專利名稱：一種基于四步移相原理的小型化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)行波前測量的波前傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀。
背景技術(shù)：
基于干涉原理的波前傳感器，由于其空間分辨率高、測量精度高而受到廣泛關(guān)注。典型的干涉型波前傳感器如點衍射干涉儀、剪切干涉儀等。其中剪切干涉儀由于光能利用率高、共光路結(jié)構(gòu)抵抗外界干擾等優(yōu)點，得到研究人員的大量研究。在專利“基于四步空間相移結(jié)構(gòu)的共光路徑向剪切干涉儀.專利申請?zhí)?201010034142. 3”中，作者提出了一種基于四步空間偏振移相結(jié)構(gòu)的共光路徑向剪切干涉儀，成功實現(xiàn)了將徑向剪切干涉儀的剪切相位差提取與經(jīng)典四步移相算法相結(jié)合，大大簡化了傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀的相位提取算法，提高了算法效率，且有效降低相位提取的誤差。然而，該發(fā)明中充當(dāng)四步移相器的四步空間偏振移相結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，使用的光學(xué)元器件相對較多，且調(diào)試過程繁瑣。在此背景下，本文提出一種小型化的結(jié)構(gòu)方案，在保證前述發(fā)明專利所擁有的諸多優(yōu)點的基礎(chǔ)上，如共光路結(jié)構(gòu)抗環(huán)境干擾能力、采用四步移相算法降低相位提取難度并提高相位提取精度、干涉條紋對比度連續(xù)可調(diào)等，利用基于微偏振片陣列的小型四步移相器替代原有四步空間偏振移相結(jié)構(gòu)，大大簡化了光路結(jié)構(gòu)，減少光學(xué)元器件的使用，從而減少加工等誤差來源。本發(fā)明提出的設(shè)計方案，相較于傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀，在不影響其抗干擾能力的前提下，引入四步移相結(jié)構(gòu)，大大簡化和降低相位提取復(fù)雜程度和難度；相較于基于四步空間偏振移相結(jié)構(gòu)的徑向剪切干涉儀而言，本發(fā)明專利提出的方案，有效降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，大幅度減少光學(xué)元器件的使用，便于安裝和攜帶，在某些復(fù)雜環(huán)境下優(yōu)越性明顯。此外，光學(xué)元器件的大幅度減少，也有效降低由于光學(xué)加工誤差、裝調(diào)誤差等額外誤差來源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(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，通過引入四步空間移相器，利用經(jīng)典四步移相算法有效克服傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相位提取算法復(fù)雜、相位提取精度低等缺點。同時，可以用于共光路結(jié)構(gòu)的四步空間移相結(jié)構(gòu)使用元器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在復(fù)雜環(huán)境下使用時，誤差源較多，會影響其波前探測精度。此外，由于四步移相算法的使用，四個光強(qiáng)值能夠計算出一個對應(yīng)的相位值，這在一定程度上降低了徑向剪切干涉儀的波前空間分辨能力。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，包括起偏器，偏振分光棱鏡，由焦距分別為fjPf2的第一透鏡和第二透鏡，以及第一反射鏡和第二反射鏡組成的縮束或擴(kuò)束系統(tǒng)，1/4波片，二元微偏振片陣列和光敏器件CCD相機(jī)；其中關(guān)f2 ;畸變光束進(jìn)入基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀后，首先經(jīng)過起偏器后被偏振分光棱鏡分成偏振方向沿水平方向的反射光束和偏振方向沿豎直方向的透射光束，偏振方向沿水平方向的反射光束經(jīng)過第一透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡以及第二透鏡后，最終被偏振分光棱鏡再次反射，其光束口徑被相應(yīng)縮小或擴(kuò)大；設(shè)入射光束口徑為Dtl,貝Ij縮束或擴(kuò)束后光束口徑為D1,且D1=DtlX fVA ;同樣，偏振方向沿豎直方向的透射光束經(jīng)過第二透鏡、第二反射鏡、第一反射鏡以及第一透鏡后，最終被偏振分光棱鏡再次透射，其光束口徑被相應(yīng)擴(kuò)大或縮??；擴(kuò)束或縮束后光束口徑為D2，且滿足D2=DtlXfVf2 ;這樣，包含畸變波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱鏡和縮擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成兩束同光軸、偏振方向分別沿水平和垂直方向的光束對，共同進(jìn)入快軸沿45°方向的1/4波片和由微偏振片陣列組成的相位掩模板(PhaseMask)中，并最終投射到CCD相機(jī)的光敏面上；微偏振片陣列是由一系列大小與CCD相機(jī)像元大小相同的微偏振片組成，相鄰四個像元對應(yīng)的四個微偏振片的起偏角分別為0°、45°、90°和135° ;根據(jù)偏振移相原理，四個相鄰像元之間的相移量分別對應(yīng)為0，π/2、π和3π/2，根據(jù)四步移相算法，即能夠計算出對應(yīng)位置的相位值，依次類推，可以從探測到的單幀干涉圖中提取出徑向剪切相位差分布。其中，對波前測量無需絕對平面作為參考，僅以待測光束自身局部區(qū)域為參考，回 避絕對平面參考鏡加工誤差等引入的波前測量誤差。其中，全光路采用共光路結(jié)構(gòu)，保證該結(jié)構(gòu)對外界干擾的免疫能力。其中，對應(yīng)于CXD探測器件單個像元上探測到的干涉圖，其干涉對比度可以通過起偏器(Pl)的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，干涉圖采集僅需要一個光電探測器件，從干涉圖中提取出的相位差空間分辨力與光電探測的探測單元數(shù)有關(guān)，對應(yīng)有效探測單元越多，其空間分辨力也越高。其中，單個微偏振片大小不僅能夠?qū)?yīng)于單個光電探測器單元，也能夠?qū)?yīng)任意個光電探測器單元。其中，所述的縮束或擴(kuò)束系統(tǒng)中透鏡組合第一透鏡和第二透鏡，用共焦點在透鏡同一側(cè)的正-負(fù)透鏡組成，或者用共焦點在兩透鏡之間的正-正透鏡組成。其中，所述的徑向剪切干涉儀徑向剪切比由第一透鏡和第二透鏡的焦距大小決定。其中，從MXN個像元數(shù)的光電探測器的測量數(shù)據(jù)中，提取出的剪切相位差分布空間分辨率可以達(dá)到(Μ-2) X (Ν-2)。本發(fā)明的原理在于通過引入四步空間移相器，利用經(jīng)典四步移相算法有效克服傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀相位提取算法復(fù)雜、相位提取精度低等缺點。同時，將基于1/4波片和微偏振片陣列的四步移相器引入徑向剪切干涉儀中，大大簡化基于四步空間移相結(jié)構(gòu)徑向剪切干涉儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，有效降低由于光學(xué)加工誤差、裝調(diào)誤差等額外誤差來源，便于攜帶，特別有利于復(fù)雜環(huán)境下的波前測量。通過對基于微偏振片陣列型四步移相器的算法改進(jìn)，提出采用交錯使用四步移相算法將相位提取結(jié)果的分辨率提高近一倍。如附圖I所示，基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀由起偏器Pl，偏振分光棱鏡PBS，由焦距分別為和f2(f\古f2)透鏡LI和透鏡L2，以及反射鏡Ml和M2組成的縮(擴(kuò))束系統(tǒng)，1/4波片QW，二元微偏振片陣列PhaseMask和光敏器件CCD相機(jī)組成?；児馐M(jìn)入基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀后，首先經(jīng)過起偏器Pl后被偏振分光棱鏡PBS分成偏振方向沿水平方向的反射光束Beaml和偏振方向沿豎直方向的透射光束Beam2。偏振方向沿水平方向的反射光束Beaml進(jìn)入由透鏡L1、L2以及反射鏡Ml和M2組成的縮(擴(kuò))束系統(tǒng)后，最終被偏振分光棱鏡PBS再次反射，其光束口徑被相應(yīng)縮小(擴(kuò)大)。設(shè)入射光束口徑為Dtl,則縮束(擴(kuò)束)后光束口徑為D1，且D1=Dtl X 2/ ,;同樣，偏振方向沿豎直方向的透射光束Beam2進(jìn)入由透鏡L2、LI以及反射鏡M2和Ml組成的擴(kuò)(縮)束系統(tǒng)后，最終被偏振分光棱鏡PBS再次反射，其光束口徑被相應(yīng)擴(kuò)大(縮小)。擴(kuò)束(縮束)后光束口徑為D2，且滿SD2=DtlXfVf^這樣，包含畸變波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱鏡PBS和縮擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成兩束同光軸、偏振方向分別沿水平和垂直方向的光束對，共同進(jìn)入由快軸沿45°方向的1/4波片和微偏振片陣列組成的PhaseMask中，并最終投射到CCD相機(jī)的光敏面上。微偏振片陣列是由一系列大小與CCD相機(jī)像元大小相同的微偏振片組成，相鄰四個像元對應(yīng)的四個微偏振片的起偏角分別為0° >45° >90°和135°。根據(jù)偏振移相原理,可以得到相移量與偏振片起偏角度之間的關(guān)系。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點
(I).相對于普通干涉儀，本發(fā)明無需絕對平面參考鏡，可用于自適應(yīng)光學(xué)等波前探測應(yīng)用領(lǐng)域；采用全共光路結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制環(huán)境擾動，對環(huán)境要求低，干涉圖穩(wěn)定；(2).相對于傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀，本發(fā)明通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)引入四步移相算法，大大減小傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀從單幀干涉圖中提取相位差分布的復(fù)雜性和難度，大大提高相位提取的速度和精度，在波前探測，尤其是自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域高時間頻率和高空間頻率波前探測應(yīng)用中，優(yōu)越性明顯；(3).本發(fā)明采用基于1/4波片和微偏振片陣列的微型四步空間偏振移相器，大大減少了光學(xué)元器件、尤其是偏振光學(xué)元件的使用，減少了誤差源；結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，尤其適合在復(fù)雜環(huán)境下的波前檢測或鏡面檢測任務(wù)；(4).創(chuàng)新性地提出多次利用四步移相算法的方法，有效提高波前采樣率。相對于傳統(tǒng)的四步移相干涉儀，對于MXN個有效探測單元的光電探測器，提取出的相位差分布空間分辨力至少達(dá)到(Μ-2) X (N-2)，波前采樣率提高近一倍。這對于高空間頻率的畸變波前診斷具有重要意義。總之，本發(fā)明將四步空間偏振移相原理引入徑向剪切干涉儀中，能夠避免使用傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀復(fù)雜的相位提取算法，實現(xiàn)對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等進(jìn)行高速、高精度波前檢測；同時通過小型化設(shè)計，便于攜帶和復(fù)雜環(huán)境下使用，優(yōu)越性明顯。本發(fā)明通過對傳統(tǒng)徑向剪切干涉儀的改進(jìn)，降低了徑向剪切干涉儀相位提取復(fù)雜性，提高了其波前檢測的速度和精度，小型化結(jié)構(gòu)也增加了其便攜性，有效拓展了徑向剪切干涉儀的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。


圖I為基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀光路原理示意圖；圖2為基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀CXD成像示意圖；圖3為微偏振片陣列及其對應(yīng)起偏方向、相位提取分辨率示意圖；圖4為分別丟棄首行、首列及首行和首列探測單元后，改進(jìn)后四步移相算法對應(yīng)像元位置示意圖；圖5為采用本專利提出的多次四步移相算法計算出對應(yīng)相位值位置示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。如圖I所示，基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀包括起偏器P1，偏振分光棱鏡PBS，由焦距分別為和f2(f\ Φ f2)第一透鏡LI和第二透鏡L2，以及第一反射鏡Ml和第二反射鏡M2組成的縮束或擴(kuò)束系統(tǒng)，1/4波片QW，由二元微偏振片陣列組成的相位掩模板(PhaseMask)和光敏器件CXD相機(jī)?；児馐鳺進(jìn)入基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀后，首先經(jīng)過起偏器Pl后被偏振分光棱鏡PBS分成偏振方向沿水平方向的反射光束Beaml和偏振方向沿豎直方向的透射光束Beam2。偏振方向沿水平方向的反射光束Beaml經(jīng)過第一透鏡LI、第一反射鏡Ml、第二反射鏡M2以及第二透鏡L2后，最終被偏振分光棱鏡PBS再次反射，其光束口徑被相應(yīng)縮小或擴(kuò)大。設(shè)入射光束口徑為Dtl,則縮束或擴(kuò)束后光束口徑為D1，且D1=Dtl X 2/ ,;同樣，偏振方向沿豎直方向的透射光束Beam2經(jīng)過第二透鏡L2、0第二反射鏡M2、第一反射鏡Ml以及第一透鏡LI后，最終被偏振分光棱鏡PBS再次 透射，其光束口徑被相應(yīng)擴(kuò)大或縮小。擴(kuò)束或縮束后光束口徑為D2，且滿SD2=DtlXfVf2t5這樣，包含畸變波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱鏡PBS和縮擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成兩束同光軸、偏振方向分別沿水平和垂直方向的光束對，共同進(jìn)入快軸沿45°方向的1/4波片和由微偏振片陣列組成的相位掩模板(PhaseMask)中，并最終投射到CCD相機(jī)的光敏面上。微偏振片陣列是由一系列大小與CCD相機(jī)像元大小相同的微偏振片組成，相鄰四個像元對應(yīng)的四個微偏振片的起偏角分別為0°、45°、90°和135°。根據(jù)偏振移相原理，可以得到相移量與偏振片起偏角度之間的關(guān)系，如公式(I)所不σ =2 Ji Θ /180(I)根據(jù)公式⑴可以得到四個相鄰像元之間的相移量分別對應(yīng)為0，π/2、π和3π/2.根據(jù)簡單的四步移相原理，可以計算出對應(yīng)四個像元所對應(yīng)的一個相位差值。基于微偏振片陣列的四步移相原理如附圖2所示。設(shè)某位置處四個相鄰像元(i, j), (i+1, j), (i, j+1)和(i+1，j+1)所對應(yīng)的光強(qiáng)值分別為 Ii,」，Ii+ljJ, 1^+1和 Ii+1,j+1，貝>J根據(jù)如下四步移相算法可以計算出該四個像元所對應(yīng)中間位置處的徑向剪切相位差值Δφ為
iU _1依次類推，可以從探測到的早幀干涉圖中提取出徑向剪切相位差分布。依據(jù)上述方法可以較快速地計算出對應(yīng)的相位差，對于NXN個有效探測單元的光電探測器而言，從其探測到的光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)中提取出的相位差分布空間分辨率為N/2XN/2。此時計算得到的相位差分布如附圖3中“I”標(biāo)記所示，記為Δφι另一方面，當(dāng)光電探測器件的第一列探測單元丟棄不考慮時，利用四步移相算法可以再次計算出對應(yīng)的相位差分布，記為Δφ7依次類推，當(dāng)光電探測器的第一行以及第一行和第一列分別丟棄不考慮時，再次利用類似的四步移相算法可以計算出對應(yīng)位置的相位差分布，分別記為Δφ^Ρ△φ4.這一過程如附圖4所示，計算出的相位差分布Δφι, Δφ2，Δφ3和Λφ4分別對應(yīng)附圖5中①，②，③，④所示。對應(yīng)的四步移相算法分別如下式所示
權(quán)利要求
1.一種基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于，包括起偏器(P1)，偏振分光棱鏡(PBS)，由焦距分別為和f2的第一透鏡(LI)和第二透鏡(L2)，以及第一反射鏡(Ml)和第二反射鏡(M2)組成的縮束或擴(kuò)束系統(tǒng),1/4波片(QW)，二元微偏振片陣列(PM)和光敏器件CCD相機(jī)；其中關(guān)f2 ; 畸變光束(W)進(jìn)入基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀后，首先經(jīng)過起偏器(Pl)后被偏振分光棱鏡(PBS)分成偏振方向沿水平方向的反射光束和偏振方向沿豎直方向的透射光束，偏振方向沿水平方向的反射光束經(jīng)過第一透鏡(LI)、第一反射鏡(Ml)、第二反射鏡(M2)以及第二透鏡(L2)后，最終被偏振分光棱鏡(PBS)再次反射，其光束口徑被相應(yīng)縮小或擴(kuò)大；設(shè)入射光束口徑為Dtl，則縮束或擴(kuò)束后光束口徑為D1，且D1=DtlXfVf1 ；同樣，偏振方向沿豎直方向的透射光束經(jīng)過第二透鏡(L2)、第二反射鏡(M2)、第一反射鏡(MD以及第一透鏡(LI)后，最終被偏振分光棱鏡(PBS)再次透射，其光束口徑被相應(yīng)擴(kuò)大或縮?。粩U(kuò)束或縮束后光束口徑為D2，且滿足D2=DtlXfVf2 ;這樣，包含畸變波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱鏡(PBS)和縮擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成兩束同光軸、偏振方向分別沿水平和垂直方向的光束對，共同進(jìn)入快軸沿45°方向的1/4波片和由微偏振片陣列組成的相位掩模板中，并最終投射到CCD相機(jī)的光敏面上；其中，微偏振片陣列是由一系列大小與CCD相機(jī)像元大小相同的微偏振片組成，相鄰四個像元對應(yīng)的四個微偏振片的起偏角分別為O。、45°、90°和135° ;根據(jù)偏振移相原理，四個相鄰像元之間的相移量分別對應(yīng)為O，/2、和3 /2，根據(jù)四步移相算法，即能夠計算出對應(yīng)位置的相位值，依次類推，可以從探測到的單幀干涉圖中提取出徑向剪切相位差分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于對波前測量無需絕對平面作為參考，僅以待測光束自身局部區(qū)域為參考，回避絕對平面參考鏡加工誤差等引入的波前測量誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于全光路采用共光路結(jié)構(gòu)，保證該結(jié)構(gòu)對外界干擾的免疫能力。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于對應(yīng)于CXD探測器件單個像元上探測到的干涉圖，其干涉對比度可以通過起偏器(Pl)的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于干涉圖采集僅需要一個光電探測器件，從干涉圖中提取出的相位差空間分辨力與光電探測的探測單元數(shù)有關(guān)，對應(yīng)有效探測單元越多，其空間分辨力也越高。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于單個微偏振片大小不僅能夠?qū)?yīng)于單個光電探測器單元，也能夠?qū)?yīng)任意個光電探測器單J Li o
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的縮束或擴(kuò)束系統(tǒng)中透鏡組合第一透鏡(LI)和第二透鏡(L2)，用共焦點在透鏡同一側(cè)的正_負(fù)透鏡組成，或者用共焦點在兩透鏡之間的正_正透鏡組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于所述的徑向剪切干涉儀徑向剪切比由第一透鏡(LI)和第二透鏡(L2)的焦距大小決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，其特征在于從MXN個像元數(shù)的光電探測器的測量數(shù)據(jù)中，提取出的剪切相位差分布空間分辨率可以達(dá)到(M-2) X (N -2)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀，包括起偏器(P1)，偏振分光棱鏡(PBS)，由焦距分別為f1和f2(f1≠f2)第一透鏡(L1)和第二透鏡(L2)，以及第一反射鏡(M1)和第二反射鏡(M2)組成的縮束或擴(kuò)束系統(tǒng)，1/4波片(QW)，二元微偏振片陣列和光敏器件CCD相機(jī)?；児馐M(jìn)入該小型化徑向剪切干涉儀，形成同光軸、偏振方向相互垂直且光束口徑按相同比例縮放的光束對，并經(jīng)過由1/4波片(QW)和二元微偏振片陣列組成的四步移相器后，投射到CCD相機(jī)的光敏面上，形成單幀干涉圖。本發(fā)明無需絕對平面參考鏡，可用于自適應(yīng)光學(xué)等波前探測應(yīng)用領(lǐng)域；采用全共光路結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制環(huán)境擾動，對環(huán)境要求低，干涉圖穩(wěn)定。
文檔編號G02B27/28GK102967378SQ20121052404
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月9日
發(fā)明者顧乃庭, 饒長輝 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所