CN106813778A - 一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，包括偏振方向调制器(1)，偏振环路径向剪切系统CRSS，微相位调制阵列MPA以及光电探测器(9)，微相位调制阵列MPA由微波片阵列(7)和检偏器(8)组成，利用双折射晶体双折射效应，采用微光学加工方法制作微相位调制阵列实现对径向剪切光束空间相移干涉，通过随机相移算法反演待测光束波前相位分布。本发明采用全共光路结构，能够环境振动免疫，干涉图稳定；结构紧凑，便于移植；微光学器件尺度大，精度要求低，成本低廉，便于批量化生产；光谱范围宽，对色差不敏感。本发明可应用于自适应光学、光学检测、热成像等领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于干涉原理的波前传感器的技术领域，特别涉及一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置。
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：CN201010034142.3)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，该专利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，专利“一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪”(专利申请号：CN201210524041.1)中，作者提出一种基于微偏振片阵列偏振移相原理的小型化径向剪切干涉仪，该专利成功规避了专利“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：CN201010034142.3)中的缺点，实现了小型化，紧凑化，相对于之前的专利更进了一步。然而，这种小型化的径向剪切干涉仪在实际产品化的过程中任然存在一些缺点，主要包括微偏振片阵列工艺复杂、加工精度要求高(一般金属线栅宽度在50-70nm，且线栅角度要求较高)、成本高、整体透过率较低(50％左右)、只能对特定波长进行干涉，系统间可移植性不好等缺点。
基于以上背景，本发明提出基于微光学器件的新型径向剪切干涉波前探测装置，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、结构紧凑易于小型化、光路简单减少误差源等优点的基础上，采用新的基于微波片阵列的偏振移相原理，极大降低对偏振移相器件的加工尺度要求(可放宽至10-20μm)和加工精度要求(加工后定标)，克服传统干涉仪只能对特定波长光谱进行波前相位检测的缺点，形成一个抗环境干扰、结构紧凑、光谱应用范围宽、加工尺度较大、微光学元器件加工要求低、便于批量化生产的新型小型化偏振移相径向剪切干涉波前探测装置。本发明可应用于自适应光学系统波前探测、光学元器件检测、热变形和应力变形等领域，创新性强，实用性明显。
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结构复杂程度高、基于金属线栅式的微偏振片阵列工艺复杂、加工精度要求高、成本高、不利于批量化以及只能针对特定光谱探测等缺点，提出采用全新的基于微波片阵列和检偏器组成的微相位调制阵列作为偏振移相器，对径向剪切偏振光束对进行微偏振移相，并最终利用随机相移算法求解待测相位。该方法仅针对双折射晶体加工像素级大小、深度不同的微结构阵列，单元尺度大小为10-20μm级，且由于随机相移算法的使用对深度加工精度要求不高且对较宽光谱适用，无论从加工尺度还是加工精度要求方面，加工难度、制造成本和参数要求均极大降低，应用范围和领域大大拓宽，创新性和实用性显著。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，包括偏振方向调制器，偏振环路径向剪切系统，微相位调制阵列MPA以及光电探测器，微相位调制阵列MPA由微波片阵列和检偏器组成，其中偏振方向调制器用于对入射待测光束偏振态进行调制，包括起偏和偏振方向调制，对于线偏振光入射时，偏振方向调制器可以采用半波片，对入射线偏振光的偏振方向进行调整，角度调整量Δθ与入射光偏振方向和半波片快轴方向夹角θ满足如下关系：
Δθ＝2θ (1)
当入射光为非偏振光时，偏振方向调制器应选择起偏器，对入射光偏振状态进行调制；
入射光束经过偏振调制器后被转换成具有特定偏振方向的线偏振光，经过偏振分光棱镜PBS后被分成两束偏振方向分别沿水平方向的p光和竖直方向的s光，其中p光被反射，s光被透射，两束线偏振光均进入由透镜L1、反射镜M1、反射镜M2、透镜L2组成的偏振环路径向剪切系统CRSS中，其中透镜L1和L2的焦距分别为f1和f2(f1≠f2)，且L1和L2共焦点，共同组成一个缩束/扩束系统，当p光和s光分别沿L1→M1→M2→L2和L2→M2→M1→L1入射后，分别被扩束和缩束，并再次到达偏振分光棱镜PBS中，由于在扩束和缩束过程中偏振状态并没发生改变，其反射和透射性能仍与入射光相同，即p光仍被反射，s光仍被透射，形成偏振径向剪切干涉光束对，其中，当f1＞f2时，p光将被缩束，s光将被扩束；反之，p光将被扩束，s光将被缩束；
偏振径向剪切光束对入射进入微相位调制阵列MPA中，分别经过微波片阵列和检偏器，其中，微波片阵列是在光轴方向与表面平行的双折射晶体基底上，加工周期为2像素×2像素的周期性深槽，利用双折射晶体对不同偏振方向入射光折射率的差异，实现在偏振方向相互垂直的两束光束间引入相移，其中，双折射晶体的快轴方向沿水平方向或竖直方向，像素大小与光电探测器的最小单元尺寸有关，其可以与光电探测器像元尺寸相同，也可以是光电探测其像元尺寸的整数倍，对于2N×2N的光电探测器像元数，微波片阵列的周期数一般为N×N，单个周期微波片阵列数为2×2，设入射光波长为λ，设微波片阵列单个像素的厚度为d，对p光和s光的折射率分别为np和ns，则该像素内的相移量Δδ为：
Δδ＝2π|np-ns|d/λ (2)
在两束偏振方向相互垂直的偏振光束间引入相移量Δδ后，由于其偏振态与双折射晶体快轴方向平行或垂直，因此出射后光束的偏振态不发生改变，仍保持相互垂直状态，不满足相互干涉的条件，检偏器位于微波片阵列之后，其检偏方向介于水平方向和竖直方向之间，用于在两个偏振方向相互垂直偏振光束间选取共同方向的偏振分量，使得形成两束偏振方向相同的相干光束，最终发生相互干涉，形成干涉条纹，设微波片阵列周期数为N×N，对应像素数为2N×2N，(m,n)代表对应周期的行序号和列序号，则对应单个周期内的干涉图可用下式表示：
其中，下标1，2，3，4分别表示单个周期内的像素序号；Ii(m,n)为对应周期位置为(m,n)的第i个像素干涉光强，Ia(m,n)为对应周期位置为(m,n)的相干光束a的光强，Ib(m,n)为对应周期位置为(m,n)的相干光束b的光强，Δδi(m,n)为对应周期位置为(m,n)的第i个像素引入的相移量(对应公式2)，为对应第(m,n)周期的待测相位差，其取值与原始待测相位以及系统参数有关，即：
其中，r＝f1/f2为径向剪切干涉仪的剪切比，[]为取整符号；
公式(3)可进一步展开为：
Ii(m,n)＝K(m,n)+L(m,n)cos[Δδi(m,n)]+R(m,n)sin[Δδi(m,n)],i＝1,2,3,4 (5)
其中，
利用上式可以求解系数矩阵K(m,n)，L(m,n)以及R(m,n)，可以利用下式计算待测光束的径向剪切相位差和两个偏振分量振幅分布Ia(m,n)、Ib(m,n)：
最终可以利用相关的相位复原算法复原原始待测光束的波前相位分布。
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，干涉图采集仅需要一个光电探测器，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，偏振环路径向剪切系统中所述的缩束或扩束系统中透镜L1和透镜L2，可采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，当入射光为线偏振光时，偏振方向调制器可以选择半波片，也可以选择起偏器，但半波片为最优偏振调制器；当入射光为非线偏振光时，偏振方向调制器应选择起偏器，偏振方向调制器的作用是对入射光偏振态进行调制，使之能够出射一定偏振方向的线偏振光。
其中，通过调节偏振调制器的角度，可以改变两个偏振光束的强度，并最终达到调节干涉条纹对比度的目的。
其中，检偏器的作用是对两束偏振方向相互垂直的光束进行检偏，最终使得两束偏振光的偏振方向相同，相互干涉形成干涉条纹，其可以采用薄膜偏振片，也可以采用微光学加工方法加工像素级微偏振片阵列，只要能够选取两束偏振光中相同偏振分量，使之相互干涉形成干涉条纹即可。
其中，微波片阵列的作用在于在两束偏振方向相互垂直的偏振光束间引入相移量，其常用基底材料为双折射材料，可以选择冰洲石、石英、方解石或其中任意组合，只要满足通过厚度的调整引入不同相移量的功能要求即可。
其中，微波片阵列为周期性阵列，每个周期内的像素大小可以与光电探测器的单个像元一一对应，也可以为光电探测器的整数倍。
其中，微波片阵列单个周期内的像素数可以为2×2，也可以为n×n。
本发明的原理在于：本发明提出采用全新的基于微波片阵列和检偏器组成的微相位调制阵列作为偏振移相器，对径向剪切偏振光束对进行微偏振移相，并最终利用随机相移算法求解待测相位。该方法仅针对双折射晶体加工像素级大小、深度不同的微结构阵列，单元尺度大小为10-20μm量级，且由于随机相移算法的使用对深度加工精度要求不高且对较宽光谱适用，无论从加工尺度还是加工精度要求方面，加工难度、制造成本和参数要求均极大降低，应用范围和领域大大拓宽，创新性和实用性显著。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1).相对于普通干涉仪，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，本发明通过引入微光学偏振移相原理的微相位调制器，大大降低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，极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).本发明创新性的提出在同一双折射晶体基片上通过刻蚀不同深度实现在不同偏振态光束之间产生恒定相位差的方法，避免了使用多种材料、多个光轴方向等带来的相移不均匀、刻蚀工艺复杂、引入拼接误差等问题，也极大简化加工工艺，降低复杂性；
(4).本发明采用基于微波片阵列和检偏器组成的微相位调制器，在保证结构紧凑、光学元件少的前提下，极大降低微光学元器件的加工尺度要求和加工精度要求成量级降低，有效降低成本，提高效率；
(5).本发明采用基于微波片阵列和检偏器组成的微相位调制器，并引入随机移相算法反演剪切相位差，改变了传统相移传感器需要产生精确的相移量缺点，对空间移相量大小没有精确限制，极大放宽微波片阵列的加工要求，使用当前工艺极易实现工业化、产品化和批量化。
总之，本发明提出了一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，在保证传统径向剪切干涉仪共光路、抗环境干扰等优点的基础上，引入基于微波片阵列和检偏器的微相位调制器，成功解决传统径向剪切干涉仪相位提取困难、精度不高的缺点，极大提高径向剪切干涉测量方法的波前相位探测精度和速度；同时，通过像素级微波片的使用，微光学器件的加工尺度在10-20μm量级，相对于50-70nm量级微偏振片阵列的使用，其加工尺度呈现量级的降低；此外，随机相移算法的引入也使得对位波片阵列的加工精度要求大大降低；以上特点使得本发明极易实现、成本极低，非常便于批量化和产品化。本发明结构紧凑，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，极大降低微光学器件加工复杂性和成本，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为基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置原理示意图；
图2为偏振分光棱镜PBS分光原理示意图；
图3为微波片阵列和检偏器组成的微相位调制器结构示意图；
图4为微相位调制器单个像素与光强探测像元之间对应关系示意图；
图中附图标记含义为：1为偏振方向调制器，2为偏振分光棱镜PBS，3为透镜L1，4为反射镜M1，5为反射镜M2，6为透镜L2，7为微波片阵列，8为检偏器，9为光电探测器。
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，一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，包括偏振方向调制器1，偏振环路径向剪切系统(CRSS)，由微波片阵列7和检偏器8组成的微相位调制阵列MPA，以及光电探测器9等组成。
畸变光束进入基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置后，首先经过偏振方向调制器1，其主要作用是选取或改变入射光的偏振状态，形成具有特定偏振方向的线偏振光。入射光束经过偏振调制器1后被转换成具有特定偏振方向的线偏振光，经过如图2所示的偏振分光棱镜PBS(2)后被分成两束偏振方向分别沿水平方向的p光和竖直方向的s光，其中p光被反射，s光被透射。两束线偏振光均进入有透镜L1(3)、反射镜M1(4)、反射镜M2(5)、透镜L2(6)组成的偏振环路径向剪切系统CRSS中。其中透镜L1(3)和透镜L2(6)的焦距分别为f1和f2(f1≠f2)，且L1(3)和L2(6)共焦点，共同组成一个缩束/扩束系统。当p光和s光分别沿L1(3)→M1(4)→M2(5)→L2(6)和L2(6)→M2(5)→M1(4)→L1(3)入射后，分别被扩束和缩束，并再次到达偏振分光棱镜PBS(2)中。由于在扩束和缩束过程中偏振状态并没发生改变，其反射和透射性能仍与入射光相同，即p光仍被反射，s光仍被透射，形成偏振径向剪切干涉光束对。其中，当f1＞f2时，p光将被缩束，s光将被扩束；反之，p光将被扩束，s光将被缩束。
偏振径向剪切光束对入射进入如图3所示的微相位调制阵列MPA中，分别经过微波片阵列7和检偏器8。其中，微波片阵列7是在光轴方向与表面平行的双折射晶体基底上，加工周期为2像素×2像素的周期性深槽，利用双折射晶体对不同偏振方向入射光折射率的差异，实现在偏振方向相互垂直的两束光束间引入相移。其中，双折射晶体的快轴方向沿水平方向或竖直方向。双折射晶体的主要用途为在两束偏振态相互垂直的光束间引入相移量，在实际应用中可以根据不同光谱范围和加工要求选择冰洲石、方解石、石英等材料，具体加工厚度与材料的双折射率和实际要求的波长和相移量有关。像素大小与光电探测器的最小单元尺寸有关，其可以与光电探测器像元尺寸相同，也可以是光电探测器其像元尺寸的整数倍。对于2N×2N的光电探测器像元数，微波片阵列的周期数一般为N×N，单个周期微波片阵列数为2×2。设微波片阵列单个像素的厚度为d，对p光和s光的折射率分别为np和ns，则该像素内的相移量Δδ如中公式(2)所示。
检偏器8位于微波片阵列7之后，其检偏方向介于水平方向和竖直方向之间，用于在两个偏振方向相互垂直偏振光束间选取共同方向的偏振分量，使得形成两束偏振方向相同的相干光束，最终发生相互干涉，形成干涉条纹。设微波片阵列周期数为N×N，对应像素数为2N×2N，(m,n)代表对应周期的行序号和列序号，则对应单个周期内的干涉图可用公式(3)所示。最终可以根据公式(5)～公式(7)求解径向剪切相位差分布和相干光束的强度分布，利用相关的相位复原算法复原原始待测光束的波前相位分布。
在实际系统中，图3所示的微相位调制器的每个周期内的单个像素需要与光强探测器的像元一一对应，如图4所示。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (10)
1.一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：包括偏振方向调制器(1)，偏振环路径向剪切系统，微相位调制阵列MPA以及光电探测器(9)，微相位调制阵列MPA由微波片阵列(7)和检偏器(8)组成，其中偏振方向调制器(1)用于对入射待测光束偏振态进行调制，包括起偏和偏振方向调制，对于线偏振光入射时，偏振方向调制器(1)可以采用半波片，对入射线偏振光的偏振方向进行调整，角度调整量Δθ与入射光偏振方向和半波片快轴方向夹角θ满足如下关系：
Δθ＝2θ (1)
当入射光为非偏振光时，偏振方向调制器(1)应选择起偏器，对入射光偏振状态进行调制；
入射光束经过偏振调制器(1)后被转换成具有特定偏振方向的线偏振光，经过偏振分光棱镜PBS(2)后被分成两束偏振方向分别沿水平方向的p光和竖直方向的s光，其中p光被反射，s光被透射，两束线偏振光均进入由透镜L1(3)、反射镜M1(4)、反射镜M2(5)、透镜L2(6)组成的偏振环路径向剪切系统CRSS中，其中透镜L1(3)和L2(6)的焦距分别为f1和f2(f1≠f2)，且L1(3)和L2(6)共焦点，共同组成一个缩束/扩束系统，当p光和s光分别沿L1(3)→M1(4)→M2(5)→L2(6)和L2(6)→M2(5)→M1(4)→L1(3)入射后，分别被扩束和缩束，并再次到达偏振分光棱镜PBS(2)中，由于在扩束和缩束过程中偏振状态并没发生改变，其反射和透射性能仍与入射光相同，即p光仍被反射，s光仍被透射，形成偏振径向剪切干涉光束对，其中，当f1＞f2时，p光将被缩束，s光将被扩束；反之，p光将被扩束，s光将被缩束；
偏振径向剪切光束对入射进入微相位调制阵列MPA中，分别经过微波片阵列(7)和检偏器(8)，其中，微波片阵列(7)是在光轴方向与表面平行的双折射晶体基底上，加工周期为2像素×2像素的周期性深槽，利用双折射晶体对不同偏振方向入射光折射率的差异，实现在偏振方向相互垂直的两束光束间引入相移，其中，双折射晶体的快轴方向沿水平方向或竖直方向，像素大小与光电探测器的最小单元尺寸有关，其可以与光电探测器像元尺寸相同，也可以是光电探测其像元尺寸的整数倍，对于2N×2N的光电探测器像元数，微波片阵列的周期数一般为N×N，单个周期微波片阵列数为2×2，设入射光波长为λ，设微波片阵列单个像素的厚度为d，对p光和s光的折射率分别为np和ns，则该像素内的相移量Δδ为：
Δδ＝2π|np-ns|d/λ (2)
在两束偏振方向相互垂直的偏振光束间引入相移量Δδ后，由于其偏振态与双折射晶体快轴方向平行或垂直，因此出射后光束的偏振态不发生改变，仍保持相互垂直状态，不满足相互干涉的条件，检偏器(8)位于微波片阵列(7)之后，其检偏方向介于水平方向和竖直方向之间，用于在两个偏振方向相互垂直偏振光束间选取共同方向的偏振分量，使得形成两束偏振方向相同的相干光束，最终发生相互干涉，形成干涉条纹，设微波片阵列周期数为N×N，对应像素数为2N×2N，(m,n)代表对应周期的行序号和列序号，则对应单个周期内的干涉图可用下式表示：
其中，下标1，2，3，4分别表示单个周期内的像素序号；Ii(m,n)为对应周期位置为(m,n)的第i个像素干涉光强，Ia(m,n)为对应周期位置为(m,n)的相干光束a的光强，Ib(m,n)为对应周期位置为(m,n)的相干光束b的光强，Δδi(m,n)为对应周期位置为(m,n)的第i个像素引入的相移量，为对应第(m,n)周期的待测相位差，其取值与原始待测相位以及系统参数有关，即：
其中，r＝f1/f2为径向剪切干涉仪的剪切比，[]为取整符号；
公式(3)可进一步展开为：
Ii(m,n)＝K(m,n)+L(m,n)cos[Δδi(m,n)]+R(m,n)sin[Δδi(m,n)],i＝1,2,3,4 (5)
其中，
利用上式可以求解系数矩阵K(m,n)，L(m,n)以及R(m,n)，可以利用下式计算待测光束的径向剪切相位差和两个偏振分量振幅分布Ia(m,n)、Ib(m,n)：
最终可以利用相关的相位复原算法复原原始待测光束的波前相位分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，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。
3.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：干涉图采集仅需要一个光电探测器(9)，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。
4.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：偏振环路径向剪切系统(CRSS)中所述的缩束或扩束系统中透镜L1和透镜L2，可采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。
5.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：当入射光为线偏振光时，偏振方向调制器(1)可以选择半波片，也可以选择起偏器，但半波片为最优偏振调制器；当入射光为非线偏振光时，偏振方向调制器(1)应选择起偏器，偏振方向调制器(1)的作用是对入射光偏振态进行调制，使之能够出射一定偏振方向的线偏振光。
6.根据权利要求5所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：通过调节偏振调制器(1)的角度，可以改变两个偏振光束的强度，并最终达到调节干涉条纹对比度的目的。
7.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：检偏器(8)的作用是对两束偏振方向相互垂直的光束进行检偏，最终使得两束偏振光的偏振方向相同，相互干涉形成干涉条纹，其可以采用薄膜偏振片，也可以采用微光学加工方法加工像素级微偏振片阵列，只要能够选取两束偏振光中相同偏振分量，使之相互干涉形成干涉条纹即可。
8.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：微波片阵列(7)的作用在于在两束偏振方向相互垂直的偏振光束间引入相移量，其常用基底材料为双折射材料，可以选择冰洲石、石英、方解石或其中任意组合，只要满足通过厚度的调整引入不同相移量的功能要求即可。
9.根据权利要求1所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：微波片阵列(7)为周期性阵列，每个周期内的像素大小可以与光电探测器(9)的单个像元一一对应，也可以为光电探测器(9)的整数倍。
10.根据权利要求8所述的一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：微波片阵列(7)单个周期内的像素数可以为2×2，也可以为n×n。
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