專利名稱：共光路徑向剪切液晶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(xué)、波前探測技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵器件，特別指一種共光路徑向剪切液晶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、剪切干涉儀等；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；第三類是直接復(fù)原波前相位，典型代表是點(diǎn)衍射干涉儀。在所有波前傳感器中，哈特曼波前傳感器最為常用。其基本原理為采用微透鏡陣列對入射光束進(jìn)行分割，通過測量透鏡陣列焦面上各像斑的質(zhì)心坐標(biāo)與參考波前質(zhì)心坐標(biāo)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(jìn)行分束，進(jìn)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。干涉波前傳感器可以認(rèn)為干涉圖中每個像素對應(yīng)一個子孔徑，這樣既可以降低對光電探測器件分辨率的要求，還可以有效提高測量結(jié)果的空間分辨率。其中一種干涉波前傳感器為點(diǎn)衍射干涉儀，由于采用針孔濾波，因而光能利用率低，這樣極大地限制了該器件的測量范圍與探測精度(Optics Express. 15(21) : 13745-13756)。另一種干涉波前傳感器為剪切干涉儀，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；而徑向剪切干涉技術(shù)通過對入射光束進(jìn)行擴(kuò)大與縮小，然后兩光束產(chǎn)生徑向剪切干涉從而求解出待測波前相位，于是原理上不存在橫向剪切干涉所遇到的缺陷。目前，多數(shù)徑向剪切干涉技術(shù)采用Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)(AppI. Opt. 2008,47(3) =372-376 ；Appl. Opt. 2002,41(19) :4013-4023)，以便使用移相器在兩光束之間引入相位調(diào)制(Opt. Letts. 2007,32(3) :232-234 ;Appl. Opt. 2006，45 (15) :3409-3414)。該光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以采用移相技術(shù)求解波前相位，缺點(diǎn)是剪切光束不共路，不能避免空氣擾動以及其它環(huán)境不穩(wěn)定因素對測量結(jié)果的影響。1964年由Murty提出環(huán)路徑向剪切干涉系統(tǒng)(Appl.Opt. 1964,3(7) :853-857),該光學(xué)系統(tǒng)由于采用共光路光學(xué)結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)緊湊簡單得到了很好的應(yīng)用。針對該光學(xué)系統(tǒng)，現(xiàn)有的解決方案是通過在兩剪切光束中引入線性傾斜后產(chǎn)生載波干涉條紋，然后采用Takeda提出的傅里葉變換法進(jìn)行求解(J. Opt.Soc. Am. 1982，72 (I) :156-160 ；0pt. Letts. 2005,30(5) :492-494 ;Appl. Opt. 2007，46 (34)8305-8314)。由于傅里葉變換法的邊界效應(yīng)，使得該方法的測量精度受到一定限制；同時，由于需要引入較高載頻，因而波前測量的動態(tài)范圍也較低。還有一種“基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀”(專利申請?zhí)?01010034142. I)，采用兩個光電探測器CCD的兩個不同位置或一個光電探測器CCD的四個不同位置采集四幀移相干涉圖。因而多個干涉圖之間需要準(zhǔn)確地位置匹配，并且同一個光電探測器CCD的不同位置或者不同光電探測器CCD之間要求具有一致的光電轉(zhuǎn)換特性；涉及的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；產(chǎn)生四個干涉圖的四組光路經(jīng)歷不同的光學(xué)器件，因而同類光學(xué)器件之間不一致的光學(xué)特性將會造成分光不均勻、移相不準(zhǔn)確等問題，從而影響探測精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器，這種波前傳感器將液晶相位調(diào)制技術(shù)引入共光路徑向剪切干涉系統(tǒng)，同時擁有共光路和高測量精度的特點(diǎn)；另外，由于采用偏振分光技術(shù)，可以通過旋轉(zhuǎn)起偏器方便地獲得最大的干涉條紋對比度，進(jìn)一步保證波前探測的精度。本傳感器可解決目前共光路剪切干涉技術(shù)測量精度低以及基于移相波前復(fù)原技術(shù)的非共光路剪切干涉系統(tǒng)抗干擾能力差的問題，它很好地融合了共光路、剪切干涉、液晶相位調(diào)制、移相波前復(fù)原技術(shù)各自的優(yōu)勢，具有光能利用率高、干涉條紋對比度高、抗環(huán)境振動和大氣干擾能力強(qiáng)、自參考干涉、波前復(fù)原精度高等特點(diǎn)。 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題由如下方案來實(shí)現(xiàn)共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器，由起偏器P1、偏振分束鏡PBS、反射鏡M1和M2、透鏡L1和L2、液晶相位調(diào)制器LC、檢偏器P2、透鏡L3和L4、光電探測器CXD以及計算機(jī)組成，其中，偏振分束鏡PBS、反射鏡M1和M2、透鏡L1和L2組成徑向剪切系統(tǒng)；液晶相位調(diào)制器LC、反射鏡M3和檢偏器P2組成移相干涉系統(tǒng)；透鏡L3和L4以及光電探測器CCD組成成像系統(tǒng)，完成干涉圖采集。透鏡L1和L2可以使用公共焦點(diǎn)在透鏡的同一側(cè)的正透鏡和負(fù)透鏡組成，也可以使用公共焦點(diǎn)在兩透鏡之間的兩個正透鏡組成。所述起偏器P1置于所述徑向剪切系統(tǒng)之前，所述偏振分束鏡PBS、反射鏡M1和M2的光軸構(gòu)成一平面直角三角形，透鏡L1和L2置于該直角三角形之間，且兩透鏡的光軸與該直角三角形構(gòu)成的光軸共線，透鏡L1接近反射鏡M1，透鏡L2接近反射鏡M2,液晶相位調(diào)制器LC垂直于光束傳播方向并置于徑向剪切系統(tǒng)之后，并且LC的偏振方向與放大光束的偏振方向平行，檢偏器P2置于液晶相位調(diào)制器LC與成像系統(tǒng)之間,其偏振方向與放大和縮小光束的偏振方向均成45°。成像系統(tǒng)中兩個正透鏡構(gòu)成4f系統(tǒng),用于將產(chǎn)生的干涉圖成像于光電探測器CCD靶面上，可根據(jù)光電探測器CCD靶面尺寸、圖像分辨率、干涉圖的物理大小選擇合理的透鏡焦距比。計算機(jī)用于控制液晶相位調(diào)制器LC產(chǎn)生特定相移，并且進(jìn)行波前復(fù)原與結(jié)果顯示。同時計算機(jī)通過A/D卡與光電探測器CCD相連完成干涉圖采集；然后采用移相算法對移相干涉圖進(jìn)行分析計算得到纏繞相位，進(jìn)一步采用相位展開算法得到擴(kuò)大光束與縮小光束在重疊剪切區(qū)域的相位差；最后采用Zernike擬合法或循環(huán)迭代法重構(gòu)待測波前相位。徑向剪切系統(tǒng)中，透鏡L1和透鏡L2的焦距分別為和f2，且> f2 !DfVf2決定擴(kuò)大光束的口徑，DfVf1決定縮小光束的口徑，(fVfi)2決定兩光束剪切比，其中，D為入射光束口徑。徑向剪切系統(tǒng)中，負(fù)透鏡L1和正透鏡L2光軸重合且焦點(diǎn)重合于兩透鏡的外側(cè)；透鏡L1和L2也可以由兩個正透鏡實(shí)現(xiàn)，這時二者光軸重合且焦點(diǎn)重合于兩透鏡之間?？梢酝ㄟ^旋轉(zhuǎn)起偏器P1的角度獲的最大的干涉條紋對比度。液晶相位調(diào)制器LC在一次波前測量中移相N次，N彡3,相移量用Sn表示，n =I, 2,…,化且最大相移量5 N < 2 。最常用的移相算法有二步移相算法和四步移相算法，即 N = 3 或 N = 4。待測光束進(jìn)入波前傳感器后，首先經(jīng)過起偏器P1形成線偏振光。然后經(jīng)偏振分束鏡PBS分成兩束偏振方向正交的線偏振光。其中，透射光束經(jīng)過反射鏡M2后依次經(jīng)過透鏡L2和L1實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，即光束口徑擴(kuò)大。設(shè)透鏡U、L2的焦距分別為和f2，入射光束口徑為D，則擴(kuò)大光束的口徑為D1 = DfVf2。擴(kuò)大光束經(jīng)過反射鏡M2后入射到PBS，然后全部反射進(jìn)入移相干涉系統(tǒng)。反射光束經(jīng)過反射鏡M1后依次經(jīng)過透鏡L1和L2實(shí)現(xiàn)縮束，即光束口徑縮小，縮小光束的口徑為D2 = Df2Zf1 縮小光束經(jīng)過反射鏡M1后入射到PBS，然后全部透射進(jìn)入移相干涉系統(tǒng)。于是，待測光束經(jīng)徑向剪切系統(tǒng)后出射兩束共光軸、口徑分別被擴(kuò)大和縮小的正交線偏振光。液晶相位調(diào)制器LC垂直光束傳播方向且置于徑向剪切系統(tǒng)之后,其偏振方向與擴(kuò)大光束的偏振方向一致。計算機(jī)驅(qū)動LC移相N(N > 3)次，從而可在兩光束之間依次產(chǎn)生N個不同的相移6n(n = 1,2,…，N)。然后通過檢偏器P2得到兩光束分別對應(yīng)于檢偏器偏振方向的偏振分量，從而發(fā)生干涉，并由此形成N幀徑向剪切移相干涉圖。通過旋轉(zhuǎn)起偏器P1的角度可以獲得最高對比度的干涉圖。N幀徑向剪切移相干涉圖經(jīng)過成像系統(tǒng)分時依次成像在光電探測器CCD的同一位置，然后輸入計算機(jī)進(jìn)行分析計算得到待測光束的波前相位。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)I)與哈特曼波前傳感器相比，本發(fā)明的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器采用干涉法探測波前相位，光電探測器CCD中每一個像素可以看成一個子孔徑，因而，它的探測精度和空間分辨率高。 2)與點(diǎn)衍射式自參考干涉波前傳感器相比，共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器光能利用率高，干涉條紋對比度高。3)基于Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)的徑向剪切干涉技術(shù)屬于非共光路系統(tǒng)，雖然可以容易地采用移相技術(shù)求解波前相位，但它不能避免空氣擾動以及其它環(huán)境不穩(wěn)定因素對測量結(jié)果的影響。本發(fā)明的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器采用共光路光學(xué)結(jié)構(gòu)，抗振動能力好，應(yīng)用范圍更廣。4)傳統(tǒng)共光路剪切干涉技術(shù)通過引入空間線性調(diào)制形成載頻干涉圖，然后使用傅立葉變換法進(jìn)行求解，由于邊界效應(yīng)的影響導(dǎo)致其測量精度低、測量動態(tài)范圍小、對光電探測器分辨率要求高。本發(fā)明的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器，采用移相技術(shù)復(fù)原波前相位，完全克服了傅里葉變換法所存在的問題，算法簡單且測量精度高。5)本發(fā)明的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器采用液晶相位調(diào)制器作為移相器件，相移量準(zhǔn)確且重復(fù)性好，從而進(jìn)一步保證了波前探測的精度。6)與“基于四步空間移相的共光路徑向剪切干涉儀”(專利申請?zhí)?01010034142. I)相比，本發(fā)明的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、移相準(zhǔn)確、對光電探測器件要求不高等優(yōu)點(diǎn)，因而測量精度高、不存在分光不均勻以及干涉圖之間位置匹配的問題。


圖I為采用透射式液晶相位調(diào)制器的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為采用反射式液晶相位調(diào)制器的共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本傳感器由起偏器P1U偏振分束鏡PBS2、反射鏡MJ和M24、透鏡Lj和L26、液晶相位調(diào)制器LC7、反射鏡M38、檢偏器P29、透鏡L310和L411、光電探測器CCD12以及計算機(jī)13組成，其中，偏振分束鏡PBS2、反射鏡MJ和M24、透鏡Lj和L26組成徑向剪切系統(tǒng)；液晶相位調(diào)制器LC7、反射鏡M38和檢偏器P29組成移相 干涉系統(tǒng)；透鏡L3IO和L4Il以及光電探測器CCD12組成成像系統(tǒng)。起偏器P1I置于所述徑向剪切系統(tǒng)之前，偏振分束鏡PBS2、反射鏡M:3和M24的光軸構(gòu)成一平面直角三角形，透鏡Lj和L26置于該直角三角形之間，且兩透鏡的光軸與該直角三角形構(gòu)成的光軸共線，透鏡Lj接近反射鏡M:3，透鏡L26接近反射鏡M24，液晶相位調(diào)制器LC7垂直于光束傳播方向并置于徑向剪切系統(tǒng)之后，并且液晶相位調(diào)制器LC7的偏振方向與放大光束的偏振方向平行，檢偏器P29置于液晶相位調(diào)制器LC7與成像系統(tǒng)之間,其偏振方向與放大和縮小光束的偏振方向均成45°。待測光束經(jīng)過起偏器P1I形成線偏振光，然后經(jīng)偏振分束鏡PBS2分成兩束偏振方向正交的線偏振光。其中，反射線偏振光束經(jīng)反射鏡后依次穿過透鏡Lj和L26實(shí)現(xiàn)縮束(光束口徑縮小)；而透射線偏振光束經(jīng)反射鏡M24后依次穿過透鏡L26和Lj實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束(光束口徑擴(kuò)大)。如圖2所示，液晶相位調(diào)制器LC7可以是透射式LC，也可以是反射式LC。二者差別在于，當(dāng)使用反射式LC時需在LC7與徑向剪切系統(tǒng)之間增加一個分束鏡BS14，這種情況下將損失一部分光能量。設(shè)透鏡Lj和L26的焦距分別為和f2，并且> f2，入射光束口徑為D，則擴(kuò)大光束的口徑為D1 = DfVf2，縮小光束的口徑為D2 = DfVf1。擴(kuò)大光束和縮小光束分別入射到PBS2后，全部反射或透射進(jìn)入移相干涉系統(tǒng)。結(jié)果由徑向剪切系統(tǒng)出射兩束共光軸、一束被擴(kuò)大一束被縮小的正交線偏振光。設(shè)兩光束剪切比為s，則有s = D2ZD1 = (f2/fj) ................................. (I)液晶相位調(diào)制器LC7放在徑向剪切系統(tǒng)之后，且LC7的偏振方向與擴(kuò)大光束的偏振方向一致。計算機(jī)13驅(qū)動LC7移相N(N ^ 3)次，從而可在兩剪切光束之間依次產(chǎn)生N個不同的相移量Sn(n=l，2，…，N)。然后通過檢偏器匕9得到兩光束分別對應(yīng)于匕9偏振方向的偏振分量，從而發(fā)生干涉，并由此形成N幀徑向剪切移相干涉圖In，表示為In(x/s,y/s) = a (x/s, y/s) +b (x/s, y/s) cos [ A O (x/s,y/s)- 8 n]............... (2)其中A 0) (x/s, y/s)表示剪切光束相位差。根據(jù)已知剪切比S，旋轉(zhuǎn)起偏器P1I使干涉圖的對比度達(dá)到最高，對比度K與P11的旋轉(zhuǎn)角度9(9 G (0, /2))之間的關(guān)系如⑶式所示K - 2扣2 叫 tan6> - 2ZzZZi— 2Wtan ^..................... (3)
D2ID1 + tan 6 (/2//J2 +tan0 + tan 6 當(dāng)0 = arctan(s2)時,干涉條紋對比度最高(等于I)。徑向剪切移相干涉圖經(jīng)過成像系統(tǒng)被光電探測器CCD12采集，然后輸入計算機(jī)13并使用(4)式所示的移相算法求解纏繞相位差
權(quán)利要求
1.共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器，其特征在于由起偏器P1、偏振分束鏡PBS、反射鏡M1和M2、透鏡L1和L2、液晶相位調(diào)制器LC、檢偏器P2、透鏡L3和L4、光電探測器CXD以及計算機(jī)組成。其中，偏振分束鏡PBS、反射鏡M1和M2、透鏡L1和L2組成徑向剪切系統(tǒng)；液晶相位調(diào)制器LC、反射鏡M3和檢偏器匕組成移相干涉系統(tǒng)；透鏡1^和L4以及光電探測器C⑶組成成像系統(tǒng)。所述起偏器P1置于所述徑向剪切系統(tǒng)之前；所述偏振分束鏡PBS、 反射鏡M1和M2的光軸構(gòu)成一平面直角三角形，透鏡L1和L2置于該直角三角形之間，且兩透鏡的光軸與該直角三角形構(gòu)成的光軸共線，透鏡L1接近反射鏡M1，透鏡L2接近反射鏡M2，透鏡L1和透鏡L2的焦點(diǎn)重合，透鏡L1的焦距大于透鏡L2的焦距；液晶相位調(diào)制器LC垂直于光束傳播方向并置于徑向剪切系統(tǒng)之后，并且LC的偏振方向與放大光束的偏振方向平行；檢偏器P2置于液晶相位調(diào)制器LC與成像系統(tǒng)之間,其偏振方向與放大和縮小光束的偏振方向均成45°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種共光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器，由起偏器、徑向剪切系統(tǒng)，液晶相位調(diào)制器(LC)、檢偏器、成像系統(tǒng)和計算機(jī)組成。待測光束進(jìn)入波前傳感器后，旋轉(zhuǎn)起偏器調(diào)整入射光束的偏振方向；然后經(jīng)過徑向剪切系統(tǒng)，形成兩束同光軸、偏振方向正交、光束口徑按相同比例縮放的剪切光束；而后兩剪切光束垂直入射到LC上，保持LC的偏振方向與擴(kuò)大光束偏振方向一致；計算機(jī)驅(qū)動LC在剪切光束之間引入N(N≥3)個不同相移，然后經(jīng)檢偏器后得到兩剪切光束中與檢偏器偏振方向一致的偏振分量并產(chǎn)生干涉；干涉圖由成像系統(tǒng)采集并分時依次輸入計算機(jī)，經(jīng)分析計算重構(gòu)待測光束波前相位。本傳感器優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能夠抑制環(huán)境振動與非共路誤差的影響、干涉條紋對比度連續(xù)可調(diào)、波前探測精度高。
文檔編號G01J9/02GK102680117SQ20121017629
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者劉堯, 劉珍, 包曉艷, 徐永祥, 白福忠, 黃凱征 申請人:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)