共光路径向剪切液晶移相干涉波前传感器

摘要

本发明公开了一种共光路径向剪切液晶移相干涉波前传感器，由起偏器、径向剪切系统，液晶相位调制器(LC)、检偏器、成像系统和计算机组成。待测光束进入波前传感器后，旋转起偏器调整入射光束的偏振方向；然后经过径向剪切系统，形成两束同光轴、偏振方向正交、光束口径按相同比例缩放的剪切光束；而后两剪切光束垂直入射到LC上，保持LC的偏振方向与扩大光束偏振方向一致；计算机驱动LC在剪切光束之间引入N(N≥3)个不同相移，然后经检偏器后得到两剪切光束中与检偏器偏振方向一致的偏振分量并产生干涉；干涉图由成像系统采集并分时依次输入计算机，经分析计算重构待测光束波前相位。本传感器优点是光学系统结构简单、能够抑制环境振动与非共路误差的影响、干涉条纹对比度连续可调、波前探测精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自适应光学、波前探测技术领域中的关键器件，特别指 一种共光路径向剪切液晶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、剪切干涉仪 等；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；第三 类是直接复原波前相位，典型代表是点衍射干涉仪。

在所有波前传感器中，哈特曼波前传感器最为常用。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。

干涉波前传感器可以认为干涉图中每个像素对应一个子孔径，这样既可 以降低对光电探测器件分辨率的要求，还可以有效提高测量结果的空间分辨 率。其中一种干涉波前传感器为点衍射干涉仪，由于采用针孔滤波，因而光 能利用率低，这样极大地限制了该器件的测量范围与探测精度(Optics  Express.15(21)：13745-13756)。另一种干涉波前传感器为剪切干涉仪，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；而径向剪切干涉技术通过对入 射光束进行扩大与缩小，然后两光束产生径向剪切干涉从而求解出待测波前 相位，于是原理上不存在横向剪切干涉所遇到的缺陷。

目前，多数径向剪切干涉技术采用Mach-Zehnder干涉结构(Appl.Opt. 2008，47(3)：372-376；Appl.Opt.2002，41(19)：4013-4023)，以便使用 移相器在两光束之间引入相位调制(Opt.Letts.2007，32(3)：232-234； Appl.Opt.2006，45(15)：3409-3414)。该光学系统的优势是可以采用移相 技术求解波前相位，缺点是剪切光束不共路，不能避免空气扰动以及其它环 境不稳定因素对测量结果的影响。1964年由Murty提出环路径向剪切干涉系统 (Appl.Opt.1964，3(7)：853-857)，该光学系统由于采用共光路光学结构 且结构紧凑简单得到了很好的应用。针对该光学系统，现有的解决方案是通 过在两剪切光束中引入线性倾斜后产生载波干涉条纹，然后采用Takeda提出 的傅里叶变换法进行求解(J.Opt.Soc.Am.1982，72(1)：156-160；Opt. Letts.2005，30(5)：492-494；Appl.Opt.2007，46(34)：8305-8314)。 由于傅里叶变换法的边界效应，使得该方法的测量精度受到一定限制；同时， 由于需要引入较高载频，因而波前测量的动态范围也较低。还有一种“基于 四步空间移相的共光路径向剪切干涉仪”(专利申请号：201010034142.1)， 采用两个光电探测器CCD的两个不同位置或一个光电探测器CCD的四个不同位 置采集四帧移相干涉图。因而多个干涉图之间需要准确地位置匹配，并且同 一个光电探测器CCD的不同位置或者不同光电探测器CCD之间要求具有一致的 光电转换特性；涉及的光学系统结构复杂；产生四个干涉图的四组光路经历 不同的光学器件，因而同类光学器件之间不一致的光学特性将会造成分光不 均匀、移相不准确等问题，从而影响探测精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种共光路径向剪切液晶移相干涉波前 传感器，这种波前传感器将液晶相位调制技术引入共光路径向剪切干涉系统， 同时拥有共光路和高测量精度的特点；另外，由于采用偏振分光技术，可以 通过旋转起偏器方便地获得最大的干涉条纹对比度，进一步保证波前探测的 精度。本传感器可解决目前共光路剪切干涉技术测量精度低以及基于移相波 前复原技术的非共光路剪切干涉系统抗干扰能力差的问题，它很好地融合了 共光路、剪切干涉、液晶相位调制、移相波前复原技术各自的优势，具有光 能利用率高、干涉条纹对比度高、抗环境振动和大气干扰能力强、自参考干 涉、波前复原精度高等特点。

本发明要解决的技术问题由如下方案来实现：共光路径向剪切液晶移相 干涉波前传感器，由起偏器P₁、偏振分束镜PBS、反射镜M₁和M₂、透镜L₁和 L₂、液晶相位调制器LC、检偏器P₂、透镜L₃和L₄、光电探测器CCD以及计算 机组成，其中，偏振分束镜PBS、反射镜M₁和M₂、透镜L₁和L₂组成径向剪切 系统；液晶相位调制器LC、反射镜M₃和检偏器P₂组成移相干涉系统；透镜 L₃和L₄以及光电探测器CCD组成成像系统，完成干涉图采集。透镜L₁和L₂可以使用公共焦点在透镜的同一侧的正透镜和负透镜组成，也可以使用公共 焦点在两透镜之间的两个正透镜组成。所述起偏器P₁置于所述径向剪切系统 之前，所述偏振分束镜PBS、反射镜M₁和M₂的光轴构成一平面直角三角形， 透镜L₁和L₂置于该直角三角形之间，且两透镜的光轴与该直角三角形构成的 光轴共线，透镜L₁接近反射镜M₁，透镜L₂接近反射镜M₂，液晶相位调制器 LC垂直于光束传播方向并置于径向剪切系统之后，并且LC的偏振方向与放 大光束的偏振方向平行，检偏器P₂置于液晶相位调制器LC与成像系统之间， 其偏振方向与放大和缩小光束的偏振方向均成45°。成像系统中两个正透镜 构成4f系统，用于将产生的干涉图成像于光电探测器CCD靶面上，可根据光 电探测器CCD靶面尺寸、图像分辨率、干涉图的物理大小选择合理的透镜焦 距比。计算机用于控制液晶相位调制器LC产生特定相移，并且进行波前复原 与结果显示。同时计算机通过A/D卡与光电探测器CCD相连完成干涉图采集； 然后采用移相算法对移相干涉图进行分析计算得到缠绕相位，进一步采用相 位展开算法得到扩大光束与缩小光束在重叠剪切区域的相位差；最后采用 Zernike拟合法或循环迭代法重构待测波前相位。

径向剪切系统中，透镜L₁和透镜L₂的焦距分别为f₁和f₂，且f₁＞f₂；Df₁/f₂决定扩大光束的口径，Df₂/f₁决定缩小光束的口径，(f₂/f₁)²决定两光束剪切 比，其中，D为入射光束口径。

径向剪切系统中，负透镜L₁和正透镜L₂光轴重合且焦点重合于两透镜的 外侧；透镜L₁和L₂也可以由两个正透镜实现，这时二者光轴重合且焦点重合 于两透镜之间。

可以通过旋转起偏器P₁的角度获的最大的干涉条纹对比度。

液晶相位调制器LC在一次波前测量中移相N次，N≥3，相移量用δ_n表示， n＝1，2，…，N，且最大相移量δ_N＜2π。最常用的移相算法有三步移相算法和四步 移相算法，即N＝3或N＝4。

待测光束进入波前传感器后，首先经过起偏器P₁形成线偏振光。然后经 偏振分束镜PBS分成两束偏振方向正交的线偏振光。其中，透射光束经过反 射镜M₂后依次经过透镜L₂和L₁实现扩束，即光束口径扩大。设透镜L₁、L₂的焦距分别为f₁和f₂，入射光束口径为D，则扩大光束的口径为D₁＝Df₁/f₂。 扩大光束经过反射镜M₂后入射到PBS，然后全部反射进入移相干涉系统。反 射光束经过反射镜M₁后依次经过透镜L₁和L₂实现缩束，即光束口径缩小，缩 小光束的口径为D₂＝Df₂/f₁。缩小光束经过反射镜M₁后入射到PBS，然后全部 透射进入移相干涉系统。于是，待测光束经径向剪切系统后出射两束共光轴、 口径分别被扩大和缩小的正交线偏振光。

液晶相位调制器LC垂直光束传播方向且置于径向剪切系统之后，其偏振 方向与扩大光束的偏振方向一致。

计算机驱动LC移相N(N≥3)次，从而可在两光束之间依次产生N个不 同的相移δ_n(n＝1，2，…，N)。然后通过检偏器P₂得到两光束分别对应于检偏 器偏振方向的偏振分量，从而发生干涉，并由此形成N帧径向剪切移相干涉 图。通过旋转起偏器P₁的角度可以获得最高对比度的干涉图。N帧径向剪切 移相干涉图经过成像系统分时依次成像在光电探测器CCD的同一位置，然后 输入计算机进行分析计算得到待测光束的波前相位。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1)与哈特曼波前传感器相比，本发明的共光路径向剪切液晶移相干涉 波前传感器采用干涉法探测波前相位，光电探测器CCD中每一个像素可以看 成一个子孔径，因而，它的探测精度和空间分辨率高。

2)与点衍射式自参考干涉波前传感器相比，共光路径向剪切液晶移相 干涉波前传感器光能利用率高，干涉条纹对比度高。

3)基于Mach-Zehnder干涉结构的径向剪切干涉技术属于非共光路系 统，虽然可以容易地采用移相技术求解波前相位，但它不能避免空气扰动以 及其它环境不稳定因素对测量结果的影响。本发明的共光路径向剪切液晶移 相干涉波前传感器采用共光路光学结构，抗振动能力好，应用范围更广。

4)传统共光路剪切干涉技术通过引入空间线性调制形成载频干涉图， 然后使用傅立叶变换法进行求解，由于边界效应的影响导致其测量精度低、 测量动态范围小、对光电探测器分辨率要求高。本发明的共光路径向剪切液 晶移相干涉波前传感器，采用移相技术复原波前相位，完全克服了傅里叶变 换法所存在的问题，算法简单且测量精度高。

5)本发明的共光路径向剪切液晶移相干涉波前传感器采用液晶相位调 制器作为移相器件，相移量准确且重复性好，从而进一步保证了波前探测的 精度。

6)与“基于四步空间移相的共光路径向剪切干涉仪”(专利申请号： 201010034142.1)相比，本发明的共光路径向剪切液晶移相干涉波前传感器 具有结构简单、移相准确、对光电探测器件要求不高等优点，因而测量精度 高、不存在分光不均匀以及干涉图之间位置匹配的问题。

附图说明

图1为采用透射式液晶相位调制器的共光路径向剪切液晶移相干涉波前 传感器结构原理示意图。

图2为采用反射式液晶相位调制器的共光路径向剪切液晶移相干涉波前 传感器结构原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本传感器由起偏器P₁1、偏振分束镜PBS2、反射镜M₁3和 M₂4、透镜L₁5和L₂6、液晶相位调制器LC7、反射镜M₃8、检偏器P₂9、透镜 L₃10和L₄11、光电探测器CCD12以及计算机13组成，其中，偏振分束镜PBS2、 反射镜M₁3和M₂4、透镜L₁5和L₂6组成径向剪切系统；液晶相位调制器LC7、 反射镜M₃8和检偏器P₂9组成移相干涉系统；透镜L₃10和L₄11以及光电探测 器CCD12组成成像系统。起偏器P₁1置于所述径向剪切系统之前，偏振分束 镜PBS2、反射镜M₁3和M₂4的光轴构成一平面直角三角形，透镜L₁5和L₂6置 于该直角三角形之间，且两透镜的光轴与该直角三角形构成的光轴共线，透 镜L₁5接近反射镜M₁3，透镜L₂6接近反射镜M₂4，液晶相位调制器LC7垂直 于光束传播方向并置于径向剪切系统之后，并且液晶相位调制器LC7的偏振 方向与放大光束的偏振方向平行，检偏器P₂9置于液晶相位调制器LC7与成 像系统之间，其偏振方向与放大和缩小光束的偏振方向均成45°。待测光束 经过起偏器P₁1形成线偏振光，然后经偏振分束镜PBS2分成两束偏振方向正 交的线偏振光。其中，反射线偏振光束经反射镜M₁3后依次穿过透镜L₁5和 L₂6实现缩束(光束口径缩小)；而透射线偏振光束经反射镜M₂4后依次穿过 透镜L₂6和L₁5实现扩束(光束口径扩大)。

如图2所示，液晶相位调制器LC7可以是透射式LC，也可以是反射式LC。 二者差别在于，当使用反射式LC时需在LC7与径向剪切系统之间增加一个分 束镜BS14，这种情况下将损失一部分光能量。

设透镜L₁5和L₂6的焦距分别为f₁和f₂，并且f₁＞f₂，入射光束口径为D， 则扩大光束的口径为D₁＝Df₁/f₂，缩小光束的口径为D₂＝Df₂/f₁。扩大光束和 缩小光束分别入射到PBS2后，全部反射或透射进入移相干涉系统。结果由径 向剪切系统出射两束共光轴、一束被扩大一束被缩小的正交线偏振光。设两 光束剪切比为s，则有：

s²＝D₂/D₁＝(f₂/f₁)²……………………………(1)

液晶相位调制器LC7放在径向剪切系统之后，且LC7的偏振方向与扩大 光束的偏振方向一致。计算机13驱动LC7移相N(N≥3)次，从而可在两 剪切光束之间依次产生N个不同的相移量δ_n(n＝1，2，…，N)。然后通过检偏器 P₂9得到两光束分别对应于P₂9偏振方向的偏振分量，从而发生干涉，并由此 形成N帧径向剪切移相干涉图I_n，表示为

I_n(x/s，y/s)＝a(x/s，y/s)+b(x/s，y/s)cos[ΔΦ(x/s，y/s)-δ_n]……………(2)

其中ΔΦ(x/s，y/s)表示剪切光束相位差。

根据已知剪切比s，旋转起偏器P₁1使干涉图的对比度达到最高，对比度 K与P₁1的旋转角度θ(θ∈(0，π/2))之间的关系如(3)式所示：

$K=\frac{2\sqrt{D_2/D_1\tan \theta }}{D_2/D_1+\tan \theta }=\frac{2f_2/f_1\sqrt{\tan \theta }}{{(f_2/f_1)}^2+\tan \theta }=\frac{2s\sqrt{\tan \theta }}{s^2+\tan \theta }...\left(3\right)$

当θ＝arctan(s²)时，干涉条纹对比度最高(等于1)。径向剪切移相干涉图经 过成像系统被光电探测器CCD12采集，然后输入计算机13并使用(4)式所 示的移相算法求解缠绕相位差：

$\mathrm{\Delta \Phi }(x/s,y/s)=\arctan \left[\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_n(x/s,y/s)\sin \left({\delta }_n\right)}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_n(x/s,y/s)\cos \left({\delta }_n\right)}\right]....\left(4\right)$

进一步采用文献”Robust phase-unwrapping techniques：a comparison” (J.Opt.Soc.Am.A.1996，13(12)：2355-2366)中的方法对(4)式的计算 结果进行相位展开，得到解缠绕后的扩大光束与缩小光束在重叠区域的剪切 相位差ΔΦ(x/s，y/s)。

使用以下两种算法中的任意一种算法由剪切相位差ΔΦ(x/s，y/s)复原出待 测原始波前Φ₀(x，y)。

1)第一种算法为Zernike拟合法。原始波前用Zernike正交基线性表示 为：

${\Phi }_0(x,y)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_k{Z}_k(x,y)...\left(5\right)$

其中，Z_k(x，y)表示Zernike正交基，a_k表示第k阶Zernike系数。

根据(5)式可以得出(6)式：

$\mathrm{\Delta \Phi }(x/s,y/s)=\underset{k=0}{\overset{M}{\Sigma }}{a}_k{Z}_k(x/s,y/s)...\left(6\right)$

其中，

ΔZ_k(x/s，y/s)＝Z_k(x/s，y/s)-Z_k(x·s，y·s)……………………(7)

对(6)式利用最小二乘法求出a_k(k＝0，1，…M)后带入(5)式中，即可 求出待测原始相位Φ₀(x，y)。

2)第二种算法为循环迭代法。剪切相位差的极坐标形式表示为：

ΔΦ(r/s，φ)＝Φ₀(r/s，φ)-Φ₀(r·s，φ)………………………(8)

其中，Φ₀(r/s，φ)和Φ₀(r·s，φ)分别表示缩小光束和扩大光束波前相位。以s²乘以 (8)式左右两边的径向变量r，有：

ΔΦ(r·s，φ)＝Φ₀(r·s，φ)-Φ₀(r·s³，φ)………………………(9)

重复以上步骤M次，并将得到的所有等式左右累加，得到(10)式：

${\Phi }_0(r/s,\phi )=\underset{k=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{\Delta \Phi }(r·s^{2k-1},\phi )+{\Phi }_0(r·s^{2M+1},\phi )...\left(10\right)$

根据(10)式进行多次循环迭代运算后可以求出待测原始波前相位。

起偏器P₁1、检偏器P₂9、偏振分束镜PBS2、反射镜以及透镜均为常用光 学元件，无需特殊设计。