[发明专利]一种基于余弦波带片的径向剪切干涉仪

说明书

本发明提出一种基于余弦波带片的径向剪切干涉仪，由一个余弦波带片和一个图像探测器组成，待测光束入射到余弦波带片，经过余弦波带片的衍射，形成两束光，一束是会聚光，另一束是发散光，两束光传播一段距离后，发生径向剪切干涉，形成干涉条纹，并被图像探测器记录。由于在图像探测器靶面上两束光的孔径不同，会聚光包含了径向缩小的待测光束信息，发散光包含了径向扩大的待测光束信息，所以干涉图中包含了径向剪切相位信息。利用相位提取算法和波前复原算法即可重构待测波前畸变信息。本发明仅使用一个余弦波带片和一个图像探测器即可实现波前测量，结构简单、系统稳定可靠、无需参考光。

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的干涉仪，尤其涉及一种新型的基于余弦波带片的径向剪切干涉仪。

背景技术

在现代科学技术研究中，利用光学的方法实现精密测量的技术应用非常广泛，光学测量具有非接触、高灵敏度和高精度等特点。随着激光技术和计算机技术的迅速发展,光学测量技术的应用领域不断的扩大。

剪切干涉仪是波前探测技术的主要方法之一，主要包括横向剪切干涉仪和径向剪切干涉仪。横向剪切干涉仪是通过分光的方式复制出待测光束，并将复制出的待测光束与其自身产生移位或者错位后使相互重叠的光束产生干涉，然后从干涉图中提取的相位差信息与待测波前之间存在一定的隐函数关系，利用波前复原算法即可重构待测波前。径向剪切干涉仪是将待测光束分成一束扩大光束，一束缩小光束，两束光在交叠区域实现径向剪切干涉，然后从干涉图中提取径向斜率信息，利用波前复原算法即可重构待测波前。

相较于横向剪切干涉仪，径向剪切干涉仪不需要同时测量两个垂直方向的波前斜率，并且无信息丢失，具有测量精度高，空间分辨率高等优点。径向剪切干涉仪有多种不同的干涉结构，早期主要由透镜、反射镜、棱镜等传统光学元件构成，之后有多种基于光栅、波带片等衍射光学元件的径向剪切干涉仪被提出。但是，这些径向剪切干涉仪的结构都很复杂，需要3到5个光学元件才能实现径向剪切，复杂的结构限制了径向剪切干涉仪的应用范围。另外，传统的径向剪切干涉仪的干涉图无明显规律，一般为了从干涉图中提取径向剪切干涉相位差，需要在光路中引入相移或者额外的空间载频。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：1、传统的径向剪切干涉仪结构复杂，需要多个光学元件实现径向剪切干涉，调整不便。2、传统的径向剪切干涉仪为了从干涉图中提取相位信息，需要在光路中引入相移或者倾斜，容易破坏干涉系统的稳定性。

本发明采用的技术方案是：提出由一个余弦波带片和一个图像探测器组成的径向剪切干涉仪，结构简单，调整方便。此干涉仪光路中天然包含离焦，使得径向剪切干涉图是圆形闭合的，可以直接使用相位提取算法提取相位，无需在光路中引入相移或者倾斜，系统稳定可靠。

其中：余弦波带片的复振幅透过率函数为：

其中，r是极坐标系的径向变量，d是一个常数，且d＝f×λ，其中f是波带片的焦距，λ是待测光束的波长。

设被测光复振幅为：

U_i(r,θ)＝A_i(r,θ)exp[jkW(r,θ)] (2)

其中，θ是极坐标系的角向变量，A_i(r,θ)是待测光束的振幅，W(r,θ)是待测光束的波前，j是虚数单位，k＝2π/λ是波矢。待测光束经过余弦波带片后，衍射出两束光，复振幅变成如下形式：

传播一段距离z，在图像探测器接收靶面复振幅表达式是：