專利名稱：共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學、波前探測、光學元件檢測等領(lǐng)域中的關(guān)鍵器件，特別指一種共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器。
背景技術(shù)：
波前傳感器是自適應(yīng)系統(tǒng)中的重要關(guān)鍵器件，用來探測入射光束的波前相位。根據(jù)測量信號與波面之間的關(guān)系可以將波前傳感器分成三大類:第一類是通過測量波前斜率復(fù)原波前相位，例如哈特曼波前傳感器、橫向剪切干涉波前傳感器(Appl.0pt.2001，41(19):3781-3789 ;強激光與粒子束，2000，12(3) =269-272);第二類是通過測量波前曲率復(fù)原波前相位，例如曲率波前傳感器(J.0pt.Soc.Am.A, 1994,11 (5):1667-1673);第三類是直接復(fù)原波前相位，典型代表是點衍射干涉波前傳感器(Jpn.J.Appl.Phys.1975，14:351-356)。在所有波前傳感器中，哈特曼波前傳感器應(yīng)用最為普遍。其基本原理為:采用微透鏡陣列對入射光束進行分割，通過測量透鏡陣列焦面上各像斑的質(zhì)心坐標與參考波前質(zhì)心坐標之差求解波前斜率。也可使用多個棱面的棱錐對入射光束進行分束，進而測量出波前相位(“Optical wavefront sensing system”,美國專利 US4399356)。這兩種分波前的波前傳感器，子孔徑數(shù)目決定空間采樣率，為了提高測量精度，因而需要增加子孔徑個數(shù)。然而子孔徑數(shù)目的增加將·對光電探測器件的分辨率提出更高的要求。干涉波前傳感器將入射待測畸變光波與參考光波產(chǎn)生干涉，利用移相技術(shù)或空間相位調(diào)制技術(shù)，由移相干涉圖重建波前相位。其中參考光波來源于待測光波而不需要另外引入，因此這種干涉波前傳感技術(shù)也稱自參考干涉波前傳感器。與哈特曼波前傳感器相比較，干涉波前傳感器所采集到的干涉圖中的每一個像素對應(yīng)一個子孔徑，這樣既可以降低對CCD傳感器高空間分辨率的要求，還可以有效提高波前測量結(jié)果的空間分辨率(Pix)C.SPIE，2004，5553:112-126)。依據(jù)參考光波獲得方式的不同，干涉波前傳感器一般分為三種，即，橫向剪切干涉波前傳感器、徑向剪切干涉波前傳感器和點衍射干涉波前傳感器。其中，橫向剪切干涉技術(shù)需要兩個相互垂直方向上的剪切量不同的多幀剪切干涉圖，而且對波前復(fù)原算法的有效性要求高(Appl.0pt.1974，13(3):623-629)。徑向剪切干涉技術(shù)通過對入射光波在口徑上進行擴大與縮小，并進一步產(chǎn)生徑向剪切干涉，盡管原理上不存在橫向剪切干涉所遇到的問題，但是該技術(shù)同樣需要復(fù)雜的波前重構(gòu)算法(例如澤尼克擬合法或迭代法)由剪切相位差重構(gòu)出待測波前相位(Opt.Lett.2011,36(18):3693-3695)。這對于一些高空間頻率的波前相位而言，橫向與徑向剪切干涉技術(shù)的重建精度均具有較大局限性(Appl.0pt.1964，3(7):853-857)。點衍射干涉波前傳感器利用針孔衍射形成近似于理想平面波或球面波的參考光波，與另一束包含了待測畸變波前信息的測試光波產(chǎn)生干涉，通過分析干涉條紋便可直接重建待測波前相位，而無需剪切干涉技術(shù)中的波前重構(gòu)步驟。同時，點衍射干涉波前傳感器在光強閃爍、中心遮攔這種不規(guī)則入瞳形狀等場合中的實現(xiàn)波前探測具有相當大的優(yōu)勢(Opt.Express, 2007,15(21): 13745-13756)。多數(shù)情況下，點衍射干涉波前傳感器采用Mach-Zehnder型或者Tymann-Green型干涉結(jié)構(gòu)(Opt.Commun.2010,283(14):2782-2786 ；CHINESE OPTICS LETTERS, 2011,9(12):120002-120004),這樣便可以容易地使用PZT移相器在兩光束之間引入相移，或通過傾斜反射鏡引入空間載波，從而利用移相算法或傅里葉變換法(Appl.0pt.1974,13(11):2693-2703 J.0pt.Soc.Am.1982，72 (I):156-160)進行求解。這種光學結(jié)構(gòu)的最大缺點是兩束相干光束不共路，因而不可避免地存在空氣擾動以及周圍環(huán)境對測量結(jié)果的影響。其次，如果使用傅里葉變換法求解波前相位，則由于邊界效應(yīng)的影響，波前測量精度較低；同時，由于需要引入較高載頻，波前測量的動態(tài)范圍也較低。為了使點衍射干涉技術(shù)將擁有更大的穩(wěn)定性，唯一解決措施便是采用共光路光學結(jié)構(gòu)，然而共光路結(jié)構(gòu)的主要缺點是相位測量困難。由于參考光波與測試光波幾乎保持相同的幾何光軸，產(chǎn)生的干涉圖中通常包含極少的干涉條紋，因此不能采用傅里葉變換法提取畸變波前信息。雖然移相技術(shù)是干涉波前重建的最佳選擇方案，但是很難在兩束光波之間引入相移。即便如此，一些將移相技術(shù)引入點衍射干涉系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)也被提出。例如，文獻(Opt.Lett.1984,9(2):59-61)通過在光柵中增加針孔，從而在點衍射干涉儀中實現(xiàn)移相。文獻(Appl.0pt.1996,35(10):1633-1642 ;0pt.Lett.1994，19 (12):916-918)通過將一微球體置于液晶層代替針孔產(chǎn)生參考光波，而利用電尋址的液晶對測試光波進行移相。由上述可見，目前共光路點衍射干涉技術(shù)需要制作復(fù)雜的F1DI (Point-diffractioninterferometer)掩模板，實現(xiàn)難度大，有些結(jié)構(gòu)還需要引入精確的分光裝置(Opt.Lett.1996,21(19):1526-1528)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:為了解決現(xiàn)有點衍射干涉波前傳感技術(shù)所存在的測試光波與參考光波不共路、PDI掩模板加工難度高、移相困難、條紋對比度不可調(diào)等不足之處，本發(fā)明提供一種共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器，利用雙折射透鏡與偏振PDI掩模板產(chǎn)生共光路正交線偏振參考光與測試光，利用移相干涉技術(shù)重建待測波前相位，從而達到抗環(huán)境振動和大氣干擾能力強、干涉條紋對比度高、自參考干涉、測量精度高的目的。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器，包括偏振片、第一雙折射透鏡和第二雙折射透鏡、移相干涉系統(tǒng)、CXD傳感器、計算機；還包括在第一和第二雙折射透鏡共焦平面處添加一個含有針孔的偏振PDI掩模板，其振動方向垂直于經(jīng)第一雙折射透鏡所會聚光束的振動方向。所述的第一和第二雙折射透鏡是一個對稱的雙折射三合透鏡，由一個位于中間的方解石雙凹透鏡和兩個玻璃的雙凸透鏡組成，方解石的光軸位于透鏡平面內(nèi)，兩透鏡焦點重合且快軸方向平行；所述第一雙折射透鏡、偏振PDI掩模板、第二雙折射透鏡以及CCD傳感器組成4f系統(tǒng)；所述的移相干涉系統(tǒng)能夠使兩束正交線偏振光產(chǎn)生時間移相干涉或空間移相干涉，具體有三種形式，分別為偏振時間移相干涉系統(tǒng)，由四分之一波片與偏振片組成；偏振空間移相干涉系統(tǒng)，由普通分束鏡和偏振分束鏡分光、偏振元件移相實現(xiàn)；光柵分光空間移相干涉系統(tǒng)，由二維光柵分光與偏振片移相實現(xiàn)。按照光路描述，待 測激光光束經(jīng)過偏振片后形成線偏振光，然后被第一雙折射透鏡分成兩束偏振方向相互正交的線偏振光，其中O光(尋常光)不改變傳播方向，仍為平行光束，而E光(非常光)被會聚。會聚的E光經(jīng)過偏振PDI掩模板上的針孔后產(chǎn)生小孔衍射形成近似理想球面波，再經(jīng)第二雙折射透鏡后形成近似理想平面波，從而作為參考光；而O光幾乎無衰減全部通過偏振PDI掩模板與第二雙折射透鏡，仍為平行光束，且包含了全部的待測波前信息而作為測試光；正交線偏振的測試光與參考光沿著相同的光路進入移相干涉系統(tǒng)，產(chǎn)生四步移相干涉；通過旋轉(zhuǎn)偏振片的角度獲得最高對比度的干涉圖，由CCD傳感器接收并輸入計算機，然后采用移相算法重建待測波前相位分布。上述技術(shù)方案中，所述偏振PDI掩模板上的針孔孔徑大小有兩個量值可以選擇:當該發(fā)明應(yīng)用于波前檢測時，針孔孔徑大小為0.5倍愛里斑直徑；當該發(fā)明應(yīng)用于閉環(huán)自適應(yīng)光學系統(tǒng)時，針孔孔徑不大于1.5倍愛里斑直徑，因而可以更好地提高光能利用率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點:I)與波前探測中常用到的哈特曼波前傳感器相比，本發(fā)明采用干涉法重建波前相位，干涉圖中每一個像素可看作一個子孔徑，提升了波前探測精度和空間分辨率。

2)本發(fā)明采用嚴格的共光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，與Mach-Zehnder型干涉波前傳感器相比，具有很強的抗大氣干擾以及環(huán)境振動能力，適用范圍更廣。3)采用雙折射透鏡實現(xiàn)偏振分束，于是通過旋轉(zhuǎn)偏振片便可獲得最高的條紋對比度，很好地克服了傳統(tǒng)點衍射干涉技術(shù)中條紋對比度不可調(diào)或不方便調(diào)整的缺點。4)采用帶孔偏振片所制成的偏振PDI掩模板實現(xiàn)針孔衍射，并附加雙折射透鏡實現(xiàn)共光路設(shè)計，與傳統(tǒng)共光路點衍射移相干涉技術(shù)相比，具有PDI掩模板加工容易、系統(tǒng)所用光學元件成本低的優(yōu)點。5)采用移相技術(shù)直接重建待測波前相位，與傅里葉變換法相比，具有測量精度高、對CCD傳感器空間分辨率要求低、測量動態(tài)范圍大的優(yōu)點；與徑向剪切移相干涉技術(shù)相比，不需要波前重構(gòu)數(shù)學運算過程，具有波前重建算法簡單的優(yōu)點。


圖1為透射式共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為反射式共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3偏振時間移相干涉系統(tǒng)；圖4偏振空間移相干涉系統(tǒng)；圖5光柵分光空間移相干涉系統(tǒng)；圖中，1、12.偏振片，2、13.普通分束鏡，3.第一雙折射透鏡，7.第二雙折射透鏡，
4.偏振PDI掩模板，5.針孔，6、16、17、22、23、24.反射鏡，8.移相干涉系統(tǒng)，9.CCD傳感器，
10.計算機，11、14、15、18.四分之一波片，19.偏振分束鏡，20、21、25、27、29.正傅里葉透鏡，26.二維光柵，28.光闌，30.偏振片陣列。
具體實施例方式本發(fā)明共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器，如圖1所示，包括偏振片1、第一雙折射透鏡3和第二雙折射透鏡7、移相干涉系統(tǒng)8、CXD傳感器9、計算機10 ;還包括在第一和第二雙折射透鏡共焦平面處添加一個含有針孔5的偏振roi掩模板4，其振動方向垂直于經(jīng)第一雙折射透鏡3后會聚光束的振動方向。所述的第一雙折射透鏡3和第二雙折射透鏡7是一個對稱的雙折射三合透鏡，由一個位于中間的方解石雙凹透鏡和兩個玻璃的雙凸透鏡組成，方解石的光軸位于透鏡平面內(nèi)，兩透鏡焦點重合且快軸方向平行；所述的雙折射透鏡3和7可以將一束線偏振平行光束分成兩束正交線偏振光,其中一束會聚于光軸上的有限遠處，另一束不改變傳播方向仍為平行光束；所述第一雙折射透鏡3、偏振PDI掩模板
4、第二雙折射透鏡7以及CXD傳感器9組成4f系統(tǒng)。按照光路描述，待測激光光束經(jīng)過偏振片I形成線偏振光，被第一雙折射透鏡3分成兩束偏振方向正交的線偏振光，其中O光(尋常光)不改變傳播方向，仍為平行光束，而E光(非常光)將被會聚。會聚的E光經(jīng)過偏振PDI掩模板4上針孔5產(chǎn)生小孔衍射形成近似理想球面波，再經(jīng)第二雙折射透鏡7后形成近似理想平面波，從而作為參考光；而O光幾乎無衰減全部通過偏振PDI掩模板4與第二雙折射透鏡7，仍為平行光束，且包含了全部的待測波前信息而作為測試光；正交線偏振的測試光與參考光沿著相同的光路進入移相干涉系統(tǒng)8，產(chǎn)生四步移相干涉。圖2所示為反射式結(jié)構(gòu)，與圖1所示的透射式結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:緊貼著偏振PDI掩模板4之后放置一反射鏡6,將經(jīng)過偏振PDI掩模板4的兩束光全部反射，由于各自均保持原有的偏振方向，于是再次經(jīng)偏振PDI掩模板4透射，然后穿過第一雙折射透鏡3、分束鏡2反射進入移相干涉系統(tǒng)8。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計省去了圖1中的第二雙折射透鏡7。

通過旋轉(zhuǎn)偏振片I的角度調(diào)節(jié)第一雙折射透鏡3分束后兩束光之間的振幅比，以獲得最高對比度的移相干涉圖，由CCD傳感器9接收并輸入計算機10進行處理。移相干涉系統(tǒng)8具體有三種形式，第一種形式為偏振時間移相干涉系統(tǒng)，如圖3所示，由四分之一波片11與偏振片12組成，其中四分之一波片11的快軸方向與參考或測試光波的偏振方向成45°角。正交線偏振的測試光波和參考光波經(jīng)過四分之一波片11后變成左旋和右旋圓偏振光，然后經(jīng)過一個旋轉(zhuǎn)的偏振片12后產(chǎn)生時間移相干涉。第二種形式為偏振空間移相干涉系統(tǒng)，如圖4所示，主要利用四分之一波片14、15和18，以及普通分束鏡13和偏振分束鏡19實現(xiàn)四步空間移相，同步產(chǎn)生四幀η /2相移的移相干涉圖；進一步使用反射鏡和正傅里葉透鏡，將四幀移相干涉圖同時入射到CCD傳感器9的不同空間位置。第三種形式為二維光柵分光空間移相干涉系統(tǒng)，如圖5所示，利用正交的二維光柵26產(chǎn)生對稱分光，經(jīng)過光闌28后獲得(±1, ±1)級四束衍射光；它們分別通過一個偏振方向依次相差45°的偏振片陣列30，得到四幀π/2相移的移相干涉圖。第二和第三種形式為空間移相結(jié)構(gòu)，能夠同步產(chǎn)生四幀移相干涉圖，因此可以應(yīng)用于實時波前測量。假設(shè)入射光束口徑為D，入射光波長為λ，第一雙折射透鏡3的焦距為f，則無畸變光學系統(tǒng)艾里斑直徑為dA = 2.44 Af/D0如果本發(fā)明的波前傳感器應(yīng)用于波前檢測時，偏振PDI掩模板4上針孔5的孔徑大小為0.5dA ;如果應(yīng)用于閉環(huán)自適應(yīng)光學系統(tǒng)時，則針孔5的孔徑不大于1.5dA。假設(shè)待測光束復(fù)振幅表示為
權(quán)利要求
1.共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器，包括偏振片、第一雙折射透鏡、第二雙折射透鏡、移相干涉系統(tǒng)、CXD傳感器、計算機；其特征在于還包括在第一和第二雙折射透鏡共焦平面處添加一個含有針孔的偏振PDI掩模板；所述第一雙折射透鏡、偏振PDI掩模板、第二雙折射透鏡與CCD傳感器組成4f系統(tǒng)；按照光路描述，待測激光光束經(jīng)過偏振片后被第一雙折射透鏡分成兩束，其中E光經(jīng)偏振PDI掩模板上針孔發(fā)生小孔衍射，再經(jīng)第二雙折射透鏡后形成近似理想平面波作為參考光；0光幾乎無衰減通過偏振PDI掩模板與第二雙折射透鏡，仍為平行光束作為測試光；參考光與測試光進入移相干涉系統(tǒng)產(chǎn)生四步移相干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述波前傳感器，其特征在于，所述第一、第二雙折射透鏡為對稱的雙折射三合透鏡，由一個位于中間的方解石雙凹透鏡和兩個玻璃的雙凸透鏡組成，方解石的光軸位于透鏡平面內(nèi)；所述第一、第二雙折射透鏡可以將線偏振平行光分成兩束正交線偏振光，其中E光會聚于光軸上的有限遠處，O光仍為平行光束；并且所述第一和第二雙折射透鏡的焦點重合且快軸方向平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述波前傳感器，其特征在于，所述偏振F1DI掩模板是一個中心含有針孔的偏振片，所述針孔位于所述第一和第二雙折射透鏡的公共焦點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述波前傳感器，其特征在于，所述偏振roi掩模板的振動方向垂直于經(jīng)過所述第一雙折 射透鏡后會聚E光的振動方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述波前傳感器，其特征在于，所述偏振roi掩模板上針孔的孔徑大小有兩個量值可以選擇:當該發(fā)明應(yīng)用于波前檢測時，針孔孔徑大小為0.5倍愛里斑直徑；當該發(fā)明應(yīng)用于閉環(huán)自適應(yīng)光學系統(tǒng)時，針孔孔徑不大于1.5倍愛里斑直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述波前傳感器，其特征在于，通過旋轉(zhuǎn)所述偏振片的角度獲得最高的干涉條紋對比度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種共光路偏振點衍射移相干涉波前傳感器。包括偏振片、第一和第二雙折射透鏡、移相干涉系統(tǒng)、CCD傳感器、計算機；還包括在第一和第二雙折射透鏡共焦平面處添加一個含有針孔的偏振PDI掩模板。待測線偏振光束被第一雙折射透鏡分為兩束，E光會聚于偏振PDI掩模板上的針孔發(fā)生小孔衍射作為參考光；O光幾乎無衰減通過偏振PDI掩模板作為測試光；參考光和測試光通過移相干涉系統(tǒng)形成四幀時間或空間移相干涉圖，通過旋轉(zhuǎn)偏振片調(diào)節(jié)條紋對比度，進而使用移相算法重建待測波前相位。本發(fā)明采用共光路結(jié)構(gòu)、無需專門的參考光、且系統(tǒng)穩(wěn)定性強、條紋對比度可調(diào)，可適用于各類波前相位的動、靜態(tài)高精度檢測。
文檔編號G02B27/10GK103245423SQ20131017543
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者白福忠, 王曉強, 劉珍, 索曉紅, 吳亞琴, 田楓 申請人:內(nèi)蒙古工業(yè)大學