[发明专利]共光路径向剪切液晶移相干涉波前传感器

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。