相位提取的數(shù)據(jù)處理速度和算法精度。
[0020] (3)與共光路環(huán)路徑向剪切干涉儀相比，本發(fā)明無需將透鏡LdPL2調(diào)節(jié)為共光軸 共焦點，減少了裝調(diào)帶來的難度，操作更簡單方便。
[0021] (4)與傳統(tǒng)的點衍射相移干涉儀相比，本發(fā)明的光能利用率高，干涉條紋對比度 尚。
[0022] (5)與傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器相比，本發(fā)明通過光電耦合器件CCD獲取波前相 位，將CCD的每一個像素看作一個子孔徑，有更高的探測精度和空間分辨率。
[0023