雙剪切波面幹涉測量儀的製作方法
2023-05-29 07:17:21 1
專利名稱：雙剪切波面幹涉測量儀的製作方法
技術領域：
本發明是一種雙剪切波面幹涉測量儀，主要用于波面的測量，特別適合于波差小於一個波長的雷射波面的精密測量。
背景技術：
雷射應用中經常要求發射雷射光束達到高度的平行性，用於集中能量提高效率或者產生儘量小的聚焦光斑，前者如衛星之間的雷射通信，雷射武器等，後者如光存儲等。光學衍射極限是光束受到孔徑限制條件下能夠達到的最小的發散度，此時光束波面只具有0.3λ左右的波面象差。波面的光學測量方法有兩種直接法和間接法。在直接法中，待測波面通過光學裝置產生一個標準參考波面，待測波面與標準參考波面的幹涉圖能夠直接反映出待測波面存在的波差。間接法是基於測量波面的變化率來估算波面本身，傳統上有兩種光學傳感方式一種是幾何型，測量待測波面上離散取樣點上的等效折射角來表達波面的變化率；另一種是剪切幹涉型，通過待測波面與自身複製面的幹涉的相對比較求得波面的變化率。在先技術測量大口徑衍射極限光束的波面比較困難，這直接影響科學實驗和國防研究，因此迫切需要一種簡便易行的大口徑、高精度測量系統。
在先技術[1](參見《Introduction to Wavefront Sensors》，J.M.Geary，SPIE Press，Vol.TT18，1995，Chapter4，pp53-54)中所描述的是用於直接測量法的徑向剪切幹涉儀，徑向剪切幹涉儀利用擴大的待測波面作標準參考波面與待測波面幹涉，或者以待測波面作為標準參考波面與縮小的待測波面幹涉，所附加的擴大或縮小光學系統的象差必須遠小於待測波面的象差，對於衍射極限的波面的測量，擴大或縮小光學系統的精度要求極高，製作極困難。
在先技術[2](參見《Introduction to Wavefront Sensors》，J.M.Geary，SPIE Press，Vol.TT18，1995，Chapter 4，pp54-56)中所描述的是用於直接測量法的點衍射幹涉儀，點衍射幹涉儀利用小孔衍射產生標準參考波面，對於平行光的待測波面需要附加光學會聚系統，該系統的象差必須遠小於待測波面的象差，對於衍射極限的波面的測量會聚光學系統的精度要求極高，製作極困難。
在先技術[3](參見《光學車間檢驗》[墨]D.馬拉卡拉主編，機械工業出版社，1983年，第十章287-312頁)中所描述的是一種利用取樣光欄測量波面在取樣點上的偏差的哈特曼(Hartmann)檢驗方式，即間接幾何型，從原理上看其測量精度較低，不適合於衍射極限波面的高精度檢驗。
在先技術[4](參見《光學車間檢驗》[墨]D.馬拉卡拉主編，機械工業出版社，1983年，第四章第5至第7節105-123頁)中所描述的是一整類的橫向剪切幹涉儀，包括以雅敏幹涉儀為基礎的平行光橫向剪切幹涉裝置，以邁克耳遜幹涉儀為基礎的平行光橫向剪切幹涉裝置，以循環幹涉儀為基礎的平行光橫向剪切幹涉裝置，以馬赫-曾得爾幹涉儀為基礎的平行光橫向剪切幹涉裝置，以光學平板幹涉儀為基礎的雷射橫向剪切幹涉裝置，剪切幹涉方式比較靈敏，但是當待測波面的波差小於一個波長時，因為觀察不到一對以上的條紋，是無法進行正確測量的，因此不能用於衍射極限波面的測量。
在先技術[5](參見《光學車間檢驗》[墨]D.馬拉卡拉主編，機械工業出版社，1983年，第四章第3節94-102頁)中描述的一種在橫向剪切裝置中引入傾斜量產生平行背景條紋的方式，這樣可以測量待測波面橫向剪切幹涉條紋相對於理想背景條紋的移位而測定待測波面的波差，這種裝置必須具有非常精確的傾斜量和背景條紋的寬度，測量精度與衍射極限波面的波差相當，因此不能正確測量衍射極限波面。
本發明的技術解決方案如下一種雙剪切波面幹涉測量儀，其構成包括一塊輸入雅敏光學平行平板，一塊輸出雅敏光學平行平板和觀察屏，在輸入雅敏幹涉儀光學平行平板和輸出雅敏幹涉儀光學平行平板之間設置有右下傾斜移位光學平板，右上傾斜移位光學平板，左下傾斜移位光學平板，左上傾斜移位光學平板。以逆時針方向為正，則右下傾斜移位光學平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α；右上傾斜移位光學平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左下傾斜移位光學平板的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左上傾斜移位光學平板的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α。該四塊傾斜移位光學平板為楔形平板，輸入面和輸出面的夾角為楔角α。入射角的絕對值為θ，則楔角α應滿足下列關係式=(N-1)2(n2-sin2cos-1)(2R-2S)]]>其中λ為入射波長，n為平板折射率，N為觀察屏7觀察口徑內的基本條紋數，S為光束通過傾斜移位光學平板後垂直於入射光光軸方向的位移，R為入射光束孔徑半徑。
所述的四塊傾斜移位光學平板結構可以完全相同。輸出面和輸入面不平行，夾角為楔角α。此結構加工方便，利於減少材料的不均勻性帶來的誤差。
所述的傾斜移位光學平板的入射角θ的最佳值為30°。
所述的觀察屏觀察口徑內的最佳基本條紋數N＝5。
所述的四塊傾斜移位平板設置在輸入雅敏光學平板和輸出雅敏光學平板之間的最佳位置為二分之一處。
所述的傾斜移位平板的塊數可以推廣為2M(M≥1，且為整數)。分為左右兩組，每組M層，總厚度大於等於口徑直徑。每一層左右兩塊輸出面法線到輸入面法線角度絕對值相同，符號相反；不同的層間輸出面法線到輸入面法線角度可以無關。上面所述的情況相當於M＝2。多層結構可以滿足對波面判斷的特殊要求。
所述的觀察屏可以替代為計算機圖像處理系統，由成像物鏡、CCD和帶分析軟體的計算機組成。
光束通過傾斜移位光學平板後垂直於入射光軸方向的最佳位移S＝0.5R，其中R為入射光束孔徑半徑，相應的傾斜移位光學平板的厚度D由下式決定S=D(sin-sin22n2-sin2)]]>
圖3為本發明中傾斜移位平板4的結構示意4為本發明觀察屏內的幹涉條紋示意圖由觀察屏7口徑內觀察條紋數N和希望光束通過傾斜移位光學平板後垂直於入射光光軸方向的位移S可以確定四塊傾斜移位平板的楔角α。α與口徑內觀察條紋數N，平板折射率n，傾斜移位平板的入射角θ，入射波長λ，入射光束孔徑半徑R的關係為=(N-1)2(n2-sin2cos-1)(2R-2S)---(1)]]>式中α為楔角，N為口徑內觀察條紋數，S為光束通過傾斜移位光學平板後垂直於入射光光軸方向的位移，λ為入射波長，n為平板折射率，傾斜移位平板的光束入射角θ，R為入射光束孔徑半徑。為便於觀察，一般N＝5為最佳值。S＝0.5R為綜合考慮高靈敏度和寬觀察視場的最佳值。
四塊傾斜移位平板可以完全相同。此結構加工方便，利於減少材料的不均勻性帶來的誤差。單塊傾斜移位平板以傾斜移位平板4為例，如
圖1，圖2，圖3所示，左邊輸入，右邊輸出。輸入面和輸出面不平行，夾角為楔角α。上下平面EFGH和E′F′G′H′平行，與輸入面垂直。另外兩個平面EFF′E′和HGG′H′平行，與輸入面不垂直，夾角為β，一般取為(90°+θ)。θ為傾斜移位平板的入射角。此結構易於安裝，調節，結構緊湊。
圖2-1，2-2，2-3，2-4分別為傾斜移位平板4，2，5，3的結構剖面圖。
傾斜移位平板放置如下傾斜移位平板2，3，4，5位於輸入雅敏幹涉儀光學平行平板1和輸出雅敏幹涉儀光學平行平板6之間二分之一處。以逆時針方向為正，右下傾斜移位光學平板2的輸入面法線到光軸pp的角度為θ，右下傾斜移位光學平板2的輸出面法線到輸入面法線的角度為-α；右上傾斜移位光學平板3的輸入面與光學平板2的輸入面重合，右上傾斜移位光學平板3的輸出面法線到輸入面法線的角度為α；左下傾斜移位光學平板4的輸入面法線到光軸oo的角度為-θ，左下傾斜移位光學平板4的輸出面法線到輸入面法線的角度為α，左上傾斜移位光學平板5的輸入面與光學平板4的輸入面重合，左上傾斜移位光學平板5的輸出面法線到輸入面法線的角度為-α。
傾斜移位光學平板的輸入光束入射角θ可以調節，一般θ＝30°為最佳值。
基本原理為待測波面斜入射於輸入雅敏幹涉儀光學平行平板1，一部分在其入射界面上反射(A)，另一部分折射入該平行平板並在第二個介面上反射再經過入射介面折射出(B)。A波面上下一分為二地經過右下傾斜移位光學平板2和右上傾斜移位光學平板3，兩平板對於該波面產生相同的垂直於光軸pp方向的位移，並且使上半波面的光軸p′p′和下半波面的光軸p″p″相對於光軸pp具有符號不同的偏離角度，它們通過輸出雅敏幹涉儀光學平行平板6的內反射投射到觀察屏7，B波面上下一分為二地經過左下傾斜移位光學平板4和左上傾斜移位光學平板5，兩平板對於該波面產生相同的垂直於光軸oo方向的位移，並且使上半波面的光軸o′o′和下半波面的光軸o″o″相對於光軸oo具有符號不同的偏離角度，它們通過輸出雅敏幹涉儀光學平行平板6的入射界面反射到觀察屏7。左下傾斜移位光學平板4和左上傾斜移位光學平板5所產生的位移的方向與右下傾斜移位光學平板2和右上傾斜移位光學平板3所產生的位移的方向相反。左下傾斜移位光學平板4產生的偏離角度與右下傾斜移位光學平板2產生的偏離角度符號相反，左下傾斜移位光學平板4產生的偏離角度與左上傾斜移位光學平板5產生的偏離角度符號相反，左上傾斜移位光學平板5產生的偏離角度與右上傾斜移位光學平板3產生的偏離角度符號相反。在觀察屏7的兩波面的重合部分產生幹涉圖。
入射波面經過傾斜移位光學平板2，3，4，5後，產生的垂直於光軸方向的位移S與平板折射率n、平板厚度D和入射角θ的關係如圖2所示，為S=D(sin-sin22n2-sin2)---(2)]]>式中S為垂直於光軸方向的位移，n為平板折射率，D為平板厚度，θ為入射角。
入射波面經過傾斜移位光學平板2，3，4，5後，產生的偏離角度的絕對值Δθ與平板折射率n，入射角θ，輸入面與輸出面的夾角α的關係如圖2所示為=(n2-sin2cos-1),1---(3)]]>式中Δθ為偏離角度的絕對值，α為傾斜移位光學平板的楔角。
在波面的傳播方向上，經過左上傾斜移位光學平板5和右上傾斜移位光學平板3的光線間距為T1，經過左下傾斜移位光學平板4和右下傾斜移位光學平板2的光線間距為T2，如圖4所示。
待測波面W與入射波長λ、垂直於光軸方向的位移S、入射光束孔徑半徑R、幹涉圖的上部分條紋間距T1和幹涉圖的下部分條紋間距T2的關係為W=R24S|T2-T1|T1T2=R24STT1T2---(4)]]>式中T1為幹涉圖的上部分條紋間距，T2為幹涉圖的下部分條紋間距，ΔT為上下條紋數之差。
在先技術[1]和[2]採用直接法的徑向剪切幹涉儀和點衍射幹涉儀測量波面，應用於測量衍射極限波面需要光學系統的象差小於待測波面的象差，這樣高精度光學系統的製作極為困難。在先技術[3]採用間接幾何法的哈特曼檢驗法，測量精度低，無法測量衍射極限波面。在先技術[4]的橫向剪切幹涉儀無法測量波差小於一個波長的波面。在先技術[5]採用引入傾斜量的橫向剪切幹涉儀，需要測量傾斜量和絕對測量背景條紋的寬度，測量精度只能與衍射極限波面的波差相當，無法測量衍射極限波面。本發明的雙剪切波面測量幹涉儀採用差動原理測量引入傾斜量的橫向剪切幹涉，不需要測量傾斜量，而只要測量相對條紋變化，精度高，可以製作大口徑，測量衍射極限下的雷射波面。
下面給出一個最佳實施例的具體設計參數待測波面孔徑直徑2R為50mm，波長λ為800nm。兩塊雅敏幹涉儀光學平板長200mm，寬95mm，厚60mm，折射率為1.50959。四塊傾斜移位光學平板長90mm，寬35mm，厚D為30mm，折射率n為1.50959，楔角α為17″。全口徑觀察條紋數目N為5條紋，測量範圍為口徑內最大波差0.2～1λ。
參照圖2-1，傾斜移位平板4楔角α為17″，EF平行於GH，∠EHG為115度。四塊傾斜移位平板完全相同。這樣結構加工方便，易於安裝調節。
權利要求
1.一種雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於該測量儀的構成包括一塊輸入雅敏光學平行平板(1)，一塊輸出雅敏光學平行平板(6)和觀察屏(7)，在輸入雅敏幹涉儀光學平行平板和輸出雅敏幹涉儀光學平行平板之間設置有右下傾斜移位光學平板(2)，右上傾斜移位光學平板(3)，左下傾斜移位光學平板(4)，左上傾斜移位光學平板(5)，以逆時針方向為正，則右下傾斜移位光學平板(2)的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α；右上傾斜移位光學平板(3)的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左下傾斜移位光學平板(4)的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左上傾斜移位光學平板(5)的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α。該四塊傾斜移位光學平板為楔形平板，輸入面和輸出面的夾角為楔角α，入射角的絕對值為θ，則楔角α應滿足下列關係式=(N-1)2(n2-sin2cos-1)(2R-2S)]]>其中λ為入射波長，n為平板折射率，N為觀察屏(7)觀察口徑內的基本條紋數，S為光束通過傾斜移位光學平板後垂直於入射光光軸方向的位移，R為入射光束孔徑半徑。
2.根據權利要求1所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於所述的四塊傾斜移位光學平板(2，3，4，5)結構是相同的，輸出面和輸入面不平行，夾角為楔角α。
3.根據權利要求1所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於所述的傾斜移位光學平板的入射角θ的最佳值為30°。
4.根據權利要求1所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於所述的觀察屏(7)觀察口徑內的最佳基本條紋數N＝5。
5.根據權利要求1所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於所述的四塊傾斜移位平板設置在輸入雅敏光學平板和輸出雅敏光學平板之間的最佳位置為二分之一處。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於光束通過傾斜移位光學平板後垂直於入射光軸方向的最佳位移S＝0.5R，其中R為入射光束孔徑半徑，相應的傾斜移位光學平板(2，3，4，5)的厚度D由下式決定S=D(sin-sin22n2-sin2)]]>
7.根據權利要求1或2或3或4或5或6所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於所述的傾斜移位平板的塊數可以推廣為2M(M≥1，且為整數)。分為左右兩組，每組M層，總厚度大於等於口徑直徑。每一層左右兩塊輸出面法線到輸入面法線角度絕對值相同，符號相反；不同的層間輸出面法線到輸入面法線角度可以無關。根據權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的雙剪切波面幹涉測量儀，其特徵在於所述的觀察屏(7)可以替代為計算機圖像處理系統，由成像物鏡、CCD和帶有分析軟體的計算機組成。
全文摘要
一種雙剪切波面幹涉測量儀，特別適于波差小於一個波長的波面測量。其構成包括一塊輸入雅敏光學平行平板，一塊輸出雅敏光學平行平板，觀察屏，在輸入雅敏幹涉儀光學平行平板和輸出雅敏幹涉儀光學平行平板之間有右下傾斜移位光學平板，右上傾斜移位光學平板，左下傾斜移位光學平板，左上傾斜移位光學平板。以逆時針方向為正，則右下傾斜移位光學平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為－α；右上傾斜移位光學平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左下傾斜移位光學平板的入射角為－θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左上傾斜移位光學平板的入射角為－θ，輸出面法線到輸入面法線角度為－α。本發明測量精度高，易於使用。
文檔編號G01J9/00GK1421680SQ02155049
公開日2003年6月4日 申請日期2002年12月20日 優先權日2002年12月20日
發明者欒竹, 劉立人, 祖繼鋒, 劉德安, 周煜, 滕樹雲 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所