CN203298878U - 条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器。包括起偏器、偏振分束镜、第一和第二傅里叶透镜、第一和第二反射镜、检偏器、CCD传感器、计算机；还包括在第一和第二傅里叶透镜的共焦平面处添加一个含有针孔的偏振PDI掩模板。待测线偏振光束被偏振分束镜分为两束，一束通过针孔发生小孔衍射作为参考光，另一束直接通过偏振PDI掩模板上非针孔区域作为测试光；通过调节起偏器旋转角度与偏振分束镜倾斜角度获得对比度最高、载频适当的干涉条纹，从而快速准确重建待测波前相位。本实用新型采用共光路结构、无需专门的参考光、且具有系统稳定性强、条纹对比度与载频可调、测量精度高且测量动态范围大的特点。

Description

条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器

技术领域

本实用新型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，特别指一种条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器。

背景技术

波前传感器是自适应光学系统中用来探测入射光束的波前相位的重要器件。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(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。

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(Proc.SPIE，2004，5553：112-126)。

干涉波前传感器的参考光波来源于待测光波而不需要另外引入的称为自参考干涉波前传感器。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.Opt.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.Opt.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)，这样便可容易地使用PZT移相器在两光束之间引入相移，或者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进行求解(Appl.Opt.1974，13(11)：2693-2703；J.Opt.Soc.Am.1982，72(1)：156-160)。但是，这种非共路光学结构的最大缺点是，测量结果将不可避免地受到空气扰动以及周围环境振动的影响。

为了使点衍射干涉波前传感器拥有更大的稳定性，唯一解决措施就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。原因有两方面：1)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，因而不能采用傅里叶变换法提取畸变波前信息；2)很难在两束共光路相干光波之间引入相移，尽管目前已有文献提出一些基于移相技术的点衍射干涉结构(Opt.Lett.1984，9(2)：59-61；Appl.Opt.1996，35(10)：1633-1642；Opt.Lett.1994，19(12)：916-918)，然而，它们存在的共同问题是：PDI(Point-diffraction interferometer)掩模板制作复杂、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)；多数技术均为时间移相法，不能应用于实时波前测量。

1964年，M.V.R.K.Murty在文献“A compact radial shearing interferometer based onthe law of refraction，Appl.Opt.1964，3(7)：853-858”提出一种环路径向剪切干涉仪(Cyclic radial shearing interferometry，CRSI)。四川大学冯国英等在此基础上，将PDI与CRSI结合，提出一种基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪(发明专利申请号：201010577125.2)。该光学结构中，待测光束经分光镜透射和反射、分别沿着相同的光路以相反的方向进入傅里叶变换透镜，并分别被聚焦在焦平面处双孔滤波器上的针孔和测试窗口上；然后经傅里叶变换透镜后形成参考光波和测试光波；通过调节分光镜倾斜角度引入空间线性载频，从而产生空间载频干涉条纹，并由傅里叶变换法处理后便可直接重建出待测波前相位。该光学结构一旦被建立，其中涉及的两个主要光学器件的参数，即分束镜的分光比例(透射率与反射率的比值)以及双孔滤波器中针孔与测试窗口的间距，将固定不变，这种情况对于点衍射干涉技术以及载频干涉条纹波前重建技术是非常不利的。不同类型和大小的畸变波前通过针孔衍射后形成的参考光波的光强有很大不同，然而固定分光比例条件下所产生的测试光波的光强是不变的，由此造成干涉条纹对比度与待测入射畸变波前有着直接关系，不同的畸变波前导致不同的条纹对比度；当条纹对比度较低时，不能采取有效措施进行改善，从而将极大地影响干涉波前测量精度。此外，由于双孔滤波器间距固定，测试光波在倾斜分束镜的作用下只允许聚焦在测试窗口内部分区域，增加了光路调整难度、限制了载频的变化范围，从而进一步制约了测量动态范围以及测量精度的提高。

发明内容

本实用新型的目的正是为了解决现有共光路点衍射干涉波前传感器所存在的相位测量困难、PDI掩模板制作难度高、波前测量实时性差以及对比度不可调等不足，提出一种条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器。该波前传感器通过由偏振分束镜、傅里叶透镜、偏振PDI掩模板、反射镜组成的环形共光路结构产生共光路正交线偏振参考光波与测试光波；通过旋转起偏器调节干涉条纹对比度、倾斜偏振分束镜的角度在参考光与测试光之间引入空间线性载频；使得新的波前传感器能够实现稳定性强、自参考干涉、干涉条纹对比度与载频可调、并且仅需单帧空间载频干涉条纹就可以快速准确重建待测波前相位信息；同时，光学系统建立与调整简单，测量实时性好，可适用于各种波前相位静态和动态高精度检测，尤其是当应用于闭环自适应光学系统时，可使系统实现快速稳定的闭环校正。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用以下技术方案来实现。本实用新型条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器，包括起偏器、偏振分束镜、第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜、第一反射镜和第二反射镜、检偏器、CCD传感器、计算机；还包括在第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的共焦平面处添加一个中心含有针孔的偏振片所组成的偏振PDI掩模板，其振动方向与偏振分束镜透射光束的振动方向正交；第一傅里叶透镜、偏振PDI掩模板、第二傅里叶透镜和CCD传感器组成4f系统；检偏器置于CCD传感器之前，其振动方向与偏振分束镜反射和透射后光束的振动方向均成45°。按照光路描述，待测激光光束经起偏器后得到线偏振光，然后经偏振分束镜分为两束正交线偏振光，其中透射光束经过第二傅里叶透镜和第二反射镜并在透镜焦平面处通过偏振PDI掩模板上的针孔发生小孔衍射形成近似理想球面波，球面波经第一反射镜反射和第一傅里叶透镜准直形成近似理想平面波，再由偏振分束镜全部透射作为参考光；而经偏振分束镜反射光束经第一傅里叶透镜和第一反射镜并在透镜焦平面处几乎无衰减地直接通过偏振PDI掩模板上非针孔区域后，被第二反射镜反射进入第二傅里叶透镜形成平行光束，并全部由偏振分束镜反射作为测试光；参考光和测试光会合于CCD传感器靶面并产生干涉；通过旋转起偏器的角度调节干涉条纹对比度；通过调节偏振分束镜的倾斜角度在测试光与参考光之间引入空间线性载频；从而形成对比度最高、载频适当的空间载频干涉条纹，被CCD传感器接收并输入计算机，采用傅里叶变换法进行求解得到缠绕相位，进一步采用相位展开算法得到待测波前相位。

上述技术方案中，所述第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜均为正透镜，并且焦距相等，因而到达CCD传感器的测试光与参考光孔径相等，更好地提高了光能利用率。

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：当该实用新型应用于波前检测时，针孔孔径大小为0.5倍爱里斑直径；当该实用新型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，同样也可以有效提高光能利用率。

本实用新型与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、与波前探测中常用到的哈特曼波前传感器相比，本实用新型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、本实用新型采用环形共光路结构设计、结构简单且容易调整，与非共光路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，稳定性更好、适用范围更广。

3、本实用新型通过调节偏振分束镜的倾斜角度，在测试光和参考光之间引入空间线性载频，得到空间载频干涉条纹，利用傅里叶变换法实时重建待测波前相位信息；同时，测量数据直接反应待测波前相位信息，不需要类似斜率波前传感器(如哈特曼波前传感器、横向剪切干涉仪)以及径向剪切干涉仪中的波前重构过程；因此本实用新型更适用于各种波前相位静态和动态高精度检测等领域。

4、本实用新型通过旋转起偏器改变偏振分束镜分光后两光束之间的光强之比，从而实现条纹对比度的连续可调，对于不同的畸变波前相位均可获得最高对比度的干涉条纹，这对于点衍射干涉技术提高测量精度具有非常重要的意义；因此，与现有点衍射干涉技术相比，本实用新型对于任意待测波前相位均具有较高的测量精度。

5、本实用新型通过改变偏振分束镜的倾斜角度实现载频的连续可调，且调节范围很大，因此可以在测量精度、测量动态范围以及CCD传感器空间分辨率三者之间取得很好的平衡。

6、本实用新型由于条纹对比度与载频连续可调，因而当应用于闭环自适应光学系统时、尤其在闭环校正开始阶段，可以使自适应光学系统实现快速的闭环校正。

附图说明

图1为条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器结构示意图；

图2为本实用新型所述的偏振PDI掩模板结构示意图；

图中，1.起偏器，2.偏振分束镜，3.第一傅里叶透镜，4.第一反射镜，5.偏振PDI掩模板，6.第二反射镜，7.第二傅里叶透镜，8.检偏器，9.CCD传感器，10.计算机，11.针孔。

具体实施方式

本实用新型条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器，如图1所示，包括起偏器1、偏振分束镜2、第一傅里叶透镜3和第二傅里叶透镜7、第一反射镜4和第二反射镜6、检偏器8、CCD传感器9、计算机10；还包括在第一傅里叶透镜3和第二傅里叶透镜7的共焦平面处添加一个中心含有针孔11的偏振片所组成的偏振PDI掩模板5，如图2所示，其振动方向与偏振分束镜2透射光束的振动方向正交；第一傅里叶透镜3、偏振PDI掩模板5、第二傅里叶透镜7和CCD传感器9组成4f系统；检偏器8置于CCD传感器9之前，其振动方向与偏振分束镜2反射和透射光束的振动方向均成45°。

按照光路描述，待测激光光束经起偏器1后得到线偏振光，然后经偏振分束镜2分为两束正交线偏振光，其中透射光束经过第二傅里叶透镜7和第二反射镜6并在透镜焦平面处通过偏振PDI掩模板5上的针孔11发生小孔衍射形成近似理想球面波，球面波经第一反射镜4反射和第一傅里叶透镜3准直形成近似理想平面波，再由偏振分束镜2全部透射作为参考光；而经偏振分束镜2反射光束经第一傅里叶透镜3和第一反射镜4并在透镜焦平面处几乎无衰减地直接通过偏振PDI掩模板5上非针孔区域后，被第二反射镜6反射进入第二傅里叶透镜7形成平行光束，并全部由偏振分束镜2反射作为测试光；参考光和测试光经过检偏器8得到两束光分别对应于检偏器振动方向的偏振分量，并发生干涉；通过旋转起偏器1的角度可以获得最高对比度的干涉条纹；通过调节偏振分束镜2的倾斜角度即可在测试光束和参考光束之间引入空间线性载频；最后形成对比度最高、载频适当的空间载频干涉条纹被CCD传感器9接收并输入计算机10进行处理。

假设待测光束复振幅表示为

则本实用新型所述CCD传感器9接收到的空间载频干涉条纹强度分布可以表示为：

其中，f_ox和f_oy分别表示x、y方向的空间载频；a(x，y)和b(x，y)为背景和调制强度，分别表示为：

a(x，y)＝I_r(x，y)+I_t(x，y)    (2)

$b(x,y)=2\sqrt{I_r(x,y)I_t(x,y)}---\left(3\right)$

其中，I_r(x，y)和I_t(x，y)分别表示入射到所述CCD传感器9上的参考光与测试光的光强分布，二者直接影响干涉条纹的对比度。假设起偏器1的旋转角度为θ(θ∈(0，π/2))，针对某一待测波前相位

针孔11产生小孔衍射后的光能透过率为η，则参考光与测试光的光强分别等于：

I_r＝ηA²cos²θ    (4)

I_t＝A²sin²θ    (5)

为了表示简便，这里省略了空间坐标(x，y)。

于是，所述的干涉条纹对比度K的表达式如式(6)所示：

$K=\frac{2\sqrt{I_r{I}_t}}{I_r+I_t}=\frac{2\sqrt{\mathrm{\η}}\tan \mathrm{\θ}}{\mathrm{\η}+{\tan }^2\mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

为了得到最高的条纹对比度，即K＝1，根据上式可以得出起偏器旋转角度与针孔光能透过率之间的关系为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \sqrt{\mathrm{\η}}---\left(7\right)$

因此，对于任意一个待测波前相位

针孔光能透过率η值便确定；通过改变起偏器1的旋转角度θ即可调节条纹对比度K，当θ满足公式(7)时，条纹对比度达到最高，即K＝1。

本实用新型所述的干涉条纹为空间载频干涉条纹，利用傅里叶变换法从干涉条纹重建待测波前相位包括以下四个步骤：

①对采集到的干涉条纹进行有效范围确定和空间延拓处理；

②对空间延拓后的干涉条纹进行傅里叶变换、频域滤波、并移至零频位置进行傅里叶逆变换得到缠绕相位分布：

为了进行傅里叶分析，公式(1)重写为：

g(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp{i2π(f_oxx+f_oyy)}+c^*(x，y)exp{-i2π(f_oxx+f_oyy)}    (8)

其中，“*”表示共轭，

对公式(8)等号两边进行傅里叶变换得：

G(u，v)＝A(u，v)+C(u-f_ox，v-f_oy)+C^*(u+f_ox，v+f_oy)    (10)

其中，G(u，v)、A(u，v)、C(u-f_ox，v-f_oy)和C^*(u+f_ox，v+f_oy)分别是(8)式中对应各项的傅里叶变换；

③选择一个合适的滤波器，将频域中的基频部分C(u-f_ox，v-f_oy)提取出来，并移至零频位置，得到C(u，v)，然后对其进行傅里叶逆变换得：

因此，待测波前相位的缠绕相位分布为：

其中，Re[c(x，y)]、Im[c(x，y)]分别表示取实部和虚部运算。

④公式(12)的计算结果

位于[-π，π]范围，进一步利用相位解缠绕算法可以得到解缠绕后的待测波前相位分布

Claims (4)

1.一种条纹对比度与载频可调的环路点衍射干涉波前传感器，包括起偏器、偏振分束镜、第一和第二傅里叶透镜、第一和第二反射镜、检偏器、CCD传感器、计算机；其特征在于还包括在第一和第二傅里叶透镜的共焦平面处添加一个中心含有针孔的偏振片所组成的偏振PDI掩模板；所述第一傅里叶透镜、偏振PDI掩模板、第二傅里叶透镜和CCD传感器组成4f系统；所述检偏器置于CCD传感器之前，其振动方向与偏振分束镜反射和透射光束的振动方向均成45°；按照光路描述，待测激光光束经起偏器得到线偏振光，然后经偏振分束镜分为两束正交线偏振光，其中透射光束经过第二傅里叶透镜和第二反射镜并在透镜焦平面处通过偏振PDI掩模板上的针孔发生小孔衍射形成近似理想球面波，然后经过第一反射镜和第一傅里叶透镜后形成近似理想平面波，再由偏振分束镜全部透射作为参考光；而经偏振分束镜反射光束经第一傅里叶透镜和第一反射镜并在透镜焦平面处几乎无衰减地直接通过偏振PDI掩模板上非针孔区域后，被第二反射镜反射进入第二傅里叶透镜形成平行光束，并全部由偏振分束镜反射作为测试光；参考光和测试光经检偏器后发生干涉并形成干涉条纹。 

2.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，所述偏振PDI掩模板是一个中心含有针孔的偏振片，其振动方向与所述偏振分束镜透射光束的振动方向正交。 

3.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，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：当该波前传感器应用于波前检测时，针孔孔径大小为0.5倍爱里斑直径；当该波前传感器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。 

4.根据权利要求1所述波前传感器，其特征在于，所述第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜均为正傅里叶透镜，并且二者焦距相等。 

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