CN109883655B - Doe衍射角的测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种DOE衍射角测量装置，包括单频激光器模块、供待测DOE放置的角度旋转台、傅里叶透镜和光斑显示模块；该光斑显示模块由图像探测器和与该图像探测器相连的数据处理设备组成。本发明通过旋转角度旋转台使待测衍射光束光斑在旋转后重新回到原位，可实现DOE各衍射光束衍射角测量，用于弥补现存DOE衍射角直接测量方法的装置结构复杂、测量系统位置精度要求高、数据处理繁杂等不足，解决分光型DOE衍射角直接测量读取问题。
Description
技术领域
本发明涉及信息光学和精密光学测量仪器领域，特别是一种分光型DOE(Diffractive Optical Element)衍射光学元件的衍射角的测量装置及测量方法。
背景技术
自二元光学提出以来，越来越多的衍射光学元件(Diffractive OpticalElement)问世，此类衍射光学元件替代传统光学元件对光波波前进行修饰，以达到预期效果。分光型DOE是应用最广泛的衍射光学元件之一，此类元件可将一束单色光以特定衍射角均匀分成多个子光束，具有极高的衍射效率，在光纤通信、光计算、图像处理和光盘存储等众多技术领域得到了广泛应用。
衍射角是分光型DOE十分重要的参数，在应用前需要标定各子光束衍射角，目前已有的测量方法需要将DOE准确放置在傅里叶透镜前焦面，探测面准确固定在后焦面，并且需要后期繁杂的数据处理工作，测量误差在数据处理过程中多次迭代放大，增大了最终测量结果误差。因此研发一种光学结构简单、元件可放置范围大、数据处理简单、测量准确的DOE衍射角测量装置及其测量方法成为目前研究热点。
发明内容
为解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种DOE衍射角测量装置及其测量方法，该装置用于改善现存衍射角测量装置结构复杂、测量系统位置精度要求高、数据处理繁杂等不足，解决分光型DOE衍射角直接测量读取问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种DOE衍射角测量装置，其特点在于，包括单频激光器模块、供待测DOE放置的角度旋转台、傅里叶透镜和光斑显示模块；该光斑显示模块由图像探测器和与该图像探测器相连的数据处理设备组成；
沿所述的单频激光器模块的输出光方向依次放置有角度旋转台、傅里叶透镜和图像探测器，所述的单频激光器模块、待测DOE、傅里叶透镜、图像探测器共光轴，所述的傅里叶透镜放置在距离待测DOE后方，且保证衍射光束满足傅里叶透镜近轴条件，所述的图像探测器放置在傅里叶透镜后方，且能将待测光斑囊括在视野内位置。
所述的单频激光器模块由具有单频特性的单频激光器和准直器件组成。
待测DOE固定夹持在角度旋转台中心。
所述的待测DOE为衍射角小，衍射子光束在傅里叶面的光斑间距为定值Δ，并固定在所述的角度旋转台上，与该角度旋转台同步转动。
所述的待测DOE的转动角度θ，衍射子光束在傅里叶面的光斑整体平移为sinθ·f，其中f为傅里叶透镜焦距，当满足sinθ·f＝k·Δ，k＝0,±1,±2...，则第k级衍射光束回到原位，其中，转动角度θ满足关系sinθ≈tanθ。
所述的待测DOE的傅里叶面始终保持与待测DOE表面法线垂直，且距离始终保持为f。
所述的数据处理设备能显示和标记光斑位置。
一种DOE衍射角测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)将待测DOE固定在角度旋转台中心，使待测DOE表面法线与测量装置光轴保持平行，调整图像探测器，使待测光斑显示在图像探测器视野中央，在数据处理设备上标记待测光束光斑位置；
步骤2)读取旋转前角度旋转台显示的角度，旋转角度旋转台，在旋转过程中待测光束在图像探测器上的光斑会发生移动，一直旋转角度旋转台，直到光斑重新回到标记位置，记下此时角度旋转台显示的角度，旋转前后角度之差即为该光束对应衍射角。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)具有测量装置结构简单、系统器件可放置范围大、操作简单、数据处理简单、测量结果误差小的特点；
2)光学器件均采用普通光学部件，成本低易维护。
附图说明
图1为本发明DOE衍射角测量装置实施例的结构示意图；
图中：1单频激光器模块；2准直光束；3角度旋转台；4待测DOE；5衍射子光束；6傅里叶透镜；7图像探测器；8数据处理设备。
图2为本发明DOE衍射角测量的原理图；
图中：11准直光束；12初始待测DOE位置；13旋转后待测DOE位置；14图像探测器探测面；15旋转后傅里叶面；16初始光斑位置；17旋转后光斑位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明DOE衍射角测量装置实施例的结构示意图，由图可见，本发明DOE衍射角测量装置，包括单频激光器模块1、角度旋转台3、傅里叶透镜6、图像探测器7、数据处理设备8以及待测DOE4，所述的单频激光器模块1由单频激光器和准直器件组成，所述的角度旋转台3设有精密的角度刻度，所述的数据处理设备8能显示和标记光斑位置，所述的待测DOE4是一种分光型衍射元件，所述的单频激光器模块1、角度旋转台3、傅里叶透镜6、图像探测器7以及待测DOE4共光轴放置。
在本实施例中，单频激光器模块1发出准直光束2，角度旋转台3放置在单频激光器模块1后方任意位置，待测DOE4固定在角度旋转台3中心位置，待测DOE4表面法线与准直光束2平行，准直光束2通过待测DOE后以特定衍射角衍射形成多个衍射子光束5，衍射子光束5传输到傅里叶透镜6，傅里叶透镜6尽量靠近待测DOE4放置以满足傅里叶透镜6的近轴条件，衍射子光束5经过傅里叶透镜6后汇聚到图像探测器7上，图像探测器7放置在傅里叶透镜6后方能囊括所有衍射光斑在视野中的位置，数据处理设备8与图像探测器7相连，显示和标记光斑位置。
在本实施例中，待测DOE4与角度旋转台3在测量时同步旋转。
在本实施例中，单频激光器模块1、傅里叶透镜6和图像探测器7在测量时位置保持不变。
在本实施例中，通过往一个方向旋转角度旋转台3，令数据处理设备8中待测光束光斑返回至标记位置，读取旋转前后角度旋转台3显示的角度差，实现待测光束衍射角测量。
本发明的测量方法为：
1.测量准备过程
本实施方式中，将待测DOE固定在角度旋转台中心，待测DOE表面法线与系统光轴保持平行，调整图像探测器视野，令待测光斑显示在视野中央，在数据处理设备上标记待测光束光斑位置。
2.测量过程
读取旋转前角度旋转台显示的角度，旋转角度旋转台，在旋转过程中待测光束在图像探测器上的光斑会发生移动，一直旋转角度旋转台，直到光斑重新回到标记位置，记下此时角度旋转台显示的角度，旋转前后角度之差即为该光束对应衍射角。
3.测量原理
根据衍射理论，单色光经过透过率函数为t(x)＝exp(iφ(x))的DOE之后，其中φ(x)＝φ(x+d)，会在傅里叶面得到DOE透过率函数的傅里叶变换分布
其中
由此可知光斑位置分布满足以下关系：
其中f为透镜焦距，d为DOE周期，λ为工作波长，k＝0,±1,±2...为衍射级次，因此相邻级次间光斑距离为定值
在旋转角度旋转台过程中，待测DOE会同步转动，转动过后待测DOE衍射光束需满足以下衍射关系：
其中θ为旋转角度，在θ很小时，有sinθ≈tanθ，旋转后待测DOE对应的傅里叶面会同步旋转，由于图像探测器探测面保持不动，因此光斑会发生移动，根据上述衍射关系可知0级衍射光束始终保持不动，当旋转角θ满足
则第k级衍射光束回到原位，光斑回到标记位置，θ即为第k级衍射光束衍射角。
本发明通过旋转角度旋转台令待测光束光斑回到原位，可以实现直接测量DOE衍射角。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，其描述较为具体和详细，但不能以此作为对本发明实施范围的限定。对于本领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作若干的变形与润饰，这些都属于本发明的保护范围，因此本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种DOE衍射角测量装置，其特征在于，包括单频激光器模块(1)、供待测DOE(4)放置的角度旋转台(3)、傅里叶透镜(6)和光斑显示模块；该光斑显示模块由图像探测器(7)和与该图像探测器(7)相连的数据处理设备(8)组成；
沿所述的单频激光器模块(1)的输出光方向依次放置有角度旋转台(3)、傅里叶透镜(6)和图像探测器(7)，所述的单频激光器模块(1)、待测DOE(4)、傅里叶透镜(6)、图像探测器(7)共光轴，所述的傅里叶透镜(6)放置在距离待测DOE(4)后方，且保证衍射光束满足傅里叶透镜(6)近轴条件，所述的图像探测器(7)放置在傅里叶透镜(6)后方，且能将待测光斑囊括在视野内位置；
所述的待测DOE(4)的转动角度θ，衍射子光束在傅里叶面的光斑整体平移为sinθ·f，其中f为傅里叶透镜焦距，当满足sinθ·f＝k·Δ，k＝0,±1,±2...，则第k级衍射光束回到原位，其中，转动角度θ满足关系sinθ≈tanθ。
2.根据权利要求1所述的DOE衍射角测量装置，其特征在于，所述的单频激光器模块(1)由具有单频特性的单频激光器和准直器件组成。
3.根据权利要求1所述的DOE衍射角测量装置，其特征在于，待测DOE(4)固定夹持在角度旋转台(3)中心。
4.根据权利要求1所述的DOE衍射角测量装置，其特征在于，所述的待测DOE(4)为衍射角小，衍射子光束在傅里叶面的光斑间距为定值Δ，并固定在所述的角度旋转台(3)上，与该角度旋转台(3)同步转动。
5.根据权利要求1所述的DOE衍射角测量装置，其特征在于，所述的待测DOE(4)的傅里叶面始终保持与待测DOE(4)表面法线垂直，且距离始终保持为f。
6.根据权利要求1所述的DOE衍射角测量装置，其特征在于，所述的数据处理设备(8)能显示和标记光斑位置。
7.利用权利要求1所述的DOE衍射角测量装置进行衍射角测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)将待测DOE固定在角度旋转台中心，使待测DOE表面法线与测量装置光轴保持平行，调整图像探测器(7)，使待测光斑显示在图像探测器(7)视野中央，在数据处理设备上标记待测光束光斑位置；
步骤2)读取旋转前角度旋转台显示的角度，旋转角度旋转台，在旋转过程中待测光束在图像探测器上的光斑会发生移动，一直旋转角度旋转台，直到光斑重新回到标记位置，记下此时角度旋转台显示的角度，旋转前后角度之差即为该光束对应衍射角。
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