CN100373142C - 近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统及其方法。它依次具有激光器、双凹透镜、由负透镜、正透镜组成的双分离准直镜。在标定中，利用特定的测量方法来验证本装置所具有的误差，通过实施测量例中严格的数据处理，可以论证本装置波前畸变量远小于1/15波长的均方根值，完全可以作为一个近红外波段的近似理想准直扩束器用于标定脉冲波前畸变检测干涉仪的系统误差。本发明可以对10-150mm口径的近红外高功率脉冲波前畸变检测干涉仪进行系统误差的标定，该方法适用于其它可见光、中、远红外波段的干涉仪的系统误差的标定，为各类干涉仪检测系统的检测可靠性提供了极为有效的标定装置及方法。

Description

近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统及其方法

技术领域

本发明是一种对近红外高功率脉冲波前畸变检测干涉仪的系统误差进行高精度标定的近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统及其方法。

背景技术

在国防军工及国民经济领域中，常常需要对各种波前进行高精度的检测，其主要的测量指标就是波前孔径内的峰谷值(Peak-valley value，PV值)及均方根(Root-mean square，RMS)来表示。利用干涉仪可以检测各种精密表面的面形，也可以检测一些可见光波段的光束质量。要进行此类高精度的波前检测各类干涉仪本身必须具有很高的精度，现在常常利用计算机存储相减技术，一般的干涉仪是双光束干涉系统，利用高精度表面作为干涉仪的参考面，利用计算机测出干涉仪的系统误差并存储于程序内，在随后的所有检测中，将测得的数据减去系统误差，可以得到实际被测量的值。其前提是干涉仪有高精度的参考面，并且具有一个连续的可见光波段的检测。

但是随着目前高科技的发展，对近红外段强激光脉冲波前畸变的测量需求已越来越迫切。本发明所要标定的近红外高功率脉冲波前检测干涉仪是由脉冲波前剪切形成干涉条纹，所以没有参考面。同时波长是1053nm的近红外不可见光，因此该干涉仪的系统误差标定，由于没有参考面，就无法用上述的方法来标定，为此必须要有一个理想的近红外标准光束来标定该干涉仪，从而求取系统误差。

本发明为了解决上述的问题，设计了利用一双凹透镜及一组双分离透镜组组成一个伽俐略光学系统，该系统产生一个虚焦点，从而可以避免强激光聚焦于实焦点产生的电离，并且镀有抗强激光的高损伤域值的1053nm的增透介质膜；设计了可以使双分离透镜精确同轴的机械结构，以使该准直扩束系统能精确同轴，产生一个理想的标定光束；同时为了论证该标定系统的可靠性，利用光束的二次旋转来获得两次波前，并利用特定的测量方法获取该标定系统的误差，经计算机数据处理后获得的结果表明：该标定系统的固有误差远小于干涉仪要求精度即RMS 1/15波长的值，其完全可以用来标定近红外脉冲波前检测干涉仪的系统误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的问题，提供一种近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统及其方法。

近红外脉冲波前干涉仪的系统误差的标定系统依次具有激光器、双凹透镜、双分离准直镜，双分离准直镜由负透镜、正透镜组成，光学系统结构参数：

近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定方法的步骤为：

1)设标定系统出射的波面误差为ΔW，待测干涉仪的系统误差ΔW₂，得到标定系统与待测干涉仪的系统误差之和为

ΔW=ΔW₁+ΔW₂                             (1)

2)将标定系统绕光轴转180度、90度或270度，得到角度旋转后的标定系统与待测干涉仪的系统误差之和为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{W}_1}+\mathrm{\Δ}{W}_2---\left(2\right)$

式中

均表示是角度旋转后的误差表征值，由于干涉仪没有旋转，则(1)式减(2)式可以得到

$\mathrm{\ΔW}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}={\mathrm{\ΔW}}_1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{W}_1}---\left(3\right)$

从(3)式得出，当标定系统是一近似理想波面时，不管标定系统绕光轴如何旋转，趋于零或某个极小值；则认为标定系统是近似理想的，那么(1)式写为

ΔW≈ΔW₂                                    (4)

就得到待测干涉仪的系统误差ΔW₂。

本发明利用一双凹透镜及一组双分离透镜组组成一个伽俐略光学系统，该系统产生一个虚焦点，从而可以避免强激光聚焦于实焦点产生的电离，并且镀有抗强激光的高损伤域值的1053nm波长的增透介质膜；通过对两组透镜进行精密五维调节后，使该准直扩束系统能精确同轴，产生一个理想的标定光束；同时为了论证该标定系统的可靠性，利用光束的二次旋转方法来获得两个不同的波前参数，再利用特定的测量方法获取该标定系统的误差，经计算机数据处理后获得的结果表明：该标定系统的固有误差远小于干涉仪要求精度即RMS1/15波长的值，其完全可以用来标定近红外脉冲波前检测干涉仪的系统误差。

附图说明

图l是近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统结构示意图；

图2是本发明的双分离准直透镜组机构组装图。

具体实施方式

1)近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统的光学元件结构参数：

如图l所示，近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统依次具有激光器1、双凹透镜2、双分离准直镜，双分离准直镜具有负透镜3、正透镜4，光学系统结构参数：

作为一个标定系统，首先理论设计值必须优于干涉仪的检测精度。上述光学系统理论设计值已经达到的波象差的PV值为1/100波长(波长为1064nm)，由于PV值远大于RMS，则RMS值很小远远优于干涉仪的检测精度，所以理论设计是很理想的。为了适应高功率检测需要所有透镜均镀了高损伤域值的1053nm的增透膜，以防止脉冲检测中损伤光学元件。

2)近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统的同光轴调整

由于脉冲检测干涉仪是用于近红外脉冲波前的检测，所以要标定其系统误差，必须要产生一个近红外的平行光束。为了适应较高功率脉冲的特点，采用了图1所示的伽俐略系统结构。前面是一双凹透镜2，其主要作用是将近红外激光器发出的光束发散扩束，经双分离准直镜组的负透镜3、正透镜4后，使与双凹透镜2共焦，从而产生一个平行光波面射入要标定的干涉仪，然后产生的干涉条纹成象在干涉仪的CCD上。

首先调整近红外激光器，激光器是一个50mw的半导体泵浦固体(ND：YV04)温控型红外激光器，其产生1064nm(与1053nm的近红外光波长最接近)的连续近红外光，并且具有单横模及很好的光束质量，光强均匀，完全可以用于后续的定标。将近红外光射于远场，将光屏从近处拉至远场，观察光屏上光中心的变化，调整近红外激光器光轴至水平。

下一步放入双凹透镜2，其主要作用是将近红外激光器发出的光束发散扩束。一个优质的理想平行波面必须如图1所示使双凹透镜2与激光器1的光轴同轴，双凹透镜2的直径为6mm很小，所以采用了一个组装的五维调整机构，即图1中的X、Y、Z方向的三个平移以及在XY平面与XZ平面内的两个旋转。同样将光屏从近处拉至远场，观察光屏上光中心的变化，逐步调整双凹透镜2光轴与近红外激光器共轴。

在完成上述的步骤后，接着放入双分离准直镜组的负透镜3、正透镜4，其主要作用是将发散扩束的光束准直，并与双凹透镜2共焦，从而产生一个平行光波面射入要标定的干涉仪。由于双分离准直镜组口径为150mm较大，最主要的关键是保证该两片透镜共轴，利用如图2所示的结构，双分离准直镜具有镜筒8，镜筒8内设有第一镜框6、第二镜框12并用调节螺钉11顶紧，第一镜框6上固定有负透镜3、第二镜框12上固定有正透镜4，第一压紧隔圈5、第四压紧隔圈13分别用于固紧负透镜3、正透镜4，第二压紧隔圈7、第三压紧隔圈10分别用于固紧第一镜框6、第二镜框12。通过调整调节螺钉11来调整偏心，以达到负透镜3与正透镜4的光轴共轴。两透镜的间隔由调整隔圈9来保证。双分离准直镜组也同样具有一个五维调节机构，使与双凹透镜2的光轴共轴。双凹透镜2与双分离准直镜组的共焦可以通过成象在干涉仪的CCD 上的干涉条纹来观察，调整双分离准直镜组的光轴方向的移动手轮，观察干涉条纹的变化，当条纹由弯曲变直，并且至无限宽条纹时，则表明双凹透镜2与双分离准直镜组负透镜3、正透镜4共焦，表明射入要标定的干涉仪的是一个较理想的近红外平行光波面。

3)近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定方法

利用本装置来标定干涉仪的系统误差，首先必须在验证标定系统的固有误差很小，以至于可以认为其产生的是一个相对理想的近红外平行波面，从而才能得到干涉仪的系统误差。本发明的另一主要特点就是巧密地利用两次旋转的测量方法来实现这个目标。

如图1所示，当进行2)的调整后，标定系统出射的波面具有误差为ΔW₁，而干涉仪的系统误差是ΔW₂，则经过干涉仪后，标定系统与干涉仪的系统误差之和可表示为

ΔW＝ΔW₁+ΔW₂                         (1)

式中ΔW的数值求取过程是：将成象在干涉仪的CCD(CCD是512×512象素的列阵)上的干涉条纹经过A/D转换而得到干涉条纹的强度数值；ΔW的求取按照数字波面最佳拟合处理的方法得到(相干计量仪器与技术·第五章·、浙江大学出版社、卓永模等编著)。将调整完的图象用512×512象素的CCD采集并进行数据处理，此时第一次得到的波面数据是方程(1)中的ΔW，其包含了标定系统的误差ΔW₁及干涉仪系统误差ΔW₂，处理后波面等高图的均方根值RMS＝0.183602波长。

然后将标定系统绕光轴转180度、90度或270度均可，然而干涉仪固定不动。此时标定系统由于转动而使双凹透镜2与双分离准直镜组的负透镜3、正透镜4的光轴产生偏离，所以必须再进行上述调整步骤2)的过程，使绕光轴转动后的标定系统的双凹透镜2与负透镜3、正透镜4的光轴都共轴。再将成象在干涉仪的CCD上的干涉条纹经过A/D转换而得到干涉条纹的强度数值，

的求取同样按照数字波面最佳拟合处理的方法得到

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{W}_1}+\mathrm{\Δ}{W}_2---\left(2\right)$

式中

均表示是角度旋转后的误差表征值，采集旋转后的波面数据即方程(2)中的

其波面等高图均方根值RMS＝0.172844波长。

值得注意得是：由于干涉仪没有旋转，则(1)式减(2)式后就得到

$\mathrm{\ΔW}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}=\mathrm{\Δ}{W}_1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{W}_1}---\left(3\right)$

从(3)式可以得出，如果标定系统是一近似理想波面，则不管如何旋转

趋于零或某个极小值。所以在实际检测中，只需把旋转前后的两个波面数值相减，如果其RMS远小于1/15波长，则可以认为标定系统是近似理想的，那么(1)式可以写为

ΔW≈ΔW₂                        (4)

也就是说，可以得到干涉仪的系统误差ΔW₂，只要将其存储于程序内，在随后的任一波前检测中做波面相减，就可以获得一个实际的被测近红外脉冲波前参数了。将两次波面做(3)式所示的孔径内的波面相减，剩余的就是等式右边标定系统误差的均方根值，得到RMS＝0.034360波长，约为1/30波长，说明该标定系统的固有误差仅为1/30波长，远小于干涉仪要求的仪器精度。因此，该标定系统可以用于后续的干涉仪系统误差标定。

这样，取任一ΔW或旋转后的

均可以作为干涉仪的系统误差并存储于程序内，在进行后续近红外脉冲波前检测时，作为波面存储相减时干涉仪的系统误差。

Claims (3)

1.一种近红外脉冲波前干涉仪的系统误差标定系统，其特征在于它依次具有激光器(1)、双凹透镜(2)、双分离准直镜，双分离准直镜具有负透镜(3)、正透镜(4)，其光学系统结构参数：

2.根据权利要求1所述的一种近红外脉冲波前干涉仪系统误差标定系统，其特征在于所述的双分离准直镜具有镜筒(8)，镜筒(8)内设有第一镜框(6)、第二镜框(12)并用调节螺钉(11)项紧，第一镜框(6)上固定有负透镜(3)、第二镜框(12)上固定有正透镜(4)，第一压紧隔圈(5)、第四压紧隔圈(13)分别用于固紧负透镜(3)、  正透镜(4)，第二压紧隔圈(7)、第三压紧隔圈(10)分别用于固紧第一镜框(6)、第二镜框(12)，通过调整调节螺钉(11)来调整偏心，以达到负透镜(3)与正透镜(4)的光轴共轴，两透镜的间隔由调整隔圈(9)来保证，双分离准直镜组也同样具有一个五维调节机构，使与双凹透镜(2)的光轴共轴。

3.一种近红外脉冲波前干涉仪系统误差标定方法，其特征在于方法的步骤为：

1)设标定系统出射的波面误差为ΔW₁，待测干涉仪的系统误差ΔW₂，得到标定系统与待测干涉仪的系统误差之和为

ΔW＝ΔW₁+ΔW₂    (1)

2)将标定系统绕光轴转180度、90度或270度，得到角度旋转后的标定系统与待测干涉仪的系统误差之和为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}}_1+{\mathrm{\ΔW}}_2---\left(2\right)$

式中

均表示是角度旋转后的误差表征值，由于干涉仪没有旋转，则(1)式减(2)式可以得到

$\mathrm{\ΔW}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}=\mathrm{\Δ}{W}_1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔW}}}_1---\left(3\right)$

从(3)式得出，当标定系统是一近似理想波面时，不管标定系统绕光轴如何旋转，

趋于零或某个极小值；则认为标定系统是近似理想的，那么(1)式写为

ΔW≈ΔW₂    (4)

就得到待测干涉仪的系统误差ΔW₂。

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