CN102410500A - 一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统 - Google Patents

一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统 Download PDF

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万勇建
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Abstract

一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统包括:激光光源、扩束准直光学系统、可变光阑、二元相位光栅、变焦光学系统和空间滤波器;激光光源经过扩束准直系统后变成平行光,再经过可变光阑对光束的直径大小进行调节,以控制垂直入射到二元相位光栅上的光束直径大小;光束经过可变光阑调节直径大小后垂直入射到二元相位光栅上,二元相位光栅后为变焦光学系统,在变焦光学系统的后焦面上放置空间滤波器接收环形光源,通过调节变焦系统的焦距f1的大小分别改变环形光源的环厚度和环半径。本发明可以为高精度干涉仪提供照明,能有效降低干涉仪系统的相干噪声,提高干涉仪的信噪比和测量精度。

Description

一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统

技术领域

[0001] 本发明属于光学检测与仪器及光学技术领域,具体涉及的是干涉仪的一种照明光路系统。

背景技术

[0002] 干涉仪所用的光源,根据不同的使用要求应具有一定的时间相干性和空间相干性,同时也要具备足够的输出功率。在激光器出现以前干涉仪常采用钠光灯、水银灯这一类所谓原子光谱灯作光源,由于这类光源辐射的光谱成分是由不连续的,分立的不同波长组成,为了满足光源时间相干性和空间相干性的要求,常采用滤波片滤去不需要的谱线和在光源后面利用光孔来限制光源的大小。普通的原子光谱灯是一种扩展光源,因此光源后面的小孔将大大降低光源进入干涉仪的有效能量,使观察屏上无法观察到明亮的干涉条纹, 影响干涉测量的最后结果。这一问题在激光器出现以后得以彻底解决。激光的高度时间相干性和空间相干性,使它具有其他光源无法比拟的相干长度。激光的高度空间相干性,可以使它有很宽的空间相干区域,光源后面的光孔限制对激光来说已没有必要。激光高度集中的能量密度,使干涉条纹有足够的亮度。因此,激光已成为干涉测试的最理想光源。

[0003] 在激光干涉仪中,相干噪声将影响对干涉图的数据处理精度。不期望的反射、衍射和散射均能产生相干噪声。灰尘颗粒、粗糙表面、玻璃不均勻性及擦伤表面可引起衍射。由于He-Ne激光光源具有良好相干性,CCD探测到干涉条纹不仅是由参考和测试光束形成干涉条纹,还包含有光路中各个光学表面的反射的杂散光和参考测试光束相加而形成杂散条纹,导致干涉图像质量下降,降低系统传递函数。为此,一些学者采用低相干光源或白光作为干涉仪的光源,或在成像系统加旋转毛玻璃以降低空间相干性。但是空间扩展光源会大大降低干涉条纹的对比度和干涉仪的系统信噪比。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,该系统可以实现环半径和环厚度可调,有效抑制干涉仪相干噪声,从而提高干涉仪的测量精度。

[0005] 本发明的技术解决方案是:一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统包括:激光光源、扩束准直光学系统、可变光阑、二元相位光栅、变焦光学系统和空间滤波器; 激光光源经过扩束准直系统后变成平行光,再经过可变光阑对光束的直径大小进行调节, 以控制垂直入射到二元相位光栅上的光束直径大小;光束经过可变光阑调节直径大小后垂直入射到二元相位光栅上,二元相位光栅后为变焦光学系统,在变焦光学系统的后焦面上放置空间滤波器接收环形光源,通过调节变焦系统的焦距Π的大小分别改变环形光源的环厚度和环半径。

[0006] 所述二元相位光栅是等间距二元相位光栅,其刻蚀深度满足2h (η-1) = λ,其中h 为相位光栅刻槽深度,η为相位光栅元件的折射率,λ为入射光的波长。当满足上述条件时,二元相位光栅可以实现偶数级次完全消光,即偶数级次的衍射效率为零,奇数级次光能量主要集中在正负一级上,衍射效率为40. 5%,这样有利于光能量的有效利用和高级次杂光的滤除。

[0007] 在所述扩束准直光学系统的聚焦处设置光孔滤波消除杂散光。

[0008] 所述二元相位光栅安装时的旋转轴须与光学系统的光轴重合;旋转轴的中心位于光栅栅节的几何中心,保证光栅关于光轴(旋转轴)呈偶函数而不是奇函数,这样做避免在二元光栅旋转时两级衍射光引入相位改变。

[0009] 所述的激光光源采用He-Ne稳频激光光源。

[0010] 所述变焦光学系统可以是固定变焦和连续变焦两种模式。

[0011] 所述空间滤波器由涂有不透光膜的环带玻璃平板构成。

[0012] 本发明的工作原理是:光源101经过扩束准直系统102后变成平行光,在扩束准直系统聚焦103处设置光孔滤波消除杂散光,经扩束准直系统102后出射的平行光在经过可变光阑104对光束的直径大小进行调节,其主要作用是控制入射到二元相位光栅上的光束直径大小。光栅105是一种等间距二元相位光栅,偶数级次衍射光效率几乎为零,奇数级次衍射光主要集中在正负一级上,正负一级衍射效率分别为40. 5%,当平行入射的平行光垂直入射在绕光轴旋转的二元相位光栅上,在变焦光学系统106的后焦面上放置空间滤波器 107接收环形光源及滤除二元相位光栅的高级次杂光,空间滤波器107位于变焦光学系统 106和准直透镜108的共同焦面上。变焦光学系统106主要是通过调节透镜组的焦距从而调节空间滤波器107上的环形光源的半径,环半径随着变焦透镜组焦距的增大而增大。

[0013] 对二元相位光栅的安装要求二元相位光栅的旋转轴和光学系统的光轴重合,中心位于二元相位光栅的几何中心。相位光栅刻蚀深度满足:2h(n-l) = λ,h为相位光栅刻槽深度,η为相位光栅元件的折射率,λ为入射光的波长。

[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于:

[0015] (1)本发明利用控制入射光束直径大小和调节变焦光学系统的焦距实现了环形光源的环半径可调和环厚度可调,实现了环形光源为高精度干涉仪提供照明,解决了干涉仪中的相干噪声问题,对提高干涉仪的信噪比和测量精度有重要的应用价值。

[0016] (2)本发明采用二元相位光栅实现环形光源,加工制作简单,成本较低,易于实现且光能利用率较高。

附图说明

[0017] 图1是本发明的光路原理图;

[0018] 图2是二元相位光栅的侧面结构图;

[0019] 图3是本发明的相位光栅安装旋转轴示意图;

[0020] 图4本发明的相位光栅安装旋转轴示意图。

[0021] 在图1中,101激光光束,102扩束准直系统,103针孔滤波装置,104可变光阑,105 二元相位光栅,106变焦光学系统,107空间滤波器,108准直透镜。

具体实施方式

[0022] 如图1所示,本发明的光源采用He-Ne稳频激光光源,激光束101经过扩束准直系统102后变成平行光,在扩束准直系统聚焦103处设置针孔滤波消除杂散光,经扩束准直系统102后出射的平行光在经过可变光阑104进行对光束的直径大小进行调节,主要作用是控制垂直入射在相位光栅上的光束直径大小,光栅105如图2所示,相位光栅是等间距二元相位光栅,刻蚀深度满足:2h(n-l) = λ,h为相位光栅刻槽深度,η为相位光栅元件的折射率,λ为入射光的波长。当平行入射的平行光垂直入射在绕光轴旋转的相位光栅上,在变焦光学系统106的后焦面上可以设置空间滤波器接收到环形光源,空间滤波器可以由涂 有不透光膜的环带玻璃平板构成。变焦光学系统106主要是通过调节透镜组的焦距从而调节空间滤波器107上的环形光源的半径,环半径随着变焦光学系统透镜组焦距的增大而增大。

[0023] 如图2所示,二元相位光栅是等间距相位光栅,刻蚀深度满足条件:2h(n-l) = λ, h为相位光栅刻槽深度,η为相位光栅元件的折射率,λ为入射光的波长。相位光栅的凹槽面都凸面均为透光,光栅的偶数级次光衍射效率几乎为零,奇数级次光主要集中在正负一级上,衍射效率为40%左右。

[0024] 对二元相位光栅的安装要求如图3或图4所示,旋转轴的中心位于相位光栅的几何中心,旋转轴与光学系统的光轴重合,避免在相位光栅旋转时两级次衍射光引入相位改变。

Claims (7)

1. 一种环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于包括:激光光源 (101)、扩束准直光学系统(102)、可变光阑(104)、二元相位光栅(105)、变焦光学系统 (106)和空间滤波器(107);激光光源(101)经过扩束准直系统(102)后变成平行光,再经过可变光阑(104)对光束的直径大小进行调节,以控制垂直入射到二元相位光栅(105) 上的光束直径大小;光束经过可变光阑(104)调节直径大小后垂直入射到二元相位光栅 (105)上,二元相位光栅(105)后为变焦光学系统(106),在变焦光学系统(106)的后焦面上放置空间滤波器(107)接收环形光源,通过调节变焦系统(106)的焦距fl的大小分别改变环形光源的环厚度和环半径。
2.根据权利要求1所述的环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于: 所述二元相位光栅(105)是等间距二元相位光栅,其刻蚀深度满足2h(n-l) = λ,其中h为相位光栅刻槽深度,η为相位光栅元件的折射率,λ为入射光的波长。
3.根据权利要求1所述的环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于: 所述二元相位光栅(105)安装时的旋转轴须与光学系统的光轴重合;旋转轴的中心位于光栅栅节的几何中心。
4.根据权利要求1所述的环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于: 所述的光源采用激光光源。
5.根据权利要求1所述的环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于: 所述变焦光学系统(106)可以是固定变焦和连续变焦两种模式。
6.根据权利要求1所述的环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于: 所述空间滤波器(107)由涂有不透光膜的环带玻璃平板构成。
7.根据权利要求1所述的环半径和环厚度可调的干涉仪环形光源系统,其特征在于: 所述空间滤波器(107)位于变焦光学系统(106)和后面准直透镜(108)的共同焦面上。
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