非共光路环路径向剪切偏振相移干涉仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于环路径向剪切干涉术（CRSI,CyclicRadialShearing Interferometry)和偏振相移技术进行光束或光学元件产生的波前检测的技术领域，特别 是一种非共光路环路径向剪切偏振相移干涉仪。
【背景技术】
[0002] 基于干涉原理测量波前相位的波前传感器，由于其空间分辨率高、测量精度高而 受广泛关注。典型的干涉型波前传感器有哈特曼传感器、剪切干涉仪、点衍射干涉仪等。
[0003] 哈特曼传感器是采用微透镜阵列对入射光束进行斜率测量，并根据测量出的波前 相位梯度数据来重建波前。哈特曼传感器将每个微透镜看作一个子孔径，因此微透镜阵列 的大小决定了传感器的空间采样率。为了提高测量精度，需要增加子孔径的数目，从而提高 了对光电探测器件的分辨率要求。
[0004] 点衍射干涉仪作为一种可直接复原波前相位的波前传感器，在自适应光学系统中 得到了广泛的应用。但是，由于其光路中采用了针孔滤波器，降低了系统的光能利用率，从 而使获得的干涉条纹对比度不高，使它的波前检测范围和精度受到了一定的影响。
[0005] 剪切干涉仪在应用中分为横向剪切干涉仪和径向剪切干涉仪。其中，横向剪切干 涉仪在测量波前时需要获取不同剪切量的多帧剪切干涉图，因此，对环境扰动很敏感，对波 前复原算法要求高。径向剪切干涉仪通过对被测光束进行扩大与缩小，使两光束产生径向 剪切干涉从而求解出被测波前相位，在原理上不存在横向剪切干涉遇到的困难。
[0006] 1964年，Murty提出的环路径向剪切干涉系统（Appl.Opt. 1964, 3(7) :853-857)采 用共光路结构、无需专门参考光路，使其能得到稳定的干涉条纹，对环境要求低、测量精度 高，从而得到了广泛的应用。对该系统获取干涉条纹后复原波前的常用方法是在剪切光束 中引入载波干涉条纹，通过傅里叶变换法进行求解。由于傅里叶变换法的边界效应，限制了 波前复原的测量精度和测量的动态范围。
[0007] 在专利"基于四步空间相移的共光路径向剪切干涉仪"（专利【申请号】 201010034142. 3)和专利"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：201210524041. 1)中，采用的四步相移结构将剪切波前的相位提取与四步相移算法结 合，简化了相位提取算法，提高了算法效率。但是，由于该结构产生的四幅干涉图的四组 光路经过的是光学元件的不同部位，将会造成分光不均匀、相移不准确等问题，从而影响 其测量精度。此外，专利"基于四步空间相移的共光路径向剪切干涉仪"（专利【申请号】 201010034142. 3)中的四步空间相移结构复杂、器件繁多，增加了测量的误差源。专利"共 光路径向剪切液晶移相干涉波前传感器"（专利【申请号】20121076291. 0)中的共光路结构对 光学元件的装调精准度要求高，尤其是要求两透镜共光轴共焦点，在实际操作中不易实现。
[0008] 非共光路环路径向剪切偏振相移干涉仪在以上【背景技术】的基础上，采用环路径向 剪切技术，避免了由针孔滤波器导致的光能利用率低和干涉条纹对比度低的问题。非共光 路的特点降低了系统的装调难度，使用更方便。通过旋转检偏器可以实现N步相移。将相 移与干涉相结合的同时，使被测波前的提取和重建更简单、快速和准确。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是提供一种非共光路环路径向剪切偏振相移干涉仪实 现波前检测和波前复原。针对传统径向剪切干涉仪相位提取难度高、算法复杂、精度较低等 缺点，通过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术的缺点。 本干涉仪很好地融合了偏振调制、径向剪切干涉和N步相移技术各自的优势，具有光能利 用率高、抗环境振动能力强、装调简单、波前测量精度高和波前复原计算简单快速等特点。
[0010] 本发明要解决上述技术问题采用的技术方案是：非共光路环路径向剪切偏振相移 干涉仪包括偏振调制系统、环路径向剪切系统、N步相移系统和成像系统四个部分：偏振调 制系统由起偏器P和1/2波片HW组成或由起偏器PJPP2组成；环路径向剪切系统是由分 束棱镜BS、透镜LJPL2、反射镜乂和^组成；N步相移系统是由1/4波片QW和检偏器A组 成；成像系统是由光电耦合器件CCD和计算机组成。
[0011] 光束经过被测元件后产生的被测波前进入非共光路环路径向剪切偏振相移干涉 仪中，在环路径向剪切系统中被分束棱镜BS分成两束传播方向不同的扩大光束和缩小光 束，其中透射光束经透镜U、反射镜乂和M2、透镜L2后再次经分束棱镜BS全部透射，反射光 束经透镜L2、反射镜仏和Mi、透镜Q后再次经分束棱镜BS全部反射，透射光束和反射光束 在透镜LdPL2之间汇聚的焦点不重合，形成非共光路结构；在偏振调制系统中，将起偏器P 放置在分束棱镜BS之前，使被测光束成为线偏振光，1/2波片HW放置在透射(或反射)光束 的焦点位置，使透射光束和反射光束成为相互正交的线偏振光；或者在偏振调制系统中，将 起偏器PJP?2分别放置在透射光束和反射光束的焦点位置，使透射光束和反射光束成为相 互正交的线偏振光；两束正交线偏振光进入N步相移系统后经过1/4波片QW成为两束圆偏 振光，其旋向分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再经过检偏器A后产生干涉现象；形成 的干涉条纹进入成像系统，通过光电耦合器件CCD和计算机采集干涉条纹图，采用相移算 法对干涉图进行分析计算，通过相位展开得到剪切波前的相位分布，最后通过Zernike多 项式拟合或迭代算法重构被测波前。
[0012] 其中，在环路径向剪切系统中的透镜l#l2由两个正透镜组成，两透镜的焦点位 于两透镜之间，构成开普勒望远镜系统；透镜LJPL2也可由一个正透镜和一个负透镜组成， 两透镜的焦点位于两透镜的外侧。透镜LdPL2的焦距分别为f:和f2，且#f2。
[0013] 其中，假设被测光束的口径为D，则透射光束经环路径向剪切系统后，光束口径被 扩大或缩小为Di，且DeDXfVfi;反射光束经环路径向剪切系统后，光束口径被缩小或扩大 为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快轴与起偏器P快轴的夹角为45°，或者起偏器PJPP2快轴的 夹角为90°，两种偏振调制系统的设置都将透射(或反射）光束的偏振方向旋转90°，使其 与反射(或透射）光束的偏振方向垂直。
[0015]其中，1/4波片QW快轴与1/2波片HW快轴的夹角为45°，或者1/4波片QW快轴与 起偏器Pi快轴的夹角为45°。两束正交线偏振光经过1/4波片QW后成为两束圆偏振光， 其旋向分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
[0016] 其中，每次旋转检偏器A的角度为开/N(N之3)，从而使两光束依次产生N步等间 距的相移。
[0017] 其中，被测元件、透镜LdP L2、光电耦合器件C⑶的位置关系满足4f系统，使干涉 条纹图清晰成像于光电耦合器件CCD的靶面上。
[0018] 本发明与现有技术相比其显著的优点是： (1)与普通干涉仪相比，本发明无需专门设置参考镜，可用于自适应光学等波前探测领 域的应用。
[0019] (2)与传统径向剪切干涉仪相比，由于边界效应的影响，使傅里叶变换法处理单帧 载频干涉图复原波前的测量精度低、测量动态范围小、对光电耦合器件分辨率要求高。本发 明引入偏振片和波片等偏振器件，采用偏振相移技术复原波前，解决了傅里叶变换法复原 波前精度低的问题，并大大提高了相位提取的数据处理速度和算法精度。
[0020] (3)与共光路环路径向剪切干涉仪相比，本发明无需将透镜LdPL2调节为共光轴 共焦点，减少了装调带来的难度，操作更简单方便。
[0021] (4)与传统的点衍射相移干涉仪相比，本发明的光能利用率高，干涉条纹对比度 尚。
[0022] (5)与传统的哈特曼波前传感器相比，本发明通过光电耦合器件CCD获取波前相 位，将CCD的每一个像素看作一个子孔径，有更高的探测精度和空间分辨率。
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