CN111290116A - 一种动态曲面波前发生装置 - Google Patents

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张�浩
陈好
王询
贾静
孟庆安
蒋泽伟
樊红英
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Abstract

本发明公开了一种动态曲面波前发生装置，大口径准直光经望远系统缩束，再通过起偏器后形成线偏振光，线偏振光经分光镜后由纯相位反射式液晶空间光调制器对激光波前进行调制，液晶空间光调制器调制产生除球面项外其他模式像差波前；由液晶空间光调制器反射回的调制光，被分光镜反射后通过可调焦望远镜，可调焦望远镜的主镜安装在电动位移台上，电动位移台带动主镜移动产生不同离焦量，不同离焦量对应出射波前不同曲率半径，电动位移台产生的离焦量由接触式位移传感器读出，经可调焦望远镜后激光波前具有不同曲率半径；结合液晶空间光调制器调制和可调焦望远镜调制，最终产生特定分布的曲面波前。本发明利用率高、应用范围广。

Description

一种动态曲面波前发生装置
技术领域
本发明属于光学测量及计量技术领域，涉及一种动态曲面波前发生装置。
背景技术
激光波前为光波在某一位置处等相位面组成的曲面，是光学计量检测领域核心物理量，利用波前探测、分析技术可完成对面形、大气湍流、温度分布等众多物理化学量的精确检测。激光波前的重要性推动了波前探测传感方法的发展，目前激光波前传感方法从测量原理上主要分为两类：一类使用干涉原理测量波前不同部分的干涉性，从而获取波前畸变信息，典型的有横向剪切干涉仪和径向剪切干涉仪；另一类是基于几何光学原理，探测波前几何像差或者面型误差来获取畸变信息，典型的有夏克-哈特曼波前传感器，棱锥波前传感器和曲率波前传感器。
实现不同类型、不同型号波前探测仪溯源及量值统一的主要技术途径为比对测量标准像差波前，用待测仪器测量标准固定像差波前，通过比对测量值与标准值完成仪器修正与性能评定。现有波前发生装置主要为像差板，像差板为面形不规则的光学玻璃平板，能产生丰富像差模式波前的像差板加工难度较大，成品率低，一块像差板只能给出分布、量值确定的静态透射波前，并且波前畸变幅值难以做大。
目前对波前进行动态调制的器件主要有液晶空间光调制器、变形镜等，受制于工作原理，器件口径有限且波前调制能力有限，难以调制产生短曲率半径曲面波前。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对现有曲面波前发生器件/装置只能产生小量程、静态曲面像差波前的不足之处，提供一种通光口径大于60mm，波前RMS值产生范围为0～22μm，波前曲率半径产生范围为5m～∞，动态可调的曲面波前发生装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种动态曲面波前发生装置，其包括：望远系统1、起偏器2、分光镜3、液晶空间光调制器4、可调焦望远镜5、电动位移台6和接触式位移传感器7；大口径准直光经望远系统1缩束，再通过起偏器2后形成线偏振光，线偏振光经分光镜3后由纯相位反射式液晶空间光调制器4对激光波前进行调制，液晶空间光调制器4调制产生除球面项外其他模式像差波前；由液晶空间光调制器4反射回的调制光，被分光镜3反射后通过可调焦望远镜5，可调焦望远镜5的主镜安装在电动位移台6上，电动位移台6带动主镜移动产生不同离焦量，不同离焦量对应出射波前不同曲率半径，电动位移台6产生的离焦量由接触式位移传感器7读出，经可调焦望远镜5后激光波前具有不同曲率半径；结合液晶空间光调制器4调制和可调焦望远镜5调制，最终产生特定分布的曲面波前。
其中，还包括：多块45度全反射镜8，分别布置在望远系统1入光侧、可调焦望远镜5的主镜入光侧和可调焦望远镜5的出光侧，实现光路转折。
其中，所述液晶空间光调制器4由像素阵列组成，对每个像素分别施加电压，外加不同电压与液晶盒对光波的位相延迟量满足关系：
Figure BDA0002322748560000021
式中：
φ——相位延迟量；
V——施加在液晶像素上的外加电压；
Vπ——位相延迟为π时对应的电压。
其中，所述液晶空间光调制器4调制波前位相时，输入图像灰度与相位延迟量满足关系：
Figure BDA0002322748560000031
式中：
φ——液晶像素对应产生的相位延迟；
G——输入调制图像灰度值。
其中，所述可调焦望远镜5对波前曲率半径调制时，曲率半径与可调焦望远镜5主镜调节距离满足关系：
Figure BDA0002322748560000032
式中：
r——产生波前曲率半径，m；
f——望远镜主镜焦距，m；
Δ——望远镜主镜相对无焦位置的移动量，m。
其中，所述望远系统1通光口径：Φ65mm；主镜焦距：274mm；次镜焦距：-34.3mm；倍率：8×。
其中，所述可调焦望远镜5的通光口径：Φ65mm；主镜焦距：400mm；次镜焦距：-50mm；倍率：8×；调焦范围：50mm。
其中，所述液晶空间光调制器4的像素数：1920×1080；像素尺寸：8.0μm；有效面积：15.36mm×8.64mm。
(三)有益效果
上述技术方案所提供动态曲面波前发生装置，采用液晶空间光调制器与可调焦望远镜相结合的波前调制技术途径，相比于像差板产生静态固定像差波前，装置可根据需要产生不同模式分布、不同模式比重的曲面波前，等同于无数块像差板效果，利用率高；另外，利用可调焦望远镜来调制波前球面项，能产生可变、短曲率半径波前，较相位调制器件调节范围大，应用范围更广。
附图说明
图1是本发明动态曲面波前发生装置原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参阅图1。在以下描述的实施例中，能够产生动态、大量程曲面波前。
本实施例动态曲面波前发生装置包括：望远系统1，起偏器2，分光镜3，纯相位反射式液晶空间光调制器4，可调焦望远镜5，电动位移台6，接触式位移传感器7，45°全反镜8。
Φ60mm口径准直光经8×望远系统1缩束为Φ7.5mm口径，Φ7.5mm缩束光再通过起偏器2后变为线偏振光，线偏振光偏振方向与纯相位反射式液晶空间光调制器4调制偏振方向一致。液晶空间光调制器的电光调制是利用液晶分子的电光效应，通过外加电场的作用来改变液晶盒的双折射效应，从而改变输出光波的位相。纯相位反射式液晶空间光调制器4由像素阵列组成，可对每个像素分别施加电压，外加不同电压与液晶盒对光波的位相延迟量满足关系：
Figure BDA0002322748560000041
式中：
Figure BDA0002322748560000042
——相位延迟量；
V——施加在液晶像素上的外加电压；
Vπ——位相延迟为π时对应的电压。
对液晶位相调制的控制，通常用灰度图来完成，设置技术协议，不同灰度等级对应不同附加电压，对入射液晶波面的调制就可采用不同灰度分布图来完成。纯相位反射式液晶空间光调制器4数字化灰度等级为256级，灰度值取值范围为0～255，灰度取值范围对应相位调制范围2π，因此输入图像灰度与相位延迟量满足关系：
Figure BDA0002322748560000051
式中：
Figure BDA0002322748560000052
——液晶像素对应产生的相位延迟；
G——输入调制图像灰度值。
根据需要，绘制不同灰度分布图，完成入射波前除球面项外的不同模式组成、不同模式比重调制。
线偏振光经纯相位反射式液晶空间光调制器4调制后被分光镜3反射，再经8×可调焦望远镜5扩束，由于倍率与望远镜系统1相同，经8×可调焦望远镜5后光束尺寸与入射准直光尺寸Φ60mm相近。可调焦望远镜5的主镜安装在电动位移台6上，电动位移台6带动主镜移动进而产生不同调焦量，不同调焦量与出射波前曲率半径值满足关系：
Figure BDA0002322748560000053
式中：
r——产生波前曲率半径，m；
f——望远镜主镜焦距，m；
Δ——望远镜主镜相对无焦位置的移动量，m。
可调焦望远镜5主镜焦距为400.8mm，由式(3)计算得到产生5m～∞曲率半径范围时主镜移动量为32mm。
电动位移台6移动量程为50mm，精确量将由接触式位移传感器7精确读出，接触式位移传感器7量程为50mm，测量分辨率为0.5μm。通过位移传感器7读数闭环控制电动位移台7产生特定调焦量，从而使出射激光波前曲率半径为要求值。
为了根本光路方向，利用3块45度全反射镜8转折光路，减小装置空间体积同时使入射光与出射光同轴。
本发明装置各分系统参数如表1所示，相比现有曲面波前发生器件/装置，具有如下有益效果。
表1动态波前发生装置分系统参数
Figure BDA0002322748560000061
相比于像差板产生静态固定像差波前，本发明可产生动态可变波前，可根据需要产生不同模式分布、不同模式比重波前，一台曲面波前发生装置等同于无数块像差板效果，利用率高，且缩短了实验中频繁更换像差板对准光路的时间。
相比于液晶、变形镜等光相位调制器件，本发明融合了空间光调制技术和球面波前调制技术，具有更大调制范围，能产生可变的较短曲率半径波前，可完成大量程波前探测仪的测试比对，应用范围更广。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种动态曲面波前发生装置，其特征在于，包括：望远系统(1)、起偏器(2)、分光镜(3)、液晶空间光调制器(4)、可调焦望远镜(5)、电动位移台(6)和接触式位移传感器(7)；大口径准直光经望远系统(1)缩束，再通过起偏器(2)后形成线偏振光，线偏振光经分光镜(3)后由纯相位反射式液晶空间光调制器(4)对激光波前进行调制，液晶空间光调制器(4)调制产生除球面项外其他模式像差波前；由液晶空间光调制器(4)反射回的调制光，被分光镜(3)反射后通过可调焦望远镜(5)，可调焦望远镜(5)的主镜安装在电动位移台(6)上，电动位移台(6)带动主镜移动产生不同离焦量，不同离焦量对应出射波前不同曲率半径，电动位移台(6)产生的离焦量由接触式位移传感器(7)读出，经可调焦望远镜(5)后激光波前具有不同曲率半径；结合液晶空间光调制器(4)调制和可调焦望远镜(5)调制，最终产生特定分布的曲面波前。
2.如权利要求1所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，还包括：多块45度全反射镜(8)，分别布置在望远系统(1)入光侧、可调焦望远镜(5)的主镜入光侧和可调焦望远镜(5)的出光侧，实现光路转折。
3.如权利要求2所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器(4)由像素阵列组成，对每个像素分别施加电压，外加不同电压与液晶盒对光波的位相延迟量满足关系：
Figure FDA0002322748550000011
式中：
Figure FDA0002322748550000012
——相位延迟量；
V——施加在液晶像素上的外加电压；
Vπ——位相延迟为π时对应的电压。
4.如权利要求3所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器(4)调制波前位相时，输入图像灰度与相位延迟量满足关系：
Figure FDA0002322748550000021
式中：
Figure FDA0002322748550000022
——液晶像素对应产生的相位延迟；
G——输入调制图像灰度值。
5.如权利要求4所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，所述可调焦望远镜(5)对波前曲率半径调制时，曲率半径与可调焦望远镜(5)主镜调节距离满足关系：
Figure FDA0002322748550000023
式中：
r——产生波前曲率半径，m；
f——望远镜主镜焦距，m；
Δ——望远镜主镜相对无焦位置的移动量，m。
6.如权利要求5所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，所述望远系统(1)通光口径：Φ65mm；主镜焦距：274mm；次镜焦距：-34.3mm；倍率：8×。
7.如权利要求6所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，所述可调焦望远镜(5)的通光口径：Φ65mm；主镜焦距：400mm；次镜焦距：-50mm；倍率：8×；调焦范围：50mm。
8.如权利要求7所述的动态曲面波前发生装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器(4)的像素数：1920×1080；像素尺寸：8.0μm；有效面积：15.36mm×8.64mm。
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