偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀的製作方法

2023-05-15 08:19:41

專利名稱：偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射檢測，是一種偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀，特別是一 種能精確測量任意對稱波面並給出完整波面輪廓的高靈敏度雙剪切幹涉波面測量 儀。
背景技術：
高準直度的雷射束在許多雷射應用系統中得到了廣泛的應用，如星間雷射通訊 系統採用高準直度的雷射束以數千公裡距離進行信號傳輸，高能雷射武器輸出高準 直度的雷射束可以集中能量對目標進行攻擊。高準直度的雷射束具有很高的波面質 量和很小的發散度，通常情況下其波面誤差接近衍射極限，約為波長的0.3倍左右。 一般的波面傳感器是無法對接近衍射極限的雷射波面進行精確測量的。在先技術(參 見中國發明專利公開號CN1421680A，
公開日2003年6月4日，發明名稱雙剪 切幹涉波面測量儀)所述的雙剪切幹涉波面測量儀，利用橫向剪切幹涉和差動測量 原理能有效地檢測小於一個波長的波面誤差，在其信號處理中採用條紋追跡法計算 出幹涉圖中上下兩部分幹涉條紋的寬度來求解待測波面的最大波高。在先技術所述的雙剪切幹涉波面測量儀可以測量波面誤差為0.1個波長量級的 雷射波面，具有結構簡單、操作方便、測量口徑大等特點。該雙剪切幹涉波面測量 儀是一個等光程幹涉系統，能測量短相干長度的雷射束，如半導體雷射。剪切量連 續可調，可以測量不同孔徑、不同波高的雷射波面。但是該雙剪切幹涉波面測量儀 是將雷射波面近似為球面波進行處理來求解雷射波面，對於球面波以外的雷射波面 則難以進行精確測量。同時，波面的求解過程只能給出波面最大的波高，不能給出 整個波面的三維形狀。由於需要通過手動測量或計算機處理來計算幹涉條紋的寬度， 幹涉條紋的質量對於測量靈敏度有直接的影響。發明內容本實用新型的目的在於克服上述在先技術的不足，提供一種偏振移相雙剪切幹 涉波面測量儀。該偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀不僅保持雙剪切幹涉波面測量儀 的所有特點，而且還具有靈敏度高、能精確測量任意對稱波面並給出完整波面輪廓 等優點。本實用新型的技術構思是將移相技術引入在先技術所述的雙剪切幹涉波面測量 儀中形成移相雙剪切幹涉波面測量儀，將能解決在先技術所述的雙剪切幹涉波面測 量儀的不足。移相技術被公認為是幹涉圖像自動處理的最好方法和提高幹涉測量靈 敏度的有效途徑，移相干涉儀是通過求解相位後直接獲得波面函數，故它可以給出 波面的三維形狀。，本實用新型的技術解決方案如下一種偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀，特點在於其構成是沿光束的前進方向依 次包括第一雅敏平行平板、左下楔形光學平板、左上楔形光學平板、右下楔形光 學平板、右上楔形光學平板、第二雅敏平行平板、偏振移相器、成像鏡組和圖像傳 感器，該圖像傳感器的輸出端接計算機，所述的第二雅敏平行平板與第一雅敏平行 平板平行放置，其材料和光學厚度相同，所述的第一雅敏平行平板的入射工作面的 分光部位鍍有偏振分束薄膜，而另一個工作面的反射部位鍍有全反射薄膜，經該第 一雅敏平行平板分光後形成兩路偏振方向相互垂直的線偏振幹涉光束，所述的第二 雅敏平行平板的出射工作面的合光部位鍍有消偏振分束薄膜，另一個工作面的反射 部位鍍有全反射薄膜，兩路幹涉光束經過該第二雅敏平行平板後在其消偏振分束薄 膜處進行合光，並且它們的強度相等或者接近相等，所述的左下楔形光學平板、左 上楔形光學平板、右下楔形光學平板、右上楔形光學平板的材料、楔角與光學厚度 相同，放置在所述的第一雅敏平行平板與第二雅敏平行平板之間，所述的左下楔形 光學平板、左上楔形光學平板上下疊放且偏轉光束的方向相反，形成一個楔形光學 平板組，所述的右下楔形光學平板、右上楔形光學平板上下疊放且偏轉光束的方向 相反，形成另一個楔形光學平板組，所述左下楔形光學平板和右下楔形光學平板的 短邊或者長邊相接，所述左上楔形光學平板和右上楔形光學平板的長邊或者短邊相 接且與左下楔形光學平板、右下楔形光學平板之間的相接情況相反，所述的兩個楔 形光學平板組各自透過一路幹涉光束，並使透過的幹涉光束上下部分的偏轉方向相 反。所述的偏振移相器由固定的四分之一波片與可旋轉的檢偏器組成，或由固定的 1/4波片、檢偏器和可旋轉的半波片組成，所述的偏振移相器置於第二雅敏平行平板 的輸出端。所述的成像鏡組是將幹涉光束縮小成像在所述的圖像傳感器上，所述的圖像傳 感器將幹涉光強信號轉換為數字圖像信號。本實用新型顯著的優點是提供了一種利用偏振移相器進行移相的雙剪切幹涉波 面測量儀。移相干涉測量技術是利用多幅移相干涉圖進行計算來求解幹涉圖所對應 的相位信息，利用相位信息復原出波面函數，被公認為是靈敏度最高且能完整還原 波面的幹涉測量技術。因此本實用新型與先前技術相比，具有靈敏度高、能精確測 量任意對稱波面、可給出完整波面輪廓等優點。

圖1為本實用新型的偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀實施例的結構示意圖。圖2為本實用新型中四塊楔形光學平板的放置方式圖。圖3為本實用新型裝置每步移相7t/2時，分別獲得的移相干涉圖。
具體實施方式
先請參閱圖1，圖1是本實用新型所述偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀實施例 的結構示意圖。如圖1所示，本實用新型偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀由第一雅 敏平行平板l、左下楔形光學平板2、左上楔形光學平板3、右下楔形光學平板4、 右上楔形光學平板5、第二雅敏平行平板6、四分之一波片7、檢偏器8、成像鏡組 9、 CCD圖像傳感器10和計算機11所組成。第一雅敏平行平板1與第二雅敏平行平板6的材料、厚度均相同。第一雅敏平 行平板l的工作面A為入射工作面，工作面A上鍍有偏振分束薄膜，偏振分束薄膜 位於工作面A的分光部位，即工作面A的下半部分，在圖1中偏振分束薄膜用靠近 工作面A下半部分的間斷線表示。第一雅敏平行平板1的工作面B的反射部位鍍有 全反射薄膜，該全反射薄膜在圖1中用平行於工作面B的長直線結合垂直於工作面 B的短線陣列進行表示。第二雅敏平行平板6的工作面C為出射工作面，工作面C 上鍍有消偏振分束薄膜，消偏振分束薄膜位於工作面C的合光部位，即工作面C的 上半部分，在圖1中消偏振分束薄膜用靠近工作面C上半部分的間斷線表示。第二 雅敏平行平板6的工作面D的反射部位鍍有全反射薄膜，該全反射薄膜在圖1中用 平行於工作面D的長直線結合垂直於工作面D的短線陣列進行表示。左下楔形光學平板2、左上楔形光學平板3、右下楔形光學平板4、右上楔形光 學平板5的材料、楔角與光學厚度均相同，放置在所述的第一雅敏平行平板1與第 二雅敏平行平板6之間。四塊楔形光學平板的放置方式如圖2所示，左下楔形光學 平板2和左上楔形光學平板3疊放在一起形成一組，右下楔形光學平板4和右上楔 形光學平板5疊放在一起形成另一組，幹涉光束I,和幹涉光束12分別通過這兩組楔形光學平板。左下楔形光學平板2和右下楔形光學平板4的寬邊分別朝外放置，彼 此偏轉光束的方向相反。左上楔形光學平板3和右上楔形光學平板5的寬邊分別朝 內放置，彼此偏轉光束的方向相反。四分之一波片7與檢偏器8構成了偏振移相器。四分之一波片7的快軸方向與 第二雅敏平行平板6的入射面成45°角。檢偏器8可以在垂直於光束行進方向的平 面內連續旋轉，旋轉過程中其透光軸方向被改變以進行移相。本實用新型的工作過程如下待測光束以45°入射角入射在第一雅敏平行平板1上，經過工作面A下半部分 偏振分束薄膜的分光，形成偏振方向相互垂直的線偏振光，反射光束的偏振方向垂 直於入射平面，而透射光束的偏振方向平行於入射平面。反射光束形成了幹涉光束 In透射光束依次經過第一雅敏平行平板1上工作面B的反射和工作面A的透射後 形成了幹涉光束12。幹涉光束I!和幹涉光束12的偏振方向相互垂直，在圖1中用小 圓點與短豎線分別進行標記。幹涉光束h經過左下楔形平板2和左上楔形平板3後， 依次由第二雅敏平行平板6的工作面C下半部分透射、工作面D反射後再由工作面 C上半部分的消偏振分光薄膜所透射。幹涉光束12經過右下楔形平板4和右上楔形 平板5後，直接由第二雅敏平行平板6的工作面C上半部分的消偏振分光薄膜所反 射，與幹涉光束h進行合束。合束後的光束經過l/4波片7，將偏振方向相互垂直的 線偏光分別變為左旋和右旋圓偏光，出射光束經檢偏器8後產生幹涉光強。成像鏡 組9將幹涉光強成像在CCD圖像傳感器10上形成幹涉圖像。該幹涉圖像輸入計算 機11進行採集。通過旋轉檢偏器8可以獲得多幅移相的幹涉圖，利用計算機11中 的移相剪切幹涉圖像處理軟體對移相剪切幹涉圖像進行處理和分析。若干涉光束Ii和幹涉光束l2的相位差為o，檢偏器8的透光軸方向與四分之一 波片7的快軸方向之間的夾角即方位角表示為)，則對應的幹涉光強可以表示為formula see original document page 6其中Lo為平均光強，K為幹涉條紋對比度。當檢偏器旋轉使其方位角小分別為0、兀/4、兀/2、 3:t/4，即依次移相;i/2時，同一點的幹涉光強分別為L,， L2， L3， L4，相應的示意移相干涉圖如圖3所示。移相干涉圖中對應的幹涉光強的相位差cr為formula see original document page 6計算機11中的移相剪切幹涉圖像處理軟體，利用公式(1)和公式(2)所述的原理求解幹涉圖中每一點的相位差，進而可以得到對應的光程差，經過進一步處理與分 析復原出待測波面。利用上述偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀進行波面測量的方法，其特徵在於包 括下列歩驟① 當檢偏器8旋轉使其方位角)分別為0、兀/4、 7t/2、 3兀/4，即依次移相兀/2時， 所述的圖像傳感器10將四幅相應的移相干涉圖送計算機11並存儲，計算機11分別 從該四幅幹涉圖中選取某同一點的幹涉光強分別為L,， L2， L3， L4;② 利用公式a = arctan^i^計算移相干涉圖中該點的相位差cr;_Z>i 丄^③ 採用通常的逐點積分法或多項式擬合法復原出被測波面的三維形貌及波面信息。可見，利用移相技術測量波面無須將雷射波面近似為球面波來處理，原理上可 以適應於任意高階函數的波面。但是雙剪切幹涉利用差動原理來測量波面，精確測 量時只能局限於對稱波面。故本實用新型能精確測量任意對稱波面並給出完整波面輪廓。檢偏器8的角度轉動精度很容易可以做到1角分，對應的移相精度約為 0.0002兀，相對於移相歩長兀/2來說非常小，因此本實用新型可以達到很高的靈敏度 和測量精度。下面給出一個最佳實施例的具體參數待測波面的口徑為030mm，雷射器波長為800nm。兩塊雅敏光學平行平板1、 6的尺寸為155mmx70mmx40mm，四塊楔形光學平板2、 3、 4、 5的厚度為20mm， 楔角20"，雅敏光學平行平板和楔形光學平板材料均為K9玻璃。四分之一波片7為 石英波片，口徑為①50mm,相位延遲精度為X/300(X為800nm)。檢偏器8為偏振片， 口徑為050mm，消光比為300:1。成像鏡組9為消色差透鏡組，焦距為200mm， 口 徑為O50mm。 CCD圖像傳感器10的光敏面為4.8 mmx3.6mm。
權利要求1、一種偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀，其特徵在於其構成是沿光束的前進方向包括第一雅敏平行平板(1)、左下楔形光學平板(2)、左上楔形光學平板(3)、右下楔形光學平板(4)、右上楔形光學平板(5)、第二雅敏平行平板(6)、偏振移相器、成像鏡組(9)和圖像傳感器(10)，該圖像傳感器(10)的輸出端接計算機(11)，所述的第二雅敏平行平板(6)與第一雅敏平行平板(1)平行放置，其材料和光學厚度相同，所述的第一雅敏平行平板(1)的入射工作面(A)的分光部位鍍有偏振分束薄膜，而另一個工作面(B)的反射部位鍍有全反射薄膜，經該第一雅敏平行平板(1)分光後形成兩路偏振方向相互垂直的線偏振幹涉光束，所述的第二雅敏平行平板(6)的出射工作面(C)的合光部位鍍有消偏振分束薄膜，另一個工作面(D)的反射部位鍍有全反射薄膜，兩路幹涉光束經過該第二雅敏平行平板(6)後在其消偏振分束薄膜處進行合光，並且它們的強度相等或者接近相等，所述的左下楔形光學平板(2)、左上楔形光學平板(3)、右下楔形光學平板(4)、右上楔形光學平板(5)的材料、楔角與光學厚度相同，放置在所述的第一雅敏平行平板(1)與第二雅敏平行平板(6)之間，所述的左下楔形光學平板(2)、左上楔形光學平板(3)上下疊放且偏轉光束的方向相反，形成一個楔形光學平板組，所述的右下楔形光學平板(4)、右上楔形光學平板(5)上下疊放且偏轉光束的方向相反，形成另一個楔形光學平板組，所述左下楔形光學平板(2)和右下楔形光學平板(4)的短邊或者長邊相接，所述左上楔形光學平板(3)和右上楔形光學平板(5)的長邊或者短邊相接且與左下楔形光學平板(2)、右下楔形光學平板(4)之間的相接情況相反，所述的兩個楔形光學平板組各自透過一路幹涉光束，並使透過的幹涉光束上下部分的偏轉方向相反。
2、 根據權利要求1所述的偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀，其特徵在於所述的 偏振移相器由固定的四分之一波片與可旋轉的檢偏器組成，或由固定的1/4波片、 檢偏器和可旋轉的半波片組成。
3、 根據權利要求1所述的偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀，其特徵在於所述的 成像鏡組(9)是將幹涉光束縮小成像在所述的圖像傳感器(10)上，所述的圖像傳 感器將幹涉光強信號轉換為數字圖像信號。
專利摘要一種偏振移相雙剪切幹涉波面測量儀，該測量儀的構成是沿光束的前進方向依次包括第一雅敏平行平板、左下楔形光學平板、左上楔形光學平板、右下楔形光學平板、右上楔形光學平板、第二雅敏平行平板、偏振移相器、成像鏡組和圖像傳感器，該圖像傳感器的輸出端接計算機。本實用新型不僅保持了雙剪切幹涉波面測量儀的所有特點，而且具有靈敏度高、能精確測量任意對稱波面並給出完整波面輪廓等優點。
文檔編號G01J9/02GK201083544SQ20072007560
公開日2008年7月9日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者劉立人, 煜 周, 孫建鋒, 竹 欒, 王利娟 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所