非共光路環路徑向剪切偏振相移干涉儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于環路徑向剪切干涉術（CRSI,CyclicRadialShearing Interferometry)和偏振相移技術進行光束或光學元件產生的波前檢測的技術領域，特別 是一種非共光路環路徑向剪切偏振相移干涉儀。
【背景技術】
[0002] 基于干涉原理測量波前相位的波前傳感器，由于其空間分辨率高、測量精度高而 受廣泛關注。典型的干涉型波前傳感器有哈特曼傳感器、剪切干涉儀、點衍射干涉儀等。
[0003] 哈特曼傳感器是采用微透鏡陣列對入射光束進行斜率測量，并根據測量出的波前 相位梯度數據來重建波前。哈特曼傳感器將每個微透鏡看作一個子孔徑，因此微透鏡陣列 的大小決定了傳感器的空間采樣率。為了提高測量精度，需要增加子孔徑的數目，從而提高 了對光電探測器件的分辨率要求。
[0004] 點衍射干涉儀作為一種可直接復原波前相位的波前傳感器，在自適應光學系統中 得到了廣泛的應用。但是，由于其光路中采用了針孔濾波器，降低了系統的光能利用率，從 而使獲得的干涉條紋對比度不高，使它的波前檢測范圍和精度受到了一定的影響。
[0005] 剪切干涉儀在應用中分為橫向剪切干涉儀和徑向剪切干涉儀。其中，橫向剪切干 涉儀在測量波前時需要獲取不同剪切量的多幀剪切干涉圖，因此，對環境擾動很敏感，對波 前復原算法要求高。徑向剪切干涉儀通過對被測光束進行擴大與縮小，使兩光束產生徑向 剪切干涉從而求解出被測波前相位，在原理上不存在橫向剪切干涉遇到的困難。
[0006] 1964年，Murty提出的環路徑向剪切干涉系統（Appl.Opt. 1964, 3(7) :853-857)采 用共光路結構、無需專門參考光路，使其能得到穩定的干涉條紋，對環境要求低、測量精度 高，從而得到了廣泛的應用。對該系統獲取干涉條紋后復原波前的常用方法是在剪切光束 中引入載波干涉條紋，通過傅里葉變換法進行求解。由于傅里葉變換法的邊界效應，限制了 波前復原的測量精度和測量的動態范圍。
[0007] 在專利"基于四步空間相移的共光路徑向剪切干涉儀"（專利【申請號】 201010034142. 3)和專利"一種基于四步移相原理的小型化徑向剪切干涉儀"（專利申請 號：201210524041. 1)中，采用的四步相移結構將剪切波前的相位提取與四步相移算法結 合，簡化了相位提取算法，提高了算法效率。但是，由于該結構產生的四幅干涉圖的四組 光路經過的是光學元件的不同部位，將會造成分光不均勻、相移不準確等問題，從而影響 其測量精度。此外，專利"基于四步空間相移的共光路徑向剪切干涉儀"（專利【申請號】 201010034142. 3)中的四步空間相移結構復雜、器件繁多，增加了測量的誤差源。專利"共 光路徑向剪切液晶移相干涉波前傳感器"（專利【申請號】20121076291. 0)中的共光路結構對 光學元件的裝調精準度要求高，尤其是要求兩透鏡共光軸共焦點，在實際操作中不易實現。
[0008] 非共光路環路徑向剪切偏振相移干涉儀在以上【背景技術】的基礎上，采用環路徑向 剪切技術，避免了由針孔濾波器導致的光能利用率低和干涉條紋對比度低的問題。非共光 路的特點降低了系統的裝調難度，使用更方便。通過旋轉檢偏器可以實現N步相移。將相 移與干涉相結合的同時，使被測波前的提取和重建更簡單、快速和準確。
【發明內容】
[0009] 本發明要解決的技術問題是提供一種非共光路環路徑向剪切偏振相移干涉儀實 現波前檢測和波前復原。針對傳統徑向剪切干涉儀相位提取難度高、算法復雜、精度較低等 缺點，通過引入偏振片和波片等偏振器件，利用相移算法，有效的克服了原有技術的缺點。 本干涉儀很好地融合了偏振調制、徑向剪切干涉和N步相移技術各自的優勢，具有光能利 用率高、抗環境振動能力強、裝調簡單、波前測量精度高和波前復原計算簡單快速等特點。
[0010] 本發明要解決上述技術問題采用的技術方案是：非共光路環路徑向剪切偏振相移 干涉儀包括偏振調制系統、環路徑向剪切系統、N步相移系統和成像系統四個部分：偏振調 制系統由起偏器P和1/2波片HW組成或由起偏器PJPP2組成；環路徑向剪切系統是由分 束棱鏡BS、透鏡LJPL2、反射鏡乂和^組成；N步相移系統是由1/4波片QW和檢偏器A組 成；成像系統是由光電耦合器件CCD和計算機組成。
[0011] 光束經過被測元件后產生的被測波前進入非共光路環路徑向剪切偏振相移干涉 儀中，在環路徑向剪切系統中被分束棱鏡BS分成兩束傳播方向不同的擴大光束和縮小光 束，其中透射光束經透鏡U、反射鏡乂和M2、透鏡L2后再次經分束棱鏡BS全部透射，反射光 束經透鏡L2、反射鏡仏和Mi、透鏡Q后再次經分束棱鏡BS全部反射，透射光束和反射光束 在透鏡LdPL2之間匯聚的焦點不重合，形成非共光路結構；在偏振調制系統中，將起偏器P 放置在分束棱鏡BS之前，使被測光束成為線偏振光，1/2波片HW放置在透射(或反射)光束 的焦點位置，使透射光束和反射光束成為相互正交的線偏振光；或者在偏振調制系統中，將 起偏器PJP?2分別放置在透射光束和反射光束的焦點位置，使透射光束和反射光束成為相 互正交的線偏振光；兩束正交線偏振光進入N步相移系統后經過1/4波片QW成為兩束圓偏 振光，其旋向分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，再經過檢偏器A后產生干涉現象；形成 的干涉條紋進入成像系統，通過光電耦合器件CCD和計算機采集干涉條紋圖，采用相移算 法對干涉圖進行分析計算，通過相位展開得到剪切波前的相位分布，最后通過Zernike多 項式擬合或迭代算法重構被測波前。
[0012] 其中，在環路徑向剪切系統中的透鏡l#l2由兩個正透鏡組成，兩透鏡的焦點位 于兩透鏡之間，構成開普勒望遠鏡系統；透鏡LJPL2也可由一個正透鏡和一個負透鏡組成， 兩透鏡的焦點位于兩透鏡的外側。透鏡LdPL2的焦距分別為f:和f2，且#f2。
[0013] 其中，假設被測光束的口徑為D，則透射光束經環路徑向剪切系統后，光束口徑被 擴大或縮小為Di，且DeDXfVfi;反射光束經環路徑向剪切系統后，光束口徑被縮小或擴大 為D2，且D2=DXf/f2。透射光束和反射光束形成的剪切光束的剪切比s=f2/f\。
[0014]其中，1/2波片HW快軸與起偏器P快軸的夾角為45°，或者起偏器PJPP2快軸的 夾角為90°，兩種偏振調制系統的設置都將透射(或反射）光束的偏振方向旋轉90°，使其 與反射(或透射）光束的偏振方向垂直。
[0015]其中，1/4波片QW快軸與1/2波片HW快軸的夾角為45°，或者1/4波片QW快軸與 起偏器Pi快軸的夾角為45°。兩束正交線偏振光經過1/4波片QW后成為兩束圓偏振光， 其旋向分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。
[0016] 其中，每次旋轉檢偏器A的角度為開/N(N之3)，從而使兩光束依次產生N步等間 距的相移。
[0017] 其中，被測元件、透鏡LdP L2、光電耦合器件C⑶的位置關系滿足4f系統，使干涉 條紋圖清晰成像于光電耦合器件CCD的靶面上。
[0018] 本發明與現有技術相比其顯著的優點是： (1)與普通干涉儀相比，本發明無需專門設置參考鏡，可用于自適應光學等波前探測領 域的應用。
[0019] (2)與傳統徑向剪切干涉儀相比，由于邊界效應的影響，使傅里葉變換法處理單幀 載頻干涉圖復原波前的測量精度低、測量動態范圍小、對光電耦合器件分辨率要求高。本發 明引入偏振片和波片等偏振器件，采用偏振相移技術復原波前，解決了傅里葉變換法復原 波前精度低的問題，并大大提高了相位提取的數據處理速度和算法精度。
[0020] (3)與共光路環路徑向剪切干涉儀相比，本發明無需將透鏡LdPL2調節為共光軸 共焦點，減少了裝調帶來的難度，操作更簡單方便。
[0021] (4)與傳統的點衍射相移干涉儀相比，本發明的光能利用率高，干涉條紋對比度 尚。
[0022] (5)與傳統的哈特曼波前傳感器相比，本發明通過光電耦合器件CCD獲取波前相 位，將CCD的每一個像素看作一個子孔徑，有更高的探測精度和空間分辨率。
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