近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統的製作方法

2023-05-06 03:03:16

專利名稱：近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種對近紅外高功率脈衝波前畸變檢測幹涉儀的系統誤差進行高精度標定的近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統。
背景技術：
在國防軍工及國民經濟領域中，常常需要對各種波前進行高精度的檢測，其主要的測量指標就是波前孔徑內的峰谷值(Peak-valley value，PV值)及均方根(Root-mean square，RMS)來表示。利用幹涉儀可以檢測各種精密表面的面形，也可以檢測一些可見光波段的光束質量。要進行此類高精度的波前檢測各類幹涉儀本身必須具有很高的精度，現在常常利用計算機存儲相減技術，一般的幹涉儀是雙光束幹涉系統，利用高精度表面作為幹涉儀的參考面，利用計算機測出幹涉儀的系統誤差並存儲於程序內，在隨後的所有檢測中，將測得的數據減去系統誤差，可以得到實際被測量的值。其前提是幹涉儀有高精度的參考面，並且具有一個連續的可見光波段的檢測。
但是隨著目前高科技的發展，對近紅外段強雷射脈衝波前畸變的測量需求已越來越迫切。本實用新型所要標定的近紅外高功率脈衝波前檢測幹涉儀是由脈衝波前剪切形成幹涉條紋，所以沒有參考面。同時波長是1053nm的近紅外不可見光，因此該幹涉儀的系統誤差標定，由於沒有參考面，就無法用上述的方法來標定，為此必須要有一個理想的近紅外標準光束來標定該幹涉儀，從而求取系統誤差。
本實用新型為了解決上述的問題，設計了利用一雙凹透鏡及一組雙分離透鏡組組成一個伽俐略光學系統，該系統產生一個虛焦點，從而可以避免強雷射聚焦於實焦點產生的電離，並且鍍有抗強雷射的高損傷域值的1053nm的增透介質膜；設計了可以使雙分離透鏡精確同軸的機械結構，以使該準直擴束系統能精確同軸，產生一個理想的標定光束；同時為了論證該標定系統的可靠性，利用光束的二次旋轉來獲得兩次波前，並利用特定的測量方法獲取該標定系統的誤差，經計算機數據處理後獲得的結果表明該標定系統的固有誤差遠小於幹涉儀要求精度即RMS 1/15波長的值，其完全可以用來標定近紅外脈衝波前檢測幹涉儀的系統誤差。

發明內容
本實用新型的目的是為了解決上述的問題，提供一種近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統。
近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差的標定系統依次具有雷射器、雙凹透鏡、雙分離準直鏡，雙分離準直鏡由負透鏡、正透鏡組成，光學系統結構參數 近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定方法的步驟為1)設標定系統出射的波面誤差為ΔW1，待測幹涉儀的系統誤差ΔW2，得到標定系統與待測幹涉儀的系統誤差之和為ΔW＝ΔW1+ΔW2(1)2)將標定系統繞光軸轉180或90、270任一角度，得到角度旋轉後的標定系統與待測幹涉儀的系統誤差之和為ΔW＝ΔW1+ΔW1(2)式中ΔW、ΔW1均表示是角度旋轉後的誤差表徵值，由於幹涉儀沒有旋轉，則(1)式減(2)式可以得到ΔW-ΔW＝ΔW1-ΔW1(3)從(3)式得出，當標定系統是一近似理想波面時，不管標定系統繞光軸如何旋轉，ΔW1-ΔW1趨於零或某個極小值；則認為標定系統是近似理想的，那麼(1)式寫為ΔW≈ΔW2(4)
就得到待測幹涉儀的系統誤差ΔW2。
本實用新型利用一雙凹透鏡及一組雙分離透鏡組組成一個伽俐略光學系統，該系統產生一個虛焦點，從而可以避免強雷射聚焦於實焦點產生的電離，並且鍍有抗強雷射的高損傷域值的1053nm波長的增透介質膜；通過對兩組透鏡進行精密五維調節後，使該準直擴束系統能精確同軸，產生一個理想的標定光束；同時為了論證該標定系統的可靠性，利用光束的二次旋轉方法來獲得兩個不同的波前參數，再利用特定的測量方法獲取該標定系統的誤差，經計算機數據處理後獲得的結果表明該標定系統的固有誤差遠小於幹涉儀要求精度即RMS 1/15波長的值，其完全可以用來標定近紅外脈衝波前檢測幹涉儀的系統誤差。


圖1是近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統結構示意圖；圖2是本實用新型的雙分離準直透鏡組機構組裝圖。
具體實施方式
1)近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統的光學元件結構參數如圖1所示，近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統依次具有雷射器1、雙凹透鏡2、雙分離準直鏡，雙分離準直鏡具有負透鏡3、正透鏡4，光學系統結構參數 作為一個標定系統，首先理論設計值必須優於幹涉儀的檢測精度。上述光學系統理論設計值已經達到的波象差的PV值為1/100波長(波長為1064nm)，由於PV值遠大於RMS，則RMS值很小遠遠優於幹涉儀的檢測精度，所以理論設計是很理想的。為了適應高功率檢測需要所有透鏡均鍍了高損傷域值的1053nm的增透膜，以防止脈衝檢測中損傷光學元件。
2)近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統的同光軸調整由於脈衝檢測幹涉儀是用於近紅外脈衝波前的檢測，所以要標定其系統誤差，必須要產生一個近紅外的平行光束。為了適應較高功率脈衝的特點，採用了圖1所示的伽俐略系統結構。前面是一雙凹透鏡2，其主要作用是將近紅外雷射器發出的光束髮散擴束，經雙分離準直鏡3、4後，使與2共焦，從而產生一個平行光波面射入要標定的幹涉儀，然後產生的幹涉條紋成象在幹涉儀的CCD上。
首先調整近紅外雷射器，雷射器是一個50mw的半導體泵浦固體(NDYVO4)溫控型紅外雷射器，其產生1064nm(與1053nm的近紅外光波長最接近)的連續近紅外光，並且具有單橫模及很好的光束質量，光強均勻，完全可以用於後續的定標。將近紅外光射於遠場，將光屏從近處拉至遠場，觀察光屏上光中心的變化，調整近紅外雷射器光軸至水平。
下一步放入雙凹透鏡2，其主要作用是將近紅外雷射器發出的光束髮散擴束。一個優質的理想平行波面必須如圖1所示使透鏡2與雷射器1的光軸同軸，透鏡2的直徑為6mm很小，所以採用了一個組裝的五維調整機構，即圖1中的X、Y、Z方向的三個平移以及在XY平面與XZ平面內的兩個旋轉。同樣將光屏從近處拉至遠場，觀察光屏上光中心的變化，逐步調整雙凹透鏡2光軸與近紅外雷射器共軸。
在完成上述的步驟後，接著放入雙分離準直鏡組的透鏡3、透鏡4，其主要作用是將發散擴束的光束準直，並與透鏡2共焦，從而產生一個平行光波面射入要標定的幹涉儀。由於雙分離準直鏡組口徑為150mm較大，最主要的關鍵是保證該兩片透鏡共軸，利用如圖2所示的結構，雙分離準直鏡具有鏡筒8，鏡筒8內設有鏡框6、鏡框12並用調節螺釘11頂緊，鏡框6上固定有負透鏡3、鏡框12上固定有正透鏡4，壓緊隔圈5、13分別用於固緊負透鏡3、正透鏡4，壓緊隔圈7、10分別用於固緊鏡框6、鏡框12。通過調整調節螺釘11來調整偏心，以達到負透鏡3與正透鏡4的光軸共軸。兩透鏡的間隔由調整隔圈9來保證。雙分離準直鏡組也同樣具有一個五維調節機構，使與2的光軸共軸。2與雙分離準直鏡組的共焦可以通過成象在幹涉儀的CCD上的幹涉條紋來觀察，調整雙分離準直鏡組的光軸方向的移動手輪，觀察幹涉條紋的變化，當條紋由彎曲變直，並且至無限寬條紋時，則表明透鏡2與雙分離準直鏡組3、4共焦，表明射入要標定的幹涉儀的是一個較理想的近紅外平行光波面。
3)近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定方法利用本裝置來標定幹涉儀的系統誤差，首先必須在驗證標定系統的固有誤差很小，以至於可以認為其產生的是一個相對理想的近紅外平行波面，從而才能得到幹涉儀的系統誤差。本實用新型的另一主要特點就是巧密地利用兩次旋轉的測量方法來實現這個目標。
如圖1所示，當進行2)的調整後，標定系統出射的波面具有誤差為ΔW1，而幹涉儀的系統誤差是ΔW2，則經過幹涉儀後，標定系統與幹涉儀的系統誤差之和可表示為ΔW＝ΔW1+Δw2(1)式中ΔW的數值求取過程是將成象在幹涉儀的CCD(CCD是512×512象素的列陣)上的幹涉條紋經過A/D轉換而得到幹涉條紋的強度數值；ΔW的求取按照數字波面最佳擬合處理的方法得到(相干計量儀器與技術·第五章·、浙江大學出版社、卓永模等編著)。將調整完的圖象用512×512象素的CCD採集並進行數據處理，此時第一次得到的波面數據是方程(1)中的ΔW，其包含了標定系統的誤差ΔW1及幹涉儀系統誤差ΔW2，處理後波面等高圖的均方根值RMS＝0.183602波長。
然後將標定系統繞光軸轉180或90、270任一角度均可，然而幹涉儀固定不動。此時標定系統由於轉動而使雙凹透鏡2與雙分離準直鏡3、4的光軸產生偏離，所以必須再進行上述調整步驟2)的過程，使繞光軸轉動後的標定系統的2與3、4的光軸都共軸。再將成象在幹涉儀的CCD上的幹涉條紋經過A/D轉換而得到幹涉條紋的強度數值，ΔW的求取同樣按照數字波面最佳擬合處理的方法得到ΔW＝ΔW1+ΔW2(2)式中ΔW、ΔW1均表示是角度旋轉後的誤差表徵值，採集旋轉後的波面數據即方程(2)中的ΔW，其波面等高圖均方根值RMS＝0.172844波長。
值得注意得是由於幹涉儀沒有旋轉，則(1)式減(2)式後就得到
ΔW-ΔW＝ΔW1-ΔW1(3)從(3)式可以得出，如果標定系統是一近似理想波面，則不管如何旋轉(ΔW1-ΔW1)趨於零或某個極小值。所以在實際檢測中，只需把旋轉前後的兩個波面數值相減，如果其RMS遠小於1/15波長，則可以認為標定系統是近似理想的，那麼(1)式可以寫為ΔW≈ΔW2(4)也就是說，可以得到幹涉儀的系統誤差ΔW2，只要將其存儲於程序內，在隨後的任一波前檢測中做波面相減，就可以獲得一個實際的被測近紅外脈衝波前參數了。將兩次波面做(3)式所示的孔徑內的波面相減，剩餘的就是等式右邊標定系統誤差的均方根值，得到RMS＝0.034360波長，約為1/30波長，說明該標定系統的固有誤差僅為1/30波長，遠小於幹涉儀要求的儀器精度。因此，該標定系統可以用於後續的幹涉儀系統誤差標定。
這樣，取任一ΔW或旋轉後的ΔW均可以作為幹涉儀的系統誤差並存儲於程序內，在進行後續近紅外脈衝波前檢測時，作為波面存儲相減時幹涉儀的系統誤差。
權利要求1.一種近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統，其特徵在於它依次具有雷射器(1)、雙凹透鏡(2)、雙分離準直鏡，雙分離準直鏡具有負透鏡(3)、正透鏡(4)，其光學系統結構參數半徑間隔 材料 通光直徑
2.根據權利要求1所述的一種近紅外脈衝波前幹涉儀系統誤差標定系統，其特徵在於所述的雙分離準直鏡具有鏡筒(8)，鏡筒(8)內設有鏡框(6)、鏡框(12)並用調節螺釘(11)頂緊，鏡框(6)上固定有負透鏡(3)、鏡框(12)上固定有正透鏡(4)，壓緊隔圈(5)、(13)分別用於固緊負透鏡(3)、正透鏡(4)，壓緊隔圈(7)、(10)分別用於固緊鏡框(6)、鏡框(12)。
專利摘要本實用新型公開了一種近紅外脈衝波前幹涉儀的系統誤差標定系統。它依次具有雷射器、雙凹透鏡、由負透鏡、正透鏡組成的雙分離準直鏡。在標定中，利用特定的測量方法來驗證本裝置所具有的誤差，通過實施測量例中嚴格的數據處理，可以論證本裝置波前畸變量遠小於1/15波長的均方根值，完全可以作為一個近紅外波段的近似理想準直擴束器用於標定脈衝波前畸變檢測幹涉儀的系統誤差。本實用新型可以對10－150mm口徑的近紅外高功率脈衝波前畸變檢測幹涉儀進行系統誤差的標定，該方法適用於其它可見光、中、遠紅外波段的幹涉儀的系統誤差的標定，為各類幹涉儀檢測系統的檢測可靠性提供了極為有效的標定裝置及方法。
文檔編號G01J9/02GK2773642SQ200520100549
公開日2006年4月19日 申請日期2005年2月6日 優先權日2005年2月6日
發明者楊甬英, 陸元彪, 陳陽傑, 卓永模 申請人:浙江大學