CN101389938B - 紧凑的三波横切型消色差光学干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种分析光束波阵面的方法与系统，其中衍射光栅(GR)安置在垂直于待分析光束且光学共轭于分析平面的平面内。光栅不同的呈现光束相干涉而生成图像，该图像具有与等待分析波阵面的梯度相关的变形。本方法的特征在于，光栅(GR)执行强度函数与相位函数的相乘；强度函数由带六边形表面S网格的二维光栅(GI)实现，六边形表面S网格将待分析束的光透射成多条排列在六边形网格中的呈现光束；相位函数由带六边形表面3S网格的二维实现，六边形表面3S网格在两条相邻次级光束之间引起接近2π/3(模2π)的相移。
Description
技术领域
本发明用于分析光束波阵面。
背景技术
这种分析能测试光学元件，考核光学设备，还能控制应用于主动或自适应光学系统里的可变形光学元件。它还可研究非直接可测的物理现象，诸如扰动媒质在穿过地面大气时会遇到的和在鼓风机管路中遇到的光学指标的变化。它还可用于测试电子元件的平面度，例如矩阵焦面，还用于使功率激光束成形。
本发明的这种波阵面分析基于在等分析束路径中的衍射光栅的应用。
为了更好地理解以下内容，将这种光栅定义为引入相位、强度或相位与强度周期性变化的光学系统。因此，任何衍射光栅都被表征为两个函数相乘：一个称为相位函数，代表光栅引入的相位周期性变化，另一个称为强度函数，代表光栅引入的强度周期性变化。
根据申请人的法国专利2712978号，使他想起了二维光栅的构成与定义方式。一组按两个方向规则排列的点构成一个平面网格。这些点定义一个基本网，该基本网是按定交平面的两个方向能到达该平面的无隙铺面的最小表面。基本网的多边形是其侧边被线段利用其最近邻线段连接该组任一点的垂直中线所支持的最小表面多边形。二维光栅是按平面网格排列的基本图案的大量重复。平面网格能定义基本网或者是六边形，或者是矩形(方形网只是后者的特例)。
衍射光栅受光束(称为入射束)照射时，可用两种等效的方法描述被光栅衍射的光束(也称为呈现光束)。
第一种方法是把呈现光束视为入射的复制品，称为子束，各自对应于光栅的一个衍射序数。在这些子束中，被区分为两类。首先，有分类的子束，称为主束，对应于被本发明使用的衍射序数。其它不用于分析的序数称为次子束。因此，光栅被定义成有利于呈现主子束而尽量减小次子束的出现。
第二种方法是把呈现光束视为被光栅的每个网衍射的光束，称为次级光束。
当光栅引入强度函数时，各次级光束由强度洶栅称为子出射孔的网产生。
在其已提到的2712978号法国专利中，申请人描述了一种三波横切干涉，用于实现二维相位和/或强度光栅和空间滤波系统。根据该方法，通过分解成诸子束，在缺隔的共轭平面内，光栅以光学方式把待分析入射束细分为多个子束。一个对子束作空间滤波的系统用于选择三个用于分析的主子束。不管选择的观察平面如何，对如此得到的三个子束作特定的光学处理，就能观察到由对比度不变的六边形光斑网格构成的干涉图。该干涉图对波阵面的梯度很敏感，这对动态特性和灵敏度就有了连续可调的可能性。观察距离被定义为把所选观察平面与所谓的零灵敏度平面分开的距离，而后者是与位于空间滤波下游的光栅平面共轭的共轭平面。鉴于生成的干涉图的频率纯度，这种干涉仪具有显示重要计量学特性的优点，再者，测量误差可根据测量结果本身束估算。最后，只要被检缺隔的路径差与波长无关，这种干涉仪就能以多色光操作。
另一方面，由于选择主子束的空间滤波系统插在光栅与干涉条纹系统的观察平面之间，所以实现起来很复杂。再者，空间滤波系统对测量强烈扰动的光束光谱宽极大的光束有限制。
在其2795175号法国专利中，申请人揭示了一种四波横切型干涉仪，它是上述三波横切干涉仪的发展。根据这种干涉仪，在缺隔的共轭平面内，光栅以光学方式将等分析入射束细分成四个主子束，这有利于分析。因次子束是小幅值的弱束，故不必用空间滤波系统把它们消除。干涉图包括矩形光斑网格，不管所选的观察平面如何，其对比度不变。同三波横切型干涉仪一样，这种干涉仪也能以多色光操作，只要使观察平面对所谓的零灵敏长平面平移，就可提供连续设定的灵敏度与动态特性。而且与三波横切干涉仪相反，没有了空间滤波系统就更容易实施，使它能测量强扰动光束或谱宽极大的光束。还可利用这种干涉仪结算误差，但在测量高动态特性的缺陷时，它还不够坚固。此外，与三波横切型干涉仪相比，四波横切型干涉仪中待分析波阵面的采样几何结构还欠佳。
因此，非常希望提供一种干涉仪，它一方面结合于四波横切型干涉仪的高 度扰动低强度光源或谱宽极大的光源得出的实施简便与操作能力，另一方面也结合了三波横切型干涉仪的坚实评做测量误差的可能性与等分析波阵面的优化采样几何结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种这方面的发展。
本发明呈现为一种方法或一种系统。
提供的方法中：
a)配置一种带二维网格的衍射光栅，执行以下二项的乘法：
a1)定义子出射孔六边形网格的强度函数(FI)，子出射孔六边形网格用于将束自等分析束的光透射入多个以六边形网格排列的次级光束，乘以
a2)相位函数(FP)，
在垂直于等分析光束且与波阵面的分析平面光学共轭的第一平面内或其附近，使该光束衍射成不同的呈现光束，以及
b)产生一幅由呈现光束的的干涉形成的图像，在离第一平面选定距离的平面内观察该图像，所述图像的变形与待分析波阵面的梯度相联系。
根据本发明的一个方面，a2)中的相位函数在两相邻次级光束之间引入相移，其值接近2π/3(模2π)。
这样，对如此定义的两函数执行相乘的衍射光栅就衍射六边形的次级光束网格，次级光束传播时相互干涉，在任何平行于光栅平面的观察平面内产生六边形光斑网格形式的图像，其对比度基本上与波长和观察距离无关。
在将呈现光束视作入射束复制品的该方法中，相位函数衍射包含三个主子束和次子束的多个子束。与强度函数相乘，使它能尽量减小在次子束中衍射的能量，从而基本上仅保留有利于分析的三个主子束。
在光栅平面即零灵敏度平面内，可观察到该六边形光斑网格。从位于用户选择的随待分析波阵面的梯度和期望动态特性而变的观察距离的平面观察该网格是有利的。
这种方法以多色光操作，而且在调节观察距离时，通过不断设定系统的灵敏度与动态特性，使它能测量高度扰动的光束。
这样，用户就能对三波横切型干涉仪灵活地连续设定动态特性，不必实施与空间滤波系统插入有关的系统规定参数。
本发明还提供能实施所推荐方法的系统。这类系统包括：
α)输入光学系统，用于使参照平面与其中分析波阵面的平面相共轭，
β)排列在垂直于光束的所述参照平面内的衍射光栅，它包括有六边形基本网的强度光栅和有六边形基本网的相位光栅，造成该光束在称为次级光束的不同呈现光束内衍射，以及
γ)用于观察呈现光束干涉形成的图像的装置，所述图像的变形与被分析波阵面的梯度有关。
根据本发明，该系统的特征在于，β)的光栅包括：
一强度光栅，其六边形基本网有一表面S，其中配置了带表面S的基本强度图案，和
一相位光栅，其六边形基本网有一个三倍于表面S的表面，其中配置了表面等于三倍表面S的基本相位图案，
相位网的所有六个顶点与位于三个相邻强度网六条小对角线端部之一的顶点匹配，所述小对角线的另一端位于所述三个相邻强度网的公共顶点，
基本强度图案使它在表面S基本图案中心的最大值100％与图案顶点最小值0％之间因次级光束穿过它而引入强度变化，而且
基本相位图案使它在穿过两个相邻基本强度图案的两个次级光束之间引入接近2π/3(模2π)的相移。
根据本发明的一种优选的二维强度光栅具有六边形的基本强度图案，其透射表面接近基本强度网表面的66％。
附图说明
从以下的具体说明和附图中将会明白本发明的其它特征与优点，其中：
图1A是实施本发明用于检查光学元件的系统的理论光学图；
图1B是实施本发明的系统的理论光学图，该系统用于测量诸如地面大气等被诸如星体等多色源发出的光束穿过的扰动媒质；
图2A示出具有带表面S六边形网格的二维光栅GI；
图2B示出具有带表面3S六边形网格的二维光栅GP；
图2C示出根据本发明的基本强度网MEI与基本相位网MEP的相对定位关系；
图3A示出适用于本发明的强度光栅的第一例基本图案；
图3B示出适用于本发明的强度光栅的第二例基本图案；
图4A示出一例适用于本发明的具有六边形网格的相位光栅；
图4B指示基本相位网与相应的相位图案的相对位置；
图5A示出根据本发明的第一例衍射光栅GR；
图5B示出根据本发明的第二例衍射光栅GR。
具体实施方式
图1示出两例实施本发明的系统。
图1A中，多色光源So位于准直透镜O1的焦点。来自透镜O1的平行光束照射待测样品，它在图中表示为排列在平面Po内带平行表面的板LA，且具有平面度缺隔O1。样品可以是任何其它光学系统(透镜或反射镜，尤其是套筒式反射镜)，或者只是例如被气流扰动的气体媒质中的某一区域。
在天文学领域的应用中，图1B示出了一种实施本发明的系统。来自星体等极远源的平面波例如穿过某一扰动媒质，媒质的指标变化用波形线表示。
输入装置执行实施本发明方法所需的光学配合。
这种配合最好用远焦系统实现，该系统有两块透镜O2与O4，向场透镜O3处于中间位置。这种远焦系统一方面使P0平面内被分析束的直径与排列在PC平面内的二维光栅的尺寸匹配，另一方面使得待分析缺隔所在的PD平面与PC平面光学共轭。
也可应用在这两个平面之间实现光学共轭的其它装置。
分析平面PC内安排了适于组合强度与相位函数的衍射光栅GR。其实这种光栅可被构成例如图5A或5B所示的光栅。正是这种特定的函数组合表征了本发明而非特定实施例的光栅。
在这例图示实施例中，衍射光栅GR由二维强度光栅GI与二维相位光栅GP组成。
强度光栅GI执行强度函数FI，定义将来自待分析束的光透射成多个次级光束的六边形示出射孔网格。
相位光栅GP执行相位函数FP，在两个相邻次级光束之间引入接近2π/3(模2π)的平均相移。
两函数在该平面内执行的次序无关紧要。
根据本发明，干涉图由六边形光斑网格组成。
PC平面是零灵敏度平面。
在离PC平面选定观察距离的PS平面内观察。
系统的动态特性和灵敏度随观察距离而变。因此，若d为零，则观察平面PS与光栅所在且灵敏度为零的分析平面PC相一致。
通常，可用附加装置观察PS平面，例如该装置包括一块PS平面与更接近的工作平面光学共轭的透镜。
图2示出二维光栅的基本网，该图案作为一个示例。本发明的图案示于图3和图4。
图2A示出二维的强度光栅GI，其六边形网格表征为带表面S的六边形基本网。图2B示出二维的相位光栅GP，其六边形网格表征为带表面3S的六边形基本网。用虚线示出的网格不一定在末级光栅中看到。在各GI网中，示出了将强度变化引入入射光束的图案MOI。在各网中，示出了将相位变化引入入射光束的图案MOP。
图2C示出两光栅基本网的相对定位关系，这种定位关系对本发明的正常工作很重要。基本相位网MEP的表面是基本强度网MEI表面的三倍。为便于说明六边形基本网的相对定位关系，六边形的大对角线被定义为连接两个相对的顶点，小对角线被定义为连接两个不相邻、不相对的顶点。相位网MEP以三个相邻强度网MEI的公共顶点为中心。相位网MEP的诸顶点与位于三个相邻强度网MEI的六条小对角线的端点之一的诸顶点匹配，所述小对角线的另一端位于所述三个相邻强度网的公共顶点，即位于相位网MEP的中心。
图3对图2A的二维强度光栅GI示出几例基本图案，可按本发明方法实行强度函数。
图3A示出带六边形表面S网格MEI的光栅GI的基本图案MOI，表面S 具有连续可变的暗度。图案中心的最亮区域是透明度最高的区域，周边的暗区表征为较高的喷度。这里把示出射孔区域定义为透射度高于光栅透射度最大值的33％的区域。表征该光栅的一种方法包括：在周期T内沿强度网的小对角线Pd与中心线Me的方向并在周期T’内沿大对角线Gd的方向定义透射分布。相应的值在本说明书最后的附表中列出。由这种基本图案得出的强度光栅GI是理想的强度光栅，用它制造的干涉仪，其计量品质相当于FR2712978所描述的带空间滤波的干涉仪所达到的计量品质，但实施要简单得多。
图3B示出Ronchi型光栅GI的基本图案MOI，该光栅具有带表面S的六边形网格M EI。里区具有零透射度，亮区为透明。该基本图案包括中央透明六边形区和六个不透明外围等腰三角形，前者的诸顶点位于基本强度网六边形侧边的中间，后者的诸顶点是两相邻侧边的中心与所述两侧边的公共顶点。这样，示出射孔的最大透射表面接近基本网表面的67％，因此与矩形或洋边形网的强度掩蔽相比，明显提高了光量。比前一实施例花费少得多的该实施例，对一般应用是对多色光应用特别有价值。
基本强度图案使穿过它们的次级光束的强度在带表面S的六边形图案中心处的100％最大值与所述图案顶点上的0％最小值之间变化。
图4A示出一例二维相位光栅GP的立体图，该光栅为根据本发明方法实现相位函数提供了简便的手段。图4A示出沿垂直于光栅平面的轴线观察的同一个光栅GP，其上带表面3S的基本网格用黑虚线表示。方格盘型光栅GP具有台阶式周期厚度变化，使两相邻台阶间的厚度差e满足公式：
e＝λ/(n-1)×(k+1/3)
式中λ是平均工作波长，n是相位光栅应用于透射模式时材料的折射率，K为整数。
在4B中可看出，相位光栅GP中六边形方格盘型图案MOP重叠了强度光栅的网格。该图中，光栅GP内方格盘的各种灰度使仅示出该光栅各个台阶的厚度变化，不表示台阶间的透射度变化。该光栅在透射模式中呈透明。
实现二维光栅GI和GP的一种有利方式是应用半导体行业广泛使用的掩蔽与光刻蚀刻技术；因此，把金属掩膜淀积到衬底晶片上可实现GI，通过蚀刻衬底晶片而实现GP。运用这些技术，就能由单块衬底晶片制作将GI与GP的 两种FI与FP函数组合起来的一种二维相位强度光栅。
此外，近年光刻领域的发展，正试图对强度函数的灰度级实行编码。通过对各种金属掩膜厚度进行编码，或者对它钻出尺寸小于平均分析波长的小孔，可得到此类不同的灰度级。
也可尝试用光栅GI与GP实现FI与FP两种函数的其它方法，例如根据在光敏段上记录干涉图的原理，实现全息光栅生产。同样地，本发明的说明书是在工作于透射模式的光栅的范围内提出的。本领域的技术人员将会把本发明应用于以反射模式工作的光栅。
光栅GI与GP的重叠可产生二维光栅GR。图5A示出将具有图3A中图案的强度光栅与图4B中相位光栅重叠而得到的光栅GR1。图5B示出将具有图3B中图案的强度光栅与图4B中相位光栅重叠得到的光栅GR2。要正确地理解图5A，就应考虑与重叠连接至光栅GI的GP光栅方格盘的各种灰度级有关联的效应。对图5B，则较容易理解，黑三角形表示光栅GI的不透明部分，白与灰的六边形代表GP光栅台阶的各种厚度。
把光栅GI与GP组合起来，可产生光斑网格，其对比度与观察距离d和使用波长基本上无关。由于其基本图案示于图3B的Ronchi型强度光栅GI引入的强度突变，在造成光斑高频局部变形的传播过程中就出现对比度扰动。与在两个方向上观察到的正弦形强度调制相比，这些不希望的变形仍然很小，不影响波阵面分析。一种减少剩余剂量在次子束中衍射引起的这类小扰动的方法，包括用强度光栅编码强度函数，根据数字信号处理常见的Hanming窗型切趾表面，其透射度在带表面S的网的中心处的100％与边缘的0％之间连接可变。
在法国专利申请2682761中，申请人提出了一种用UT处理单元UT获取和分析所得干涉图像以得到波阵面梯度的技术。这些技术可直接应用于本发明所得到的光斑网格。
附录：透视指标值表
| 一周期内 的横坐标 | 大对角线指标 Gd | 小对角线指标 Pd | 中线指标 Me |
| 1 | 0.000 | 0.000 | 0.327 |
| 2 | 0.069 | 0.052 | 0.334 |
| 3 | 0.147 | 0.091 | 0.352 |
| 4 | 0.230 | 0.131 | 0.378 |
| 5 | 0.314 | 0.171 | 0.411 |
| 6 | 0.399 | 0.210 | 0.448 |
| 7 | 0.483 | 0.249 | 0.488 |
| 8 | 0.564 | 0.286 | 0.530 |
| 9 | 0.642 | 0.323 | 0.573 |
| 10 | 0.714 | 0.358 | 0.616 |
| 11 | 0.781 | 0.391 | 0.658 |
| 12 | 0.840 | 0.423 | 0.699 |
| 13 | 0.891 | 0.454 | 0.739 |
| 14 | 0.933 | 0.482 | 0.776 |
| 15 | 0.965 | 0.509 | 0.811 |
| 16 | 0.987 | 0.533 | 0.844 |
| 17 | 0.998 | 0.556 | 0.875 |
| 18 | 1,000 | 0.576 | 0.902 |
| 19 | 0.988 | 0.593 | 0.926 |
| 20 | 0.967 | 0.609 | 0.947 |
| 21 | 0.935 | 0.622 | 0.965 |
| 22 | 0.893 | 0.632 | 0.979 |
| 23 | 0.843 | 0.640 | 0.990 |
| 24 | 0.784 | 0.645 | 0.997 |
| 25 | 0.718 | 0.647 | 1.000 |
| 一周期内 的横坐标 | 大对角线指标 Gd | 小对角线指标 Pd | 中线指标 Me |
| 26 | 0.646 | 0.647 | 1.000 |
| 27 | 0.568 | 0.645 | 0.996 |
| 28 | 0.487 | 0.639 | 0.989 |
| 29 | 0.403 | 0.631 | 0.978 |
| 30 | 0.318 | 0.621 | 0.964 |
| 31 | 0.234 | 0.608 | 0.946 |
| 32 | 0.151 | 0.592 | 0.924 |
| 33 | 0.073 | 0.574 | 0.900 |
| 34 | 0.000 | 0.554 | 0.873 |
| 35 | 0.079 | 0.532 | 0.842 |
| 36 | 0.141 | 0.507 | 0.809 |
| 37 | 0.197 | 0.480 | 0.774 |
| 38 | 0.244 | 0.452 | 0.736 |
| 39 | 0.282 | 0.421 | 0.696 |
| 40 | 0.310 | 0.389 | 0.655 |
| 41 | 0.327 | 0.355 | 0.613 |
| 42 | 0.334 | 0.320 | 0.570 |
| 43 | 0.330 | 0.284 | 0.527 |
| 44 | 0.315 | 0.246 | 0.485 |
| 45 | 0.290 | 0.208 | 0.445 |
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| 49 | 0.086 | 0.049 | 0.334 |
| 50 | 0.000 | 0.000 | 0.327 |
Claims (5)
1.一种分析光束波阵面的方法，包括：
a)在垂直于待分析光束且与波阵面的分析平面(PD)光学共轭的第一平面(Pc)内或其附近，安置一块带二维网格的衍射光栅，用于执行下列两种函数的相乘：
a1)强度函数(FI)，所述强度函数定义一个六边形子出射孔的网格，用于将来自待分析光束的光透射成多个排列在六边形网格中的次级光束，
a2)相位函数(FP)，
从而使所述待分析光束衍射成不同的呈现光束，以及
b)建立和观察在位于离所述第一平面(Pc)有选定距离处的平面(Ps)内由呈现光束的干涉形成的图像，所述图像具有与待分析波阵面的梯度有关的变形，其特征在于，
a2)中的相位函数(FP)在两个相邻次级光束之间引入其值为
的相移，其中
除以2π的余数接近2π/3。
2.一种分析光束波阵面的系统，包括：
α)输入光学系统(O2、O3、O4)，用于使参照平面(Pc)与其中分析波阵面的平面(PD)光学共轭，
β)衍射光栅(GR)，它包括具有六边形基本网(MEI)的强度光栅(GI)和具有六边形基本网(MEP)的相位光栅(GP)，且被安置在参照平面(Pc)内，从而使光束衍射成被称为次级光束的不同的呈现光束，和
γ)用于观察由呈现光束的干涉所形成的图像的装置，所述图像具有与被分析的波阵面的梯度有关的变形，
其特征在于，在β)的光栅中：
强度光栅(GI)具有带表面的基本强度网(MEI)，其中安置了带所述表面的基本强度图案，而且
相位光栅(GP)具有带三倍于所述基本强度网的表面的表面的基本相位网(MEP)，其中安置了其表面是所述基本强度网的表面三倍的基本相位图案，
基本相位网的所有六个顶点与位于三个相邻基本强度网的六条小对角线的一端处的顶点相配，所述小对角线的另一端位于所述三个相邻基本强度网的公共顶点处，
基本强度图案使它在被次级光束穿过时引起了强度变化，即强度在基本强度图案中心处的100％最大值与图案顶点的0％最小值之间变化，而且
基本相位图案使它在穿过两个相邻基本强度图案的两个次级光束之间引入了其值为
的相移，其中
除以2π的余数接近2π/3。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，强度光栅(GI)的基本强度图案(MOI)在周期T内沿所述基本强度网的小对角线(Pd)与中线(Me)的方向和在周期T’内沿所述基本强度网的大对角线(Gd)的方向具有透射度分布，所述基本强度网的指标值列于下表：
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，基本强度图案包括：中央透明的六边形区，其顶点位于基本强度网的六边形侧边的中间；和六个不透明的外围等腰三角形，其顶点是基本强度网的六边形的两条相邻侧边的中心和所述两条相邻侧边的公共顶点。
5.根据权利要求2、3或4所述的系统，其特征在于，二维相位光栅(GP)具有与强度网格重叠的方格盘图形并且具有台阶式的周期性厚度变化，以使得在两个相邻台阶之间的厚度差e满足下列公式：
e＝λ/(n-1)×(k+1/3)
式中λ是平均工作波长，n是材料折射率，K为整数。
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