CN102519357A - 偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪 - Google Patents

Abstract

一种偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，由雅敏平行平板、剪切平板、双面直角反射镜、偏振移相器、毛玻璃、成像镜组、图像传感器和计算机组成，本发明不仅保持了等光程干涉、剪切量可调的特点，还具有完全共光路、结构简单紧凑的优点。能有效地抑制外界环境的影响，提高了仪器的测量精度和稳定性。

Description

偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪

技术领域

本发明涉及光学检测领域，是一种雅敏剪切干涉测量仪，特别是一种完全共光路、结构简单紧凑的偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪。

背景技术

剪切干涉测量仪的基本原理是将被检测波面与其自身被剪切的波面在重叠范围内产生干涉，不需要标准参考波面，避免了引入其它波面时所带来的波面缺陷，是一种常用的波面测量仪器。移相技术在光学检测领域中被公认为是干涉图像自动处理的最好方法和提高干涉测量灵敏度的有效途径，现已广泛应用于干涉条纹的分析和处理之中，它是先记录一系列参考相位变化后的干涉图，然后利用一定的算法逐点进行相位恢复后直接获得波面函数，可以直观准确地给出波面的三维形状。将移相技术引入到剪切干涉测量仪中，将可以提高波面测量的精度和灵敏度。

雅敏干涉测量仪利用雅敏平板进行分束、合束，是一种等光程横向剪切干涉仪，可用于低相干性光束的波面检测。雅敏干涉测量仪利用剪切平板(平行平板或者楔形平板)改变剪切量，同时利用剪切平板的转动可在较大范围内调节剪切量的大小，以满足不同的波面测量范围和测量精度。雅敏干涉测量仪以其独特优势在波面检测等领域得到了的广泛应用，特别是在用于星间激光通讯系统的高准直度激光束的波面测量中具有很大优势。在雅敏干涉测量仪中可以引入多种移相技术，其中偏振移相技术是最为有效的方法之一，它不仅保持了雅敏干涉测量仪的等光程特性，还与剪切功能分离而不影响剪切量的调节。在先技术[1](参见王利娟、刘立人、栾竹等，相移雅满横向剪切干涉仪，中国激光，Vol.36，1156～1159，2009)在第一雅敏平行平板分束后的两剪切干涉光路中分别放入两块偏振方向相互垂直的偏振片，使两干涉光束成为偏振方向相互垂直的线偏振光，由第二雅敏平行平板进行合束并在其后放置偏振移相器进行移相。在先技术[2](参见王利娟、刘立人、栾竹等，偏振移相双剪切波面测量仪及其检测方法，发明专利，申请号：200710047254.9)是在第一雅敏平行平板的前表面上镀偏振分束膜、后表面镀全反射膜而在第二雅敏平行平板的前表面镀有消偏振分束薄膜、后表面镀全反射膜的方法实现偏振相移。上述在先技术很好地将雅敏干涉测量仪和偏振移相器进行了结合，但是两路干涉光束在产生剪切量的过程中不共光路，使其易于受外界环境因素的影响，整个仪器的结构复杂、不紧凑，难以提高仪器的测量精度和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪。该仪器不仅保持了等光程干涉、剪切量可调等特点，还具有完全共光路、结构简单紧凑等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，其特点在于由雅敏平行平板、剪切平板、双面直角反射镜、偏振移相器、毛玻璃、成像镜组、图像传感器和计算机组成，所述的雅敏平行平板的入射工作面A的上半部分镀有偏振分束薄膜，所述的剪切平板为光学平行平板，放置在所述的雅敏平行平板和直角棱镜之间的上半部分光路中，所述的剪切平板具有绕平行于入射面且垂直于光束传输方向的转轴旋转的调节机构；所述的雅敏平行平板、剪切平板和双面直角反射镜构成循环式剪切干涉光路，在所述的雅敏平行平板的光束输出端依次是所述的偏振移相器、毛玻璃、变倍成像镜组和图像传感器，该图像传感器的输出端接计算机，所述的计算机具有移相剪切干涉图像处理软件的计算机，可以对移相剪切干涉图像进行采集、处理和分析，进而复原出波面信息。

所述的剪切平板是光学平行平板，或光学楔形平板。

所述的双面直角反射镜为直角棱镜，或放置成90°夹角的两块平面反射镜构成。

所述的偏振移相器由固定的四分之一波片与可旋转的检偏器组成，或由固定的1/4波片、检偏器和可旋转的半波片组成，或由分光棱镜和多个检偏器组成，或由光栅、波片阵列和偏振片阵列组成。

若所述的偏振移相器由固定的四分之一波片和可旋转的检偏器组成，或由固定的1/4波片、检偏器和可旋转的半波片组成，则依次旋转检偏器或半波片即可实现时域移相。若所述的偏振移相器由分光棱镜和多个检偏器组成，或由光栅、波片阵列和偏振片阵列组成，则可实现空间移相。

所述的成像镜组是将在毛玻璃上形成的干涉图成像于所述的图像传感器上。

所述的计算机为具有移相剪切干涉图像处理软件的计算机，可以对移相剪切干涉图像进行采集、控制、处理和分析，进而复原出波面信息。

本发明显著的优点是

本发明利用偏振分束薄膜的分束、合束和直角棱镜的光束反射、位移构成了循环式干涉光路。因此本发明与先前技术相比，完全共光路干涉使其能有效地抑制外界环境的影响，循环式干涉光路使得仪器结构更为简单紧凑，从而提高了仪器的测量精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明的偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪实施例的结构示意图。

图2为本发明在偏振移相器的移相量依次为0°、90°、180°、270°时的移相剪切干涉图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明所述的偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪实施例的结构示意图。如图1所示，本发明实施例偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，由雅敏平行平板1、剪切平板2、直角棱镜3、偏振移相器4、毛玻璃5、成像镜组6、图像传感器7和计算机8组成，所述的雅敏平行平板1的入射工作面A的上半部分镀有偏振分束薄膜，所述的剪切平板2为光学平行平板，放置在所述的雅敏平行平板1和直角棱镜3之间的上半部分光路中，所述的剪切平板2具有绕平行于入射面且垂直于光束传输方向的转轴旋转的调节机构；所述的雅敏平行平板1、剪切平板2和双面直角棱镜3构成循环式剪切干涉光路，在所述的雅敏平行平板1的光束输出端依次是所述的偏振移相器4、毛玻璃5、变倍成像镜组6和图像传感器7，该图像传感器7的输出端接计算机8，所述的计算机8具有移相剪切干涉图像处理软件的计算机，可以对移相剪切干涉图像进行采集、处理和分析，进而复原出波面信息。

如图1所示，所述的雅敏平行平板1的工作面A为入射工作面，工作面A上镀有偏振分束薄膜，偏振分束薄膜位于工作面A的分光部位，即工作面A的上半部分，在图1中偏振分束薄膜用靠近工作面A上半部分的间断线表示。

所述的剪切平板2为光学平行平板，放置在雅敏平行平板1和直角棱镜3之间的上半部分光路中，即入射光束由雅敏平行平板1的工作面A反射形成的光路中。所述的剪切平板2具有可以绕平行于入射面且垂直于光束传输方向转轴的旋转机构。

所述的计算机8为具有移相剪切干涉图像处理软件的计算机，可以对移相剪切干涉图像进行采集、处理和分析，进而复原出波面信息。

本发明的工作过程如下：

如图1所示，待测光束以45°入射角入射在雅敏平行平板1的工作面A上，镀有偏振分束薄膜的工作面A的上半部分进行偏振分光形成了偏振方向相互垂直的两束光，即偏振分束薄膜的反射和透射分别产生的干涉光束I1和干涉光束I2。干涉光束I1的偏振方向垂直于入射平面，在图1中用小圆点表示。干涉光束I1经过剪切平板2的透射、直角棱镜3的两次反射后入射在雅敏平行平板1的工作面A的下半部分上。透过雅敏平行平板1的工作面A的下半部分的干涉光束I1依次由雅敏平行平板1的工作面B的下半部分、雅敏平行平板1的工作面A的上半部分进行反射并从雅敏平行平板1的工作面B的上半部分出射。干涉光束I2的偏振方向平行于入射平面，在图1中用小短线表示。干涉光束I2被雅敏平行平板1的工作面B的下半部分反射后从雅敏平行平板1的工作面A的下半部分出射。从雅敏平行平板1的工作面A的下半部分出射的干涉光束I2经过直角棱镜3的两次反射、剪切平板2的透射后入射在雅敏平行平板1的工作面A的上半部分上，透过雅敏平行平板1的工作面A的上半部分的干涉光束I2从雅敏平行平板1的工作面B的上半部分出射并与干涉光束I2进行合束。剪切平板2的旋转使传输方向相反的干涉光束I1和干涉光束I2在其上的入射角不是零度而在垂直于入射面的方向上产生剪切，故合束后的干涉光束I1和干涉光束I2之间具有一定的剪切量。偏振方向相互垂直且具有一定剪切量的干涉光束I1、干涉光束I2经过偏振移相器4后在毛玻璃5上产生移相剪切干涉。当偏振移相器4的移相量依次为0°、90°、180°、270°时，在毛玻璃5上形成的移相剪切干涉图如2的(a)、(b)、(c)、(d)所示。成像镜组6将移相剪切干涉图成像在图像传感器7上。图像传感器7输出的移相剪切干涉图像由计算机8采集并进行处理、分析。

下面给出一个最佳实施例的具体参数：

待测光束的口径为Ф50mm。雅敏平行平板1的材料为K9玻璃，长度为150mm，宽度为70mm，厚度为55mm。剪切平板2的材料为K9玻璃，宽度为55mm，厚度为30mm。直角棱镜3的材料为K9玻璃，直角边长为100mm，宽度为55mm。偏振移相器4由固定的四分之一波片与可旋转的检偏器组成，四分之一波片为石英波片，口径为Ф55mm，相位延迟精度为λ/300(λ为632.8nm)，检偏器为偏振片，口径为Ф55mm，消光比为300∶1。毛玻璃5的厚度为5mm，表面粗糙度为3.2。成像镜组6为双远心透镜组，放大倍率为0.06^×，对入射光束的通光口径为Ф55mm。图像传感器7为CCD图像传感器，光敏面为3.6mm×4.8mm。计算机8为具有移相剪切干涉图像处理软件的计算机，可以对移相剪切干涉图像进行采集、控制、处理和分析，进而复原出波面信息。

实验表明，与在先技术相比，本发明不仅保持了等光程干涉、剪切量可调等特点，还具有完全共光路、结构简单紧凑等优点。能有效地抑制外界环境的影响，提高了仪器的测量精度和稳定性。

Claims (4)

1.一种偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，其特征在于由雅敏平行平板(1)、剪切平板(2)、双面直角反射镜(3)、偏振移相器(4)、毛玻璃(5)、成像镜组(6)、图像传感器(7)和计算机(8)组成，所述的雅敏平行平板(1)的入射工作面A的上半部分镀有偏振分束薄膜，所述的剪切平板(2)为光学平行平板，放置在所述的雅敏平行平板(1)和直角棱镜(3)之间的上半部分光路中，所述的剪切平板(2)具有绕平行于入射面且垂直于光束传输方向的转轴旋转的调节机构；所述的雅敏平行平板(1)、剪切平板(2)和双面直角反射镜(3)构成循环式剪切干涉光路，在所述的雅敏平行平板(1)的光束输出端依次是所述的偏振移相器(4)、毛玻璃(5)、变倍成像镜组(6)和图像传感器(7)，该图像传感器(7)的输出端接计算机(8)，所述的计算机(8)具有移相剪切干涉图像处理软件的计算机，可以对移相剪切干涉图像进行采集、处理和分析，进而复原出波面信息。

2.根据权利要求1所述的偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，其特征在于所述的剪切平板是光学平行平板，或光学楔形平板。

3.根据权利要求1所述的偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，其特征在于所述的双面直角反射镜为直角棱镜，或放置成90°夹角的两块平面反射镜构成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的偏振移相循环式雅敏剪切干涉测量仪，其特征在于所述的偏振移相器(4)由固定的四分之一波片与可旋转的检偏器组成，或由固定的1/4波片、检偏器和可旋转的半波片组成，或由分光棱镜和多个检偏器组成，或由光栅、波片阵列和偏振片阵列组成。

Images