CN110672216A - 一种反射式点衍射干涉仪针孔对准装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式点衍射干涉仪针孔对准装置和方法。该装置包括分光膜、斜入射反射式点衍射板、粗调光点接收屏、精调成像透镜、精调光斑接收屏、载频干涉图探测器。该对准方法分为以下四个步骤：根据粗调光点接收屏上光点的位置调整装置，使光斑透过点衍射板狭缝；根据精调光斑接收屏上光斑的大小调整系统光轴方向位置；找到光斑中针孔的像，并微调系统位置，将其移动至光斑中心；再次微调系统光轴方向位置，至光斑上出现干涉图样，此时光线已精确聚焦至针孔。本发明降低了目前斜入射反射式点衍射干涉仪对点难度，且准确度高、装置简单。

Description

一种反射式点衍射干涉仪针孔对准装置和方法
技术领域
本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种反射式点衍射干涉仪针孔对准装置和方法。
背景技术
在瞬态波前检测技术中，点衍射干涉仪应用广泛，其利用针孔的衍射产生理想球面波作为参考波，消除了普通干涉仪因参考面带来的误差。
反射式点衍射干涉仪的特点主要在于点衍射板，其基片是一个平行平板，前表面有一条矩形狭缝镀有分光膜，其余部分均镀有遮光膜，遮光膜上开一个椭圆针孔，后表面一半镀有高反膜，另一半镀有增透膜。待测的球面波在矩形狭缝上部分直接反射作为测试波前，其余部分从狭缝透射后经过高反膜反射，在针孔处汇聚并发生衍射，产生理想发散球面波，此为参考波前。相对于较常用的同步移相点衍射干涉仪，反射式点衍射干涉仪具有精度高、成本低等优点。但是反射式点衍射干涉仪在针孔对准过程中，点衍射板内的光线情况并不能观察到，没有有效地辅助对准工具及方法，所以完成此过程具有较大难度，通常需要大量经验的积累。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作方便、对准精度高的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置和方法。
实现本发明的技术解决方案为：一种反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，该装置包括分光膜、带有针孔的斜入射反射式点衍射板、精调成像透镜、精调光斑接收屏、粗调光点接收屏、载频干涉图探测器，其中；
待测球面波在焦点会聚之前经过分光膜分为两路会聚光波，其中反射光波会聚至粗调光点接收屏上与斜入射反射式点衍射板针孔共轭的位置，透射光波从斜入射反射式点衍射板前表面再次分为两路光波，从斜入射反射式点衍射板前表面反射的光波作为干涉测量的测试光，从斜入射反射式点衍射板前表面透射的光波再经过后表面反射后，沿原光路返回会聚至斜入射反射式点衍射板前表面针孔位置并再次分为两路光波，其中一路透过斜入射反射式点衍射板的针孔发生衍射形成标准球面波，作为干涉测量的参考光，最终与干涉测量的测试光发生干涉，在载频干涉探测器上形成干涉图，另一路经斜入射反射式点衍射板前表面反射后从斜入射反射式点衍射板后表面透射，再经过精调成像透镜，最终成像至精调光斑接收屏。
进一步地，分光膜与待测波前主光轴成45度夹角，将待测波前一分为二，透射光波会聚在斜入射反射式点衍射板内的针孔位置，粗调光点接收屏上存在一个与该针孔位置成固定关系的共轭位置，这个共轭位置正是待测波前经分光膜反射的反射光波会聚的位置。
进一步地，斜入射反射式点衍射板前表面透射的光波再经过后表面反射会聚至针孔位置后，部分光经过反射再从斜入射反射式点衍射板后表面透射，即光线对针孔照明后，最终经精调成像透镜成像至精调光斑接收屏，通过针孔的像反映出光线在斜入射反射式点衍射板内的会聚情况。
进一步地，斜入射反射式点衍射板上针孔的共轭位置在粗调光点接收屏与经分光膜反射后的球面波光轴的交点，且粗调光点接收屏到分光膜的距离d如下所示：
Figure BDA0002211815980000021
其中，l为斜入射反射式点衍射板到分光膜距离，h为斜入射反射式点衍射板的厚度，θ1为斜入射反射式点衍射板的工作角度，n为斜入射反射式点衍射板的折射率。
进一步地，所述精调成像透镜的透镜光轴与主光轴存在Y方向的偏移量Δy，其中Y轴方向为垂直于主光轴竖直方向，X轴为垂直于主光轴水平方向，偏移量Δy如下所示：
Figure BDA0002211815980000022
其中，θ1为斜入射反射式点衍射板的工作角度，n为斜入射反射式点衍射板的折射率，h为斜入射反射式点衍射板厚度。
一种基于所述反射式点衍射干涉仪针孔对准装置的反射式点衍射干涉仪针孔对准方法，将所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置进行对准及干涉测量，干涉光路集成在具有五维调整功能的调整架上，调整步骤如下：
步骤1、调整系统俯仰倾斜，使粗调光点接收屏上的椭圆光斑变为正圆；
步骤2、调整系统X,Y轴方向，使光斑移动到精调光斑接收屏参考位置处，其中Z轴为垂直于主光轴，X轴为垂直于主光轴的水平方向，Y轴方向为垂直于主光轴的竖直方向；
步骤3、调整系统的Z轴方向，使光斑在参考位置缩小，直至精调光斑接收屏上出现一个圆形光斑；
步骤4、观察精调光斑接收屏上的图像，找到针孔的像，此时微调系统的X,Y轴方向，将针孔的像移动到圆形光斑中心；
步骤5、再次微调系统的Z轴方向，使针孔的像相对于圆形光斑变大，至精调光斑接收屏上出现低频干涉图，此时代表光线已汇聚至针孔，已完成针孔的精确对准；
步骤6、此时载频干涉图探测器得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图；用干涉图恢复波前相位，对干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣然后进行傅里叶逆变换即可恢复波前相。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)大幅降低了针孔对准的难度，为操作者提供了对准的辅助信息；(2)提高了对准精度，从而使载频干涉图对比度提高。
附图说明
图1是本发明反射式点衍射干涉仪真空对准装置的结构图及坐标轴方向示意。
图2是本发明中粗调光点接收屏上针孔共轭位置示意图。
图3是本发明中精调成像镜头光轴与主光轴偏移量示意图。
图4是本发明基于的斜入射反射式点衍射板示意图，其中(a)为正视图，(b)为剖视图。
图5是本发明中针孔对准方法流程图。
图6是本发明中五维调整架示意图。
具体实施方式
本发明反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，将测试光焦点快速调整至反射式点衍射板针孔位置，实现反射式点衍射干涉仪的快速对准，该装置包括分光膜1、带有针孔的斜入射反射式点衍射板2、精调成像透镜3、精调光斑接收屏4、粗调光点接收屏5、载频干涉图探测器6，其中；
待测球面波在焦点会聚之前经过分光膜1分为两路会聚光波，其中反射光波会聚至粗调光点接收屏5上与斜入射反射式点衍射板2针孔共轭的位置，透射光波从斜入射反射式点衍射板2前表面再次分为两路光波，从斜入射反射式点衍射板2前表面反射的光波作为干涉测量的测试光，从斜入射反射式点衍射板2前表面透射的光波再经过后表面反射后，沿原光路返回会聚至斜入射反射式点衍射板2前表面针孔位置并再次分为两路光波，其中一路透过斜入射反射式点衍射板2的针孔发生衍射形成标准球面波，作为干涉测量的参考光，最终与干涉测量的测试光发生干涉，在载频干涉探测器6上形成干涉图，另一路经斜入射反射式点衍射板2前表面反射后从斜入射反射式点衍射板2后表面透射，再经过精调成像透镜3，最终成像至精调光斑接收屏4。
进一步地，分光膜1与待测波前主光轴成45度夹角，将待测波前一分为二，透射光波会聚在斜入射反射式点衍射板2内的针孔位置，粗调光点接收屏5上存在一个与该针孔位置成固定关系的共轭位置，这个共轭位置正是待测波前经分光膜1反射的反射光波会聚的位置。
进一步地，斜入射反射式点衍射板2前表面透射的光波再经过后表面反射会聚至针孔位置后，部分光经过反射再从斜入射反射式点衍射板2后表面透射，即光线对针孔照明后，最终经精调成像透镜3成像至精调光斑接收屏4，通过针孔的像反映出光线在斜入射反射式点衍射板2内的会聚情况。
进一步地，斜入射反射式点衍射板2上针孔的共轭位置在粗调光点接收屏5与经分光膜1反射后的球面波光轴的交点，且粗调光点接收屏5到分光膜1的距离d如下所示：
Figure BDA0002211815980000041
其中，l为斜入射反射式点衍射板2到分光膜1距离，h为斜入射反射式点衍射板2的厚度，θ1为斜入射反射式点衍射板2的工作角度，n为斜入射反射式点衍射板2的折射率。
进一步地，所述精调成像透镜3的透镜光轴与主光轴存在Y方向的偏移量Δy，其中Y轴方向为垂直于主光轴竖直方向，X轴为垂直于主光轴水平方向，具体如图1中的坐标系，偏移量Δy如下所示：
Figure BDA0002211815980000042
其中，θ1为斜入射反射式点衍射板2的工作角度，n为斜入射反射式点衍射板2的折射率，h为斜入射反射式点衍射板2厚度。
一种基于所述反射式点衍射干涉仪针孔对准装置的反射式点衍射干涉仪针孔对准方法，将所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置进行对准及干涉测量，干涉光路集成在具有五维调整功能的调整架上，调整架结构及方向图如图6，调整步骤如下：
步骤1、调整系统俯仰倾斜，使粗调光点接收屏5上的椭圆光斑变为正圆；
步骤2、调整系统X,Y轴方向，使光斑移动到精调光斑接收屏4参考位置处，其中Z轴为垂直于主光轴，X轴为垂直于主光轴的水平方向，Y轴方向为垂直于主光轴的竖直方向；
步骤3、调整系统的Z轴方向，使光斑在参考位置缩小，直至精调光斑接收屏4上出现一个圆形光斑；
步骤4、观察精调光斑接收屏4上的图像，找到针孔的像，此时微调系统的X,Y轴方向，将针孔的像移动到圆形光斑中心；
步骤5、再次微调系统的Z轴方向，使针孔的像相对于圆形光斑变大，至精调光斑接收屏4上出现低频干涉图，此时代表光线已汇聚至针孔，已完成针孔的精确对准；
步骤6、此时载频干涉图探测器6得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图；用干涉图恢复波前相位，对干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣然后进行傅里叶逆变换即可恢复波前相。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
结合图1、图4(a)～(b)，待测波前完全聚焦至焦点之前，被分光膜1分为两路，分光膜1与主光轴成45度角，所以透射光与反射光光轴互相垂直，反射光波会聚至粗调光点接收屏5上针孔的共轭位置，透射光从斜入射反射式点衍射板2前表面再次分为两路光波，从点衍射板前表面反射的光波作为干涉测量的测试光，从点衍射板前表面透射的光波再经过后表面反射后会聚至针孔位置，再次分为两路光波，其中一路透过针孔发生衍射形成标准球面波，作为干涉测量的参考光，最终与测试光发生干涉，在载频干涉图探测器6上形成干涉图，另一路经反射后从点衍射板后表面透射，再经过精调成像透镜3，最终成像至精调光斑接收屏4。
结合图2，分光膜2与主光轴成45度夹角，将待测波前一分为二，透射光波会聚在点衍射板内的位置与粗调光点接收屏上反射光波会聚的位置共轭。
进一步地，针孔P1在粗调光点接收屏上的共轭位置即参考点的位置，应位于粗调光点接收屏与经分光膜2反射后的球面波光轴的交点P2，且接收屏到分光膜的距离d如下所示：
Figure BDA0002211815980000051
其中，l为点衍射板到分光膜距离，h为点衍射板厚度，θ1为点衍射板的工作角度，n为点衍射板折射率。
结合图3，点衍射板前表面透射的光波再经过后表面反射会聚至针孔位置后，部分光波经过反射再从点衍射板后表面透射，此过程可看做光线对针孔照明后，最终经精调成像透镜成像至精调光斑接收屏，通过针孔的像直观反映出光线在点衍射板内的会聚情况。
由于光线在点衍射板内反射了两次，所以所述的精调成像透镜的光轴位置应与主光轴在Y方向有一定的微小偏移量，如下所示：
Figure BDA0002211815980000061
其中，h为点衍射板厚度，θ1为点衍射板工作角度，n为点衍射板折射率。
结合图5、图1，所述的反射式点衍射干涉仪的对准方法及测量，图1中虚线框内的干涉光路集成在具有五维调整功能的调整架上，调整步骤如下：
(1)调整系统俯仰倾斜，使粗调光点接收屏上的椭圆光斑变为正圆。
(2)调整系统X,Y轴方向，使光斑移动到粗调光点接受屏参考位置处。
(3)调整系统的Z轴方向，使光斑在参考位置缩小，直至精调光斑接收屏上上出现一个圆形光斑。
(4)观察精调光斑接收屏上的图像，找到针孔的像，此时微调系统的X,Y轴方向，将针孔的像移动到圆形光斑中心。
(5)再次微调系统的Z轴方向，使针孔的像相对于圆形光斑变大，至精调光斑接收屏上出现低频干涉图，此时代表光线已汇聚至针孔，已完成针孔的精确对准。
(6)此时载频干涉图探测器得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图；用干涉图恢复波前相位，对干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣然后进行傅里叶逆变换即可恢复波前相。
综上所述，本发明反射式点衍射干涉仪针孔对准装置和方法，利用简单的光路结构将点衍射板内光线会聚的情况直接反映给操作者，为实验操作者提供了调整方向的信息，大大降低了针孔对准的难度，提高了最准精度，从而提高了反射式点衍射干涉仪的测量精度。

Claims (6)

1.一种反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，其特征在于，该装置包括分光膜(1)、带有针孔的斜入射反射式点衍射板(2)、精调成像透镜(3)、精调光斑接收屏(4)、粗调光点接收屏(5)、载频干涉图探测器(6)，其中；
待测球面波在焦点会聚之前经过分光膜(1)分为两路会聚光波，其中反射光波会聚至粗调光点接收屏(5)上与斜入射反射式点衍射板(2)针孔共轭的位置，透射光波从斜入射反射式点衍射板(2)前表面再次分为两路光波，从斜入射反射式点衍射板(2)前表面反射的光波作为干涉测量的测试光，从斜入射反射式点衍射板(2)前表面透射的光波再经过后表面反射后，沿原光路返回会聚至斜入射反射式点衍射板(2)前表面针孔位置并再次分为两路光波，其中一路透过斜入射反射式点衍射板(2)的针孔发生衍射形成标准球面波，作为干涉测量的参考光，最终与干涉测量的测试光发生干涉，在载频干涉探测器(6)上形成干涉图，另一路经斜入射反射式点衍射板(2)前表面反射后从斜入射反射式点衍射板(2)后表面透射，再经过精调成像透镜(3)，最终成像至精调光斑接收屏(4)。
2.根据权利要求1所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，其特征在于，分光膜(1)与待测波前主光轴成45度夹角，将待测波前一分为二，透射光波会聚在斜入射反射式点衍射板(2)内的针孔位置，粗调光点接收屏(5)上存在一个与该针孔位置成固定关系的共轭位置，这个共轭位置正是待测波前经分光膜(1)反射的反射光波会聚的位置。
3.根据权利要求1所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，其特征在于，斜入射反射式点衍射板(2)前表面透射的光波再经过后表面反射会聚至针孔位置后，部分光经过反射再从斜入射反射式点衍射板(2)后表面透射，即光线对针孔照明后，最终经精调成像透镜(3)成像至精调光斑接收屏(4)，通过针孔的像反映出光线在斜入射反射式点衍射板(2)内的会聚情况。
4.根据权利要求2所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，其特征在于，斜入射反射式点衍射板(2)上针孔的共轭位置在粗调光点接收屏(5)与经分光膜(1)反射后的球面波光轴的交点，且粗调光点接收屏(5)到分光膜(1)的距离d如下所示：
Figure FDA0002211815970000011
其中，l为斜入射反射式点衍射板(2)到分光膜(1)距离，h为斜入射反射式点衍射板(2)的厚度，θ1为斜入射反射式点衍射板(2)的工作角度，n为斜入射反射式点衍射板(2)的折射率。
5.根据权利要求3所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置，其特征在于，所述精调成像透镜(3)的透镜光轴与主光轴存在Y方向的偏移量Δy，其中Y轴方向为垂直于主光轴竖直方向，X轴为垂直于主光轴水平方向，偏移量Δy如下所示：
其中，θ1为斜入射反射式点衍射板(2)的工作角度，n为斜入射反射式点衍射板(2)的折射率，h为斜入射反射式点衍射板(2)厚度。
6.一种基于权利要求1所述反射式点衍射干涉仪针孔对准装置的反射式点衍射干涉仪针孔对准方法，其特征在于，将所述的反射式点衍射干涉仪针孔对准装置进行对准及干涉测量，干涉光路集成在具有五维调整功能的调整架上，调整步骤如下：
步骤1、调整系统俯仰倾斜，使粗调光点接收屏(5)上的椭圆光斑变为正圆；
步骤2、调整系统X,Y轴方向，使光斑移动到精调光斑接收屏(4)参考位置处，其中Z轴为垂直于主光轴，X轴为垂直于主光轴的水平方向，Y轴方向为垂直于主光轴的竖直方向；
步骤3、调整系统的Z轴方向，使光斑在参考位置缩小，直至精调光斑接收屏(4)上出现一个圆形光斑；
步骤4、观察精调光斑接收屏(4)上的图像，找到针孔的像，此时微调系统的X,Y轴方向，将针孔的像移动到圆形光斑中心；
步骤5、再次微调系统的Z轴方向，使针孔的像相对于圆形光斑变大，至精调光斑接收屏(4)上出现低频干涉图，此时代表光线已汇聚至针孔，已完成针孔的精确对准；
步骤6、此时载频干涉图探测器(6)得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图；用干涉图恢复波前相位，对干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣然后进行傅里叶逆变换即可恢复波前相。
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