[发明专利]一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于干涉法进行波前测量的波前传感器的技术领域，特别是一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪。

背景技术

基于干涉原理的波前传感器，由于其空间分辨率高、测量精度高而受到广泛关注。典型的干涉型波前传感器如点衍射干涉仪、剪切干涉仪等。其中剪切干涉仪由于光能利用率高、共光路结构抵抗外界干扰等优点，得到研究人员的大量研究。

在专利“基于四步空间相移结构的共光路径向剪切干涉仪.专利申请号：201010034142.3”中，作者提出了一种基于四步空间偏振移相结构的共光路径向剪切干涉仪，成功实现了将径向剪切干涉仪的剪切相位差提取与经典四步移相算法相结合，大大简化了传统径向剪切干涉仪的相位提取算法，提高了算法效率，且有效降低相位提取的误差。然而，该发明中充当四步移相器的四步空间偏振移相结构过于复杂，使用的光学元器件相对较多，且调试过程繁琐。在此背景下，本文提出一种小型化的结构方案，在保证前述发明专利所拥有的诸多优点的基础上，如共光路结构抗环境干扰能力、采用四步移相算法降低相位提取难度并提高相位提取精度、干涉条纹对比度连续可调等，利用基于微偏振片阵列的小型四步移相器替代原有四步空间偏振移相结构，大大简化了光路结构，减少光学元器件的使用，从而减少加工等误差来源。

本发明提出的设计方案，相较于传统径向剪切干涉仪，在不影响其抗干扰能力的前提下，引入四步移相结构，大大简化和降低相位提取复杂程度和难度；相较于基于四步空间偏振移相结构的径向剪切干涉仪而言，本发明专利提出的方案，有效降低结构复杂程度，大幅度减少光学元器件的使用，便于安装和携带，在某些复杂环境下优越性明显。此外，光学元器件的大幅度减少，也有效降低由于光学加工误差、装调误差等额外误差来源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统径向剪切干涉仪相位提取算法复杂、相位提取难度高、相位提取精度较低等缺点，通过引入四步空间移相器，利用经典四步移相算法有效克服传统径向剪切干涉仪相位提取算法复杂、相位提取精度低等缺点。同时，可以用于共光路结构的四步空间移相结构使用元器件多、结构复杂，在复杂环境下使用时，误差源较多，会影响其波前探测精度。此外，由于四步移相算法的使用，四个光强值能够计算出一个对应的相位值，这在一定程度上降低了径向剪切干涉仪的波前空间分辨能力。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪，包括：起偏器，偏振分光棱镜，由焦距分别为f₁和f₂的第一透镜和第二透镜，以及第一反射镜和第二反射镜组成的缩束或扩束系统，1/4波片，二元微偏振片阵列和光敏器件CCD相机；其中f₁≠f₂；

畸变光束进入基于四步移相原理的小型化径向剪切干涉仪后，首先经过起偏器后被偏振分光棱镜分成偏振方向沿水平方向的反射光束和偏振方向沿竖直方向的透射光束，偏振方向沿水平方向的反射光束经过第一透镜、第一反射镜、第二反射镜以及第二透镜后，最终被偏振分光棱镜再次反射，其光束口径被相应缩小或扩大；设入射光束口径为D₀，则缩束或扩束后光束口径为D₁，且D₁=D₀×f₂/f₁；同样，偏振方向沿竖直方向的透射光束经过第二透镜、第二反射镜、第一反射镜以及第一透镜后，最终被偏振分光棱镜再次透射，其光束口径被相应扩大或缩小；扩束或缩束后光束口径为D₂，且满足D₂=D₀×f₁/f₂；这样，包含畸变波前相位分布的光束入射到由偏振分光棱镜和缩扩束系统后，形成两束同光轴、偏振方向分别沿水平和垂直方向的光束对，共同进入快轴沿45°方向的1/4波片和由微偏振片阵列组成的相位掩模板（PhaseMask）中，并最终投射到CCD相机的光敏面上；微偏振片阵列是由一系列大小与CCD相机像元大小相同的微偏振片组成，相邻四个像元对应的四个微偏振片的起偏角分别为0°、45°、90°和135°；根据偏振移相原理，四个相邻像元之间的相移量分别对应为0，π/2、π和3π/2，根据四步移相算法，即能够计算出对应位置的相位值，依次类推，可以从探测到的单帧干涉图中提取出径向剪切相位差分布。

其中，对波前测量无需绝对平面作为参考，仅以待测光束自身局部区域为参考，回避绝对平面参考镜加工误差等引入的波前测量误差。