共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器的制作方法

专利名称：共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应光学、波前探测、光学元件检测等领域中的关键器件，特别指一种共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器。
背景技术：
波前传感器是自适应系统中的重要关键器件，用来探测入射光束的波前相位。根据测量信号与波面之间的关系可以将波前传感器分成三大类:第一类是通过测量波前斜率复原波前相位，例如哈特曼波前传感器、横向剪切干涉波前传感器(Appl.0pt.2001，41(19):3781-3789 ;强激光与粒子束，2000，12(3) =269-272);第二类是通过测量波前曲率复原波前相位，例如曲率波前传感器(J.0pt.Soc.Am.A, 1994,11 (5):1667-1673);第三类是直接复原波前相位，典型代表是点衍射干涉波前传感器(Jpn.J.Appl.Phys.1975，14:351-356)。在所有波前传感器中，哈特曼波前传感器应用最为普遍。其基本原理为:采用微透镜阵列对入射光束进行分割，通过测量透镜阵列焦面上各像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差求解波前斜率。也可使用多个棱面的棱锥对入射光束进行分束，进而测量出波前相位(“Optical wavefront sensing system”,美国专利 US4399356)。这两种分波前的波前传感器，子孔径数目决定空间采样率，为了提高测量精度，因而需要增加子孔径个数。然而子孔径数目的增加将·对光电探测器件的分辨率提出更高的要求。干涉波前传感器将入射待测畸变光波与参考光波产生干涉，利用移相技术或空间相位调制技术，由移相干涉图重建波前相位。其中参考光波来源于待测光波而不需要另外引入，因此这种干涉波前传感技术也称自参考干涉波前传感器。与哈特曼波前传感器相比较，干涉波前传感器所采集到的干涉图中的每一个像素对应一个子孔径，这样既可以降低对CCD传感器高空间分辨率的要求，还可以有效提高波前测量结果的空间分辨率(Pix)C.SPIE，2004，5553:112-126)。依据参考光波获得方式的不同，干涉波前传感器一般分为三种，即，横向剪切干涉波前传感器、径向剪切干涉波前传感器和点衍射干涉波前传感器。其中，横向剪切干涉技术需要两个相互垂直方向上的剪切量不同的多帧剪切干涉图，而且对波前复原算法的有效性要求高(Appl.0pt.1974，13(3):623-629)。径向剪切干涉技术通过对入射光波在口径上进行扩大与缩小，并进一步产生径向剪切干涉，尽管原理上不存在横向剪切干涉所遇到的问题，但是该技术同样需要复杂的波前重构算法(例如泽尼克拟合法或迭代法)由剪切相位差重构出待测波前相位(Opt.Lett.2011,36(18):3693-3695)。这对于一些高空间频率的波前相位而言，横向与径向剪切干涉技术的重建精度均具有较大局限性(Appl.0pt.1964，3(7):853-857)。点衍射干涉波前传感器利用针孔衍射形成近似于理想平面波或球面波的参考光波，与另一束包含了待测畸变波前信息的测试光波产生干涉，通过分析干涉条纹便可直接重建待测波前相位，而无需剪切干涉技术中的波前重构步骤。同时，点衍射干涉波前传感器在光强闪烁、中心遮拦这种不规则入瞳形状等场合中的实现波前探测具有相当大的优势(Opt.Express, 2007,15(21): 13745-13756)。多数情况下，点衍射干涉波前传感器采用Mach-Zehnder型或者Tymann-Green型干涉结构(Opt.Commun.2010,283(14):2782-2786 ；CHINESE OPTICS LETTERS, 2011,9(12):120002-120004),这样便可以容易地使用PZT移相器在两光束之间引入相移，或通过倾斜反射镜引入空间载波，从而利用移相算法或傅里叶变换法(Appl.0pt.1974,13(11):2693-2703 J.0pt.Soc.Am.1982，72 (I):156-160)进行求解。这种光学结构的最大缺点是两束相干光束不共路，因而不可避免地存在空气扰动以及周围环境对测量结果的影响。其次，如果使用傅里叶变换法求解波前相位，则由于边界效应的影响，波前测量精度较低；同时，由于需要引入较高载频，波前测量的动态范围也较低。为了使点衍射干涉技术将拥有更大的稳定性，唯一解决措施便是采用共光路光学结构，然而共光路结构的主要缺点是相位测量困难。由于参考光波与测试光波几乎保持相同的几何光轴，产生的干涉图中通常包含极少的干涉条纹，因此不能采用傅里叶变换法提取畸变波前信息。虽然移相技术是干涉波前重建的最佳选择方案，但是很难在两束光波之间引入相移。即便如此，一些将移相技术引入点衍射干涉系统的光学结构也被提出。例如，文献(Opt.Lett.1984,9(2):59-61)通过在光栅中增加针孔，从而在点衍射干涉仪中实现移相。文献(Appl.0pt.1996,35(10):1633-1642 ;0pt.Lett.1994，19 (12):916-918)通过将一微球体置于液晶层代替针孔产生参考光波，而利用电寻址的液晶对测试光波进行移相。由上述可见，目前共光路点衍射干涉技术需要制作复杂的F1DI (Point-diffractioninterferometer)掩模板，实现难度大，有些结构还需要引入精确的分光装置(Opt.Lett.1996,21(19):1526-1528)。

发明内容
本发明的技术解决问题是:为了解决现有点衍射干涉波前传感技术所存在的测试光波与参考光波不共路、PDI掩模板加工难度高、移相困难、条纹对比度不可调等不足之处，本发明提供一种共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器，利用双折射透镜与偏振PDI掩模板产生共光路正交线偏振参考光与测试光，利用移相干涉技术重建待测波前相位，从而达到抗环境振动和大气干扰能力强、干涉条纹对比度高、自参考干涉、测量精度高的目的。本发明的技术解决方案是:共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器，包括偏振片、第一双折射透镜和第二双折射透镜、移相干涉系统、CXD传感器、计算机；还包括在第一和第二双折射透镜共焦平面处添加一个含有针孔的偏振PDI掩模板，其振动方向垂直于经第一双折射透镜所会聚光束的振动方向。所述的第一和第二双折射透镜是一个对称的双折射三合透镜，由一个位于中间的方解石双凹透镜和两个玻璃的双凸透镜组成，方解石的光轴位于透镜平面内，两透镜焦点重合且快轴方向平行；所述第一双折射透镜、偏振PDI掩模板、第二双折射透镜以及CCD传感器组成4f系统；所述的移相干涉系统能够使两束正交线偏振光产生时间移相干涉或空间移相干涉，具体有三种形式，分别为偏振时间移相干涉系统，由四分之一波片与偏振片组成；偏振空间移相干涉系统，由普通分束镜和偏振分束镜分光、偏振元件移相实现；光栅分光空间移相干涉系统，由二维光栅分光与偏振片移相实现。按照光路描述，待 测激光光束经过偏振片后形成线偏振光，然后被第一双折射透镜分成两束偏振方向相互正交的线偏振光，其中O光(寻常光)不改变传播方向，仍为平行光束，而E光(非常光)被会聚。会聚的E光经过偏振PDI掩模板上的针孔后产生小孔衍射形成近似理想球面波，再经第二双折射透镜后形成近似理想平面波，从而作为参考光；而O光几乎无衰减全部通过偏振PDI掩模板与第二双折射透镜，仍为平行光束，且包含了全部的待测波前信息而作为测试光；正交线偏振的测试光与参考光沿着相同的光路进入移相干涉系统，产生四步移相干涉；通过旋转偏振片的角度获得最高对比度的干涉图，由CCD传感器接收并输入计算机，然后采用移相算法重建待测波前相位分布。上述技术方案中，所述偏振PDI掩模板上的针孔孔径大小有两个量值可以选择:当该发明应用于波前检测时，针孔孔径大小为0.5倍爱里斑直径；当该发明应用于闭环自适应光学系统时，针孔孔径不大于1.5倍爱里斑直径，因而可以更好地提高光能利用率。本发明与现有技术相比有如下优点:I)与波前探测中常用到的哈特曼波前传感器相比，本发明采用干涉法重建波前相位，干涉图中每一个像素可看作一个子孔径，提升了波前探测精度和空间分辨率。

2)本发明采用严格的共光路结构设计，与Mach-Zehnder型干涉波前传感器相比，具有很强的抗大气干扰以及环境振动能力，适用范围更广。3)采用双折射透镜实现偏振分束，于是通过旋转偏振片便可获得最高的条纹对比度，很好地克服了传统点衍射干涉技术中条纹对比度不可调或不方便调整的缺点。4)采用带孔偏振片所制成的偏振PDI掩模板实现针孔衍射，并附加双折射透镜实现共光路设计，与传统共光路点衍射移相干涉技术相比，具有PDI掩模板加工容易、系统所用光学元件成本低的优点。5)采用移相技术直接重建待测波前相位，与傅里叶变换法相比，具有测量精度高、对CCD传感器空间分辨率要求低、测量动态范围大的优点；与径向剪切移相干涉技术相比，不需要波前重构数学运算过程，具有波前重建算法简单的优点。


图1为透射式共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器结构示意图；图2为反射式共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器结构示意图；图3偏振时间移相干涉系统；图4偏振空间移相干涉系统；图5光栅分光空间移相干涉系统；图中，1、12.偏振片，2、13.普通分束镜，3.第一双折射透镜，7.第二双折射透镜，
4.偏振PDI掩模板，5.针孔，6、16、17、22、23、24.反射镜，8.移相干涉系统，9.CCD传感器，
10.计算机，11、14、15、18.四分之一波片，19.偏振分束镜，20、21、25、27、29.正傅里叶透镜，26.二维光栅，28.光阑，30.偏振片阵列。
具体实施例方式本发明共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器，如图1所示，包括偏振片1、第一双折射透镜3和第二双折射透镜7、移相干涉系统8、CXD传感器9、计算机10 ;还包括在第一和第二双折射透镜共焦平面处添加一个含有针孔5的偏振roi掩模板4，其振动方向垂直于经第一双折射透镜3后会聚光束的振动方向。所述的第一双折射透镜3和第二双折射透镜7是一个对称的双折射三合透镜，由一个位于中间的方解石双凹透镜和两个玻璃的双凸透镜组成，方解石的光轴位于透镜平面内，两透镜焦点重合且快轴方向平行；所述的双折射透镜3和7可以将一束线偏振平行光束分成两束正交线偏振光,其中一束会聚于光轴上的有限远处，另一束不改变传播方向仍为平行光束；所述第一双折射透镜3、偏振PDI掩模板
4、第二双折射透镜7以及CXD传感器9组成4f系统。按照光路描述，待测激光光束经过偏振片I形成线偏振光，被第一双折射透镜3分成两束偏振方向正交的线偏振光，其中O光(寻常光)不改变传播方向，仍为平行光束，而E光(非常光)将被会聚。会聚的E光经过偏振PDI掩模板4上针孔5产生小孔衍射形成近似理想球面波，再经第二双折射透镜7后形成近似理想平面波，从而作为参考光；而O光几乎无衰减全部通过偏振PDI掩模板4与第二双折射透镜7，仍为平行光束，且包含了全部的待测波前信息而作为测试光；正交线偏振的测试光与参考光沿着相同的光路进入移相干涉系统8，产生四步移相干涉。图2所示为反射式结构，与图1所示的透射式结构的区别在于:紧贴着偏振PDI掩模板4之后放置一反射镜6,将经过偏振PDI掩模板4的两束光全部反射，由于各自均保持原有的偏振方向，于是再次经偏振PDI掩模板4透射，然后穿过第一双折射透镜3、分束镜2反射进入移相干涉系统8。这种结构设计省去了图1中的第二双折射透镜7。

通过旋转偏振片I的角度调节第一双折射透镜3分束后两束光之间的振幅比，以获得最高对比度的移相干涉图，由CCD传感器9接收并输入计算机10进行处理。移相干涉系统8具体有三种形式，第一种形式为偏振时间移相干涉系统，如图3所示，由四分之一波片11与偏振片12组成，其中四分之一波片11的快轴方向与参考或测试光波的偏振方向成45°角。正交线偏振的测试光波和参考光波经过四分之一波片11后变成左旋和右旋圆偏振光，然后经过一个旋转的偏振片12后产生时间移相干涉。第二种形式为偏振空间移相干涉系统，如图4所示，主要利用四分之一波片14、15和18，以及普通分束镜13和偏振分束镜19实现四步空间移相，同步产生四帧η /2相移的移相干涉图；进一步使用反射镜和正傅里叶透镜，将四帧移相干涉图同时入射到CCD传感器9的不同空间位置。第三种形式为二维光栅分光空间移相干涉系统，如图5所示，利用正交的二维光栅26产生对称分光，经过光阑28后获得(±1, ±1)级四束衍射光；它们分别通过一个偏振方向依次相差45°的偏振片阵列30，得到四帧π/2相移的移相干涉图。第二和第三种形式为空间移相结构，能够同步产生四帧移相干涉图，因此可以应用于实时波前测量。假设入射光束口径为D，入射光波长为λ，第一双折射透镜3的焦距为f，则无畸变光学系统艾里斑直径为dA = 2.44 Af/D0如果本发明的波前传感器应用于波前检测时，偏振PDI掩模板4上针孔5的孔径大小为0.5dA ;如果应用于闭环自适应光学系统时，则针孔5的孔径不大于1.5dA。假设待测光束复振幅表示为
权利要求
1.共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器，包括偏振片、第一双折射透镜、第二双折射透镜、移相干涉系统、CXD传感器、计算机；其特征在于还包括在第一和第二双折射透镜共焦平面处添加一个含有针孔的偏振PDI掩模板；所述第一双折射透镜、偏振PDI掩模板、第二双折射透镜与CCD传感器组成4f系统；按照光路描述，待测激光光束经过偏振片后被第一双折射透镜分成两束，其中E光经偏振PDI掩模板上针孔发生小孔衍射，再经第二双折射透镜后形成近似理想平面波作为参考光；0光几乎无衰减通过偏振PDI掩模板与第二双折射透镜，仍为平行光束作为测试光；参考光与测试光进入移相干涉系统产生四步移相干涉。
2.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，所述第一、第二双折射透镜为对称的双折射三合透镜，由一个位于中间的方解石双凹透镜和两个玻璃的双凸透镜组成，方解石的光轴位于透镜平面内；所述第一、第二双折射透镜可以将线偏振平行光分成两束正交线偏振光，其中E光会聚于光轴上的有限远处，O光仍为平行光束；并且所述第一和第二双折射透镜的焦点重合且快轴方向平行。
3.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，所述偏振F1DI掩模板是一个中心含有针孔的偏振片，所述针孔位于所述第一和第二双折射透镜的公共焦点。
4.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，所述偏振roi掩模板的振动方向垂直于经过所述第一双折 射透镜后会聚E光的振动方向。
5.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，所述偏振roi掩模板上针孔的孔径大小有两个量值可以选择:当该发明应用于波前检测时，针孔孔径大小为0.5倍爱里斑直径；当该发明应用于闭环自适应光学系统时，针孔孔径不大于1.5倍爱里斑直径。
6.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，通过旋转所述偏振片的角度获得最高的干涉条纹对比度。
全文摘要
本发明涉及一种共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器。包括偏振片、第一和第二双折射透镜、移相干涉系统、CCD传感器、计算机；还包括在第一和第二双折射透镜共焦平面处添加一个含有针孔的偏振PDI掩模板。待测线偏振光束被第一双折射透镜分为两束，E光会聚于偏振PDI掩模板上的针孔发生小孔衍射作为参考光；O光几乎无衰减通过偏振PDI掩模板作为测试光；参考光和测试光通过移相干涉系统形成四帧时间或空间移相干涉图，通过旋转偏振片调节条纹对比度，进而使用移相算法重建待测波前相位。本发明采用共光路结构、无需专门的参考光、且系统稳定性强、条纹对比度可调，可适用于各类波前相位的动、静态高精度检测。
文档编号G02B27/10GK103245423SQ20131017543
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者白福忠, 王晓强, 刘珍, 索晓红, 吴亚琴, 田枫 申请人:内蒙古工业大学