CN102967378A - 一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，包括：起偏器（P1），偏振分光棱镜（PBS），由焦距分别为f₁和f₂(f₁≠f₂）第一透镜（L1）和第二透镜（L2），以及第一反射镜（M1）和第二反射镜（M2）组成的缩束或扩束系统，1/4波片（QW），二元微偏振片阵列和光敏器件CCD相机。畸变光束进入该小型化径向剪切干涉仪，形成同光轴、偏振方向相互垂直且光束口径按相同比例缩放的光束对，并经过由1/4波片（QW）和二元微偏振片阵列组成的四步移相器后，投射到CCD相机的光敏面上，形成单帧干涉图。本发明无需绝对平面参考镜，可用于自适应光学等波前探测应用领域；采用全共光路结构，能够有效抑制环境扰动，对环境要求低，干涉图稳定。

Description

一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪

技术领域

本发明涉及一种基于干涉法进行波前测量的波前传感器的技术领域，特别是一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪。

背景技术

基于干涉原理的波前传感器，由于其空间分辨率高、测量精度高而受到广泛关注。典型的干涉型波前传感器如点衍射干涉仪、剪切干涉仪等。其中剪切干涉仪由于光能利用率高、共光路结构抵抗外界干扰等优点，得到研究人员的大量研究。

在专利“基于四步空间相移结构的共光路径向剪切干涉仪.专利申请号：201010034142.3”中，作者提出了一种基于四步空间偏振移相结构的共光路径向剪切干涉仪，成功实现了将径向剪切干涉仪的剪切相位差提取与经典四步移相算法相结合，大大简化了传统径向剪切干涉仪的相位提取算法，提高了算法效率，且有效降低相位提取的误差。然而，该发明中充当四步移相器的四步空间偏振移相结构过于复杂，使用的光学元器件相对较多，且调试过程繁琐。在此背景下，本文提出一种小型化的结构方案，在保证前述发明专利所拥有的诸多优点的基础上，如共光路结构抗环境干扰能力、采用四步移相算法降低相位提取难度并提高相位提取精度、干涉条纹对比度连续可调等，利用基于微偏振片阵列的小型四步移相器替代原有四步空间偏振移相结构，大大简化了光路结构，减少光学元器件的使用，从而减少加工等误差来源。

本发明提出的设计方案，相较于传统径向剪切干涉仪，在不影响其抗干扰能力的前提下，引入四步移相结构，大大简化和降低相位提取复杂程度和难度；相较于基于四步空间偏振移相结构的径向剪切干涉仪而言，本发明专利提出的方案，有效降低结构复杂程度，大幅度减少光学元器件的使用，便于安装和携带，在某些复杂环境下优越性明显。此外，光学元器件的大幅度减少，也有效降低由于光学加工误差、装调误差等额外误差来源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统径向剪切干涉仪相位提取算法复杂、相位提取难度高、相位提取精度较低等缺点，通过引入四步空间移相器，利用经典四步移相算法有效克服传统径向剪切干涉仪相位提取算法复杂、相位提取精度低等缺点。同时，可以用于共光路结构的四步空间移相结构使用元器件多、结构复杂，在复杂环境下使用时，误差源较多，会影响其波前探测精度。此外，由于四步移相算法的使用，四个光强值能够计算出一个对应的相位值，这在一定程度上降低了径向剪切干涉仪的波前空间分辨能力。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，包括：起偏器，偏振分光棱镜，由焦距分别为f₁和f₂的第一透镜和第二透镜，以及第一反射镜和第二反射镜组成的缩束或扩束系统，1/4波片，二元微偏振片阵列和光敏器件CCD相机；其中f₁≠f₂；

畸变光束进入基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪后，首先经过起偏器后被偏振分光棱镜分成偏振方向沿水平方向的反射光束和偏振方向沿竖直方向的透射光束，偏振方向沿水平方向的反射光束经过第一透镜、第一反射镜、第二反射镜以及第二透镜后，最终被偏振分光棱镜再次反射，其光束口径被相应缩小或扩大；设入射光束口径为D₀，则缩束或扩束后光束口径为D₁，且D₁=D₀×f₂/f₁；同样，偏振方向沿竖直方向的透射光束经过第二透镜、第二反射镜、第一反射镜以及第一透镜后，最终被偏振分光棱镜再次透射，其光束口径被相应扩大或缩小；扩束或缩束后光束口径为D₂，且满足D₂=D₀×f₁/f₂；这样，包含畸变波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱镜和缩扩束系统后，形成两束同光轴、偏振方向分别沿水平和垂直方向的光束对，共同进入快轴沿45°方向的1/4波片和由微偏振片阵列组成的相位掩模板（PhaseMask）中，并最终投射到CCD相机的光敏面上；微偏振片阵列是由一系列大小与CCD相机像元大小相同的微偏振片组成，相邻四个像元对应的四个微偏振片的起偏角分别为0°、45°、90°和135°；根据偏振移相原理，四个相邻像元之间的相移量分别对应为0，π/2、π和3π/2，根据四步移相算法，即能够计算出对应位置的相位值，依次类推，可以从探测到的单帧干涉图中提取出径向剪切相位差分布。

其中，对波前测量无需绝对平面作为参考，仅以待测光束自身局部区域为参考，回避绝对平面参考镜加工误差等引入的波前测量误差。

其中，全光路采用共光路结构，保证该结构对外界干扰的免疫能力。

其中，对应于CCD探测器件单个像元上探测到的干涉图，其干涉对比度可以通过起偏器（P1）的角度进行调节。

其中，干涉图采集仅需要一个光电探测器件，从干涉图中提取出的相位差空间分辨力与光电探测的探测单元数有关，对应有效探测单元越多，其空间分辨力也越高。

其中，单个微偏振片大小不仅能够对应于单个光电探测器单元，也能够对应任意个光电探测器单元。

其中，所述的缩束或扩束系统中透镜组合第一透镜和第二透镜，用共焦点在透镜同一侧的正-负透镜组成，或者用共焦点在两透镜之间的正-正透镜组成。

其中，所述的径向剪切干涉仪径向剪切比由第一透镜和第二透镜的焦距大小决定。

其中，从M×N个像元数的光电探测器的测量数据中，提取出的剪切相位差分布空间分辨率可以达到(M-2)×(N-2)。

本发明的原理在于：

通过引入四步空间移相器，利用经典四步移相算法有效克服传统径向剪切干涉仪相位提取算法复杂、相位提取精度低等缺点。同时，将基于1/4波片和微偏振片阵列的四步移相器引入径向剪切干涉仪中，大大简化基于四步空间移相结构径向剪切干涉仪结构复杂性，有效降低由于光学加工误差、装调误差等额外误差来源，便于携带，特别有利于复杂环境下的波前测量。通过对基于微偏振片阵列型四步移相器的算法改进，提出采用交错使用四步移相算法将相位提取结果的分辨率提高近一倍。如附图1所示，基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪由起偏器P1，偏振分光棱镜PBS，由焦距分别为f₁和f₂(f₁≠f₂）透镜L1和透镜L2，以及反射镜M1和M2组成的缩(扩)束系统，1/4波片QW，二元微偏振片阵列PhaseMask和光敏器件CCD相机组成。畸变光束进入基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪后，首先经过起偏器P1后被偏振分光棱镜PBS分成偏振方向沿水平方向的反射光束Beam1和偏振方向沿竖直方向的透射光束Beam2。偏振方向沿水平方向的反射光束Beam1进入由透镜L1、L2以及反射镜M1和M2组成的缩(扩)束系统后，最终被偏振分光棱镜PBS再次反射，其光束口径被相应缩小(扩大)。设入射光束口径为D₀，则缩束(扩束)后光束口径为D₁，且D₁=D₀×f₂/f₁；同样，偏振方向沿竖直方向的透射光束Beam2进入由透镜L2、L1以及反射镜M2和M1组成的扩(缩)束系统后，最终被偏振分光棱镜PBS再次反射，其光束口径被相应扩大(缩小)。扩束(缩束)后光束口径为D₂，且满足D₂=D₀×f₁/f₂。这样，包含畸变波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱镜PBS和缩扩束系统后，形成两束同光轴、偏振方向分别沿水平和垂直方向的光束对，共同进入由快轴沿45°方向的1/4波片和微偏振片阵列组成的PhaseMask中，并最终投射到CCD相机的光敏面上。微偏振片阵列是由一系列大小与CCD相机像元大小相同的微偏振片组成，相邻四个像元对应的四个微偏振片的起偏角分别为0°、45°、90°和135°。根据偏振移相原理，可以得到相移量与偏振片起偏角度之间的关系。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1).相对于普通干涉仪，本发明无需绝对平面参考镜，可用于自适应光学等波前探测应用领域；采用全共光路结构，能够有效抑制环境扰动，对环境要求低，干涉图稳定；

(2).相对于传统径向剪切干涉仪，本发明通过结构的改进引入四步移相算法，大大减小传统径向剪切干涉仪从单帧干涉图中提取相位差分布的复杂性和难度，大大提高相位提取的速度和精度，在波前探测，尤其是自适应光学领域高时间频率和高空间频率波前探测应用中，优越性明显；

(3).本发明采用基于1/4波片和微偏振片阵列的微型四步空间偏振移相器，大大减少了光学元器件、尤其是偏振光学元件的使用，减少了误差源；结构紧凑，便于携带，尤其适合在复杂环境下的波前检测或镜面检测任务；

(4).创新性地提出多次利用四步移相算法的方法，有效提高波前采样率。相对于传统的四步移相干涉仪，对于M×N个有效探测单元的光电探测器，提取出的相位差分布空间分辨力至少达到(M-2)×(N-2)，波前采样率提高近一倍。这对于高空间频率的畸变波前诊断具有重要意义。

总之，本发明将四步空间偏振移相原理引入径向剪切干涉仪中，能够避免使用传统径向剪切干涉仪复杂的相位提取算法，实现对自适应光学系统等进行高速、高精度波前检测；同时通过小型化设计，便于携带和复杂环境下使用，优越性明显。本发明通过对传统径向剪切干涉仪的改进，降低了径向剪切干涉仪相位提取复杂性，提高了其波前检测的速度和精度，小型化结构也增加了其便携性，有效拓展了径向剪切干涉仪的应用领域和范围。

附图说明

图1为基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪光路原理示意图；

图2为基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪CCD成像示意图；

图3为微偏振片阵列及其对应起偏方向、相位提取分辨率示意图；

图4为分别丢弃首行、首列及首行和首列探测单元后，改进后四步移相算法对应像元位置示意图；

图5为采用本专利提出的多次四步移相算法计算出对应相位值位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪包括起偏器P1，偏振分光棱镜PBS，由焦距分别为f₁和f₂(f₁≠f₂）第一透镜L1和第二透镜L2，以及第一反射镜M1和第二反射镜M2组成的缩束或扩束系统，1/4波片QW，由二元微偏振片阵列组成的相位掩模板（PhaseMask）和光敏器件CCD相机。畸变光束W进入基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪后，首先经过起偏器P1后被偏振分光棱镜PBS分成偏振方向沿水平方向的反射光束Beam1和偏振方向沿竖直方向的透射光束Beam2。偏振方向沿水平方向的反射光束Beam1经过第一透镜L1、第一反射镜M1、第二反射镜M2以及第二透镜L2后，最终被偏振分光棱镜PBS再次反射，其光束口径被相应缩小或扩大。设入射光束口径为D₀，则缩束或扩束后光束口径为D₁，且D₁=D₀×f₂/f₁；同样，偏振方向沿竖直方向的透射光束Beam2经过第二透镜L2、0第二反射镜M2、第一反射镜M1以及第一透镜L1后，最终被偏振分光棱镜PBS再次透射，其光束口径被相应扩大或缩小。扩束或缩束后光束口径为D₂，且满足D₂=D₀×f₁/f₂。这样，包含畸变波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱镜PBS和缩扩束系统后，形成两束同光轴、偏振方向分别沿水平和垂直方向的光束对，共同进入快轴沿45°方向的1/4波片和由微偏振片阵列组成的相位掩模板（PhaseMask）中，并最终投射到CCD相机的光敏面上。微偏振片阵列是由一系列大小与CCD相机像元大小相同的微偏振片组成，相邻四个像元对应的四个微偏振片的起偏角分别为0°、45°、90°和135°。根据偏振移相原理，可以得到相移量与偏振片起偏角度之间的关系，如公式(1)所示：

σ=2πθ/180                                    (1)

根据公式(1)可以得到四个相邻像元之间的相移量分别对应为0，π/2、π和3π/2.根据简单的四步移相原理，可以计算出对应四个像元所对应的一个相位差值。基于微偏振片阵列的四步移相原理如附图2所示。设某位置处四个相邻像元(i,j),(i+1,j),(i,j+1)和(i+1,j+1)所对应的光强值分别为I_i，j,I_i+1，j,I_i，j+1和I_i+1，j+1,则根据如下四步移相算法可以计算出该四个像元所对应中间位置处的径向剪切相位差值

为：

依次类推，可以从探测到的单帧干涉图中提取出径向剪切相位差分布。

依据上述方法可以较快速地计算出对应的相位差，对于N×N个有效探测单元的光电探测器而言，从其探测到的光强分布数据中提取出的相位差分布空间分辨率为N/2×N/2。此时计算得到的相位差分布如附图3中“1”标记所示，记为

另一方面，当光电探测器件的第一列探测单元丢弃不考虑时，利用四步移相算法可以再次计算出对应的相位差分布，记为

依次类推，当光电探测器的第一行以及第一行和第一列分别丢弃不考虑时，再次利用类似的四步移相算法可以计算出对应位置的相位差分布，分别记为

和这一过程如附图4所示，计算出的相位差分布

和

分别对应附图5中①，②，③，④所示。对应的四步移相算法分别如下式所示：

由此，对于N×N个有效探测单元的光电探测器而言，运用四步移相算法可以得到至少(N-2)×(N-2)空间分辨力的径向剪切相位差，通过对该相位差进行进一步波前复原，最终实现对畸变波前的诊断。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (9)

1.一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于，包括：起偏器（P1），偏振分光棱镜（PBS），由焦距分别为f₁和f₂的第一透镜（L1）和第二透镜（L2），以及第一反射镜（M1）和第二反射镜（M2）组成的缩束或扩束系统，1/4波片（QW），二元微偏振片阵列（PM）和光敏器件CCD相机；其中f₁≠f₂；

畸变光束（W）进入基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪后，首先经过起偏器(P1)后被偏振分光棱镜(PBS)分成偏振方向沿水平方向的反射光束和偏振方向沿竖直方向的透射光束，偏振方向沿水平方向的反射光束经过第一透镜（L1）、第一反射镜（M1）、第二反射镜（M2）以及第二透镜（L2）后，最终被偏振分光棱镜（PBS）再次反射，其光束口径被相应缩小或扩大；设入射光束口径为D₀，则缩束或扩束后光束口径为D₁，且D₁=D₀×f₂/f₁；同样，偏振方向沿竖直方向的透射光束经过第二透镜（L2）、第二反射镜（M2）、第一反射镜（M1）以及第一透镜（L1）后，最终被偏振分光棱镜（PBS）再次透射，其光束口径被相应扩大或缩小；扩束或缩束后光束口径为D₂，且满足D₂=D₀×f₁/f₂；这样，包含畸变波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱镜（PBS）和缩扩束系统后，形成两束同光轴、偏振方向分别沿水平和垂直方向的光束对，共同进入快轴沿45°方向的1/4波片和由微偏振片阵列组成的相位掩模板中，并最终投射到CCD相机的光敏面上；其中，微偏振片阵列是由一系列大小与CCD相机像元大小相同的微偏振片组成，相邻四个像元对应的四个微偏振片的起偏角分别为0°、45°、90°和135°；根据偏振移相原理，四个相邻像元之间的相移量分别对应为0，π/2、π和3π/2，根据四步移相算法，即能够计算出对应位置的相位值，依次类推，可以从探测到的单帧干涉图中提取出径向剪切相位差分布。

2.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：对波前测量无需绝对平面作为参考，仅以待测光束自身局部区域为参考，回避绝对平面参考镜加工误差等引入的波前测量误差。

3.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：全光路采用共光路结构，保证该结构对外界干扰的免疫能力。

4.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：对应于CCD探测器件单个像元上探测到的干涉图，其干涉对比度可以通过起偏器（P1）的角度进行调节。

5.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：干涉图采集仅需要一个光电探测器件，从干涉图中提取出的相位差空间分辨力与光电探测的探测单元数有关，对应有效探测单元越多，其空间分辨力也越高。

6.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：单个微偏振片大小不仅能够对应于单个光电探测器单元，也能够对应任意个光电探测器单元。

7.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：所述的缩束或扩束系统中透镜组合第一透镜（L1）和第二透镜（L2），用共焦点在透镜同一侧的正-负透镜组成，或者用共焦点在两透镜之间的正-正透镜组成。

8.根据权利要求7所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：所述的径向剪切干涉仪径向剪切比由第一透镜（L1）和第二透镜（L2）的焦距大小决定。

9.根据权利要求1所述的基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，其特征在于：从M×N个像元数的光电探测器的测量数据中，提取出的剪切相位差分布空间分辨率可以达到(M-2)×(N-2)。

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