CN112710455A - 一种同时测量光学元件反射透射畸变差的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种同时测量光学元件反射透射畸变差的方法及装置，探测光源入射至第一半透半反镜，第一半透半反镜与待测样品平行，经第一半透半反镜透射出的透射光作为探测光，探测光入射至待测样品，经过待测样品后分为反射光和透射光，反射光和透射光其对应的光路分别称之为反射臂和透射臂，透射臂上的光束经第一光程差调节机构、第一反射镜后入射到第二半透半反镜；反射臂上的光束经第三半透半反镜反射出的光束入射到第二半透半反镜，与入射到第二半透半反镜上的透射臂上的光束干涉，由第一相机采集成像为干涉条纹。本发明可实时在线定量反推强光光学元件前后表面的形变，结果准确，并且可以利用单个相机测量透射光和反射光之间的光程差。

Description

一种同时测量光学元件反射透射畸变差的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种同时测量光学元件反射透射畸变差的方法及装置。

背景技术

在高能激光系统中，光学元件的表面由于热应力或者其它形式应力的作用会发生形变，从而导致激光波前的畸变。对于同一个光学元件，经过它的反射光和透射光由于其表面形变而导致的波前畸变差别较大，甚至畸变符号相反，称这一差别为光学元件的透射/反射波前畸变差。根据光学元件材料、工艺、晶向、夹持方式和入射光参数的不同，透射/反射波前畸变差将呈现出不同的特点和演化趋势。

校正高能激光系统中的透射/反射波前畸变差对于在高能激光系统中保持光束质量具有极为重要的意义。在单一波长的高能激光系统中，通常采用自适应光学系统校正光学元件热变形。常见的自适应光学校正技术原理如图1所示，由图1左侧入射的激光带有内光路造成的波前畸变。图中DM为变形镜，TM为高反镜，BS为分光镜，经过分光镜BS的激光中有小部分透过分光镜BS后由哈特曼波前传感器HS接收，并测量波前畸变。哈特曼波前传感器HS测量得到波前畸变后实时反馈给变形镜DM，并完成波前校正。其中，准确测量波前畸变是进行有效校正的前提条件。在该系统中，哈特曼波前传感器HS测量得到的畸变中包含了分光镜BS的透射畸变，但是实际光路中包含的是分光镜BS的反射畸变，两者存在一定的差别。

在分色光谱合成的高能激光系统中，分色镜承受很高的激光负载，合束光束中某些波长的激光叠加了分色镜的反射畸变，另一些波长的激光叠加了透射畸变，若反射畸变和透射畸变差异较大，合束光束将无法进行有效的波面校正。因此，准确测量分色片上反射畸变与透射畸变的差异也是分色光谱合成中的重要问题。

透射/反射波前畸变差与多种因素有关，准确测量十分具有挑战性。目前的测量方法是在反射光路和透射光路中分别加入波前传感器，分别测量反射光与透射光的波前畸变。这种测量方式存在两个主要问题，一是会在强光发射光路上引入更多的光学元件，提高系统的复杂度，增加了系统误差；二是两台不同的哈特曼传感器之间由于标定的不同会引入额外的误差，导致测量结果不准确。由于类似的原因，利用一台哈特曼传感器在不同时段分别测量反射和透射波前畸变也会影响测量的精度。

基于此，如何准确测量透射/反射波前畸变差是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种同时测量光学元件反射透射畸变差的方法及装置。本发明可实时在线定量反推强光光学元件前后表面的形变，结果准确，并且可以利用单个相机同时测量光学元件透射光与反射光波前畸变，透射光和反射光之间的光程差。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，包括探测光源、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第一光程差调节机构、第一反射镜和第一相机；

探测光源以45°的入射角入射至第一半透半反镜，第一半透半反镜与待测样品平行，经第一半透半反镜透射出的透射光作为探测光，探测光以45°的入射角入射至待测样品，经过待测样品后又分为反射光和透射光两路光束，反射光和透射光其对应的光路分别称之为反射臂和透射臂，透射臂上依次设置有第一光程差调节机构、第一反射镜以及第二半透半反镜，透射臂上的光束经第一光程差调节机构、第一反射镜后入射到第二半透半反镜；反射臂上的光束经第三半透半反镜反射出的光束入射到第二半透半反镜，与入射到第二半透半反镜上的透射臂上的光束干涉，所形成的第一干涉光由第一相机采集成像为干涉条纹。

待测样品即待测光学元件，其可以为前、后表面均为平面的光学元件如平面镜，也可为前、后表面并非平面的光学元件如球面镜。

对于前、后表面并非平面的光学元件如球面镜，可以在反射臂与透射臂加入对应的光束调整机构（如准直透镜等），将之整形为平行光之后再进行后续的干涉测量步骤。具体地，本发明还包括第一准直单元和第二准直单元，第一准直单元设置在第一反射镜和第二半透半反镜之间，用于将透射臂上的光束整形为平行光。第二准直单元设置在反射臂的待测样品和第三半透半反镜之间，用于将反射臂上的光束整形为平行光。

当待测样品没有强光光源照射时，待测样品表面没有形变，透射臂和反射臂上的光束均不带有形变导致的额外光程差，由第一相机采集成像的干涉条纹上不存在变形；当待测样品有强光光源照射，待测样品表面存在形变时，透射臂上的光束将同时带有待测样品前、后表面的形变信息，反射臂上的光束将带有待测样品前表面的形变信息，两者经过第一相机采集成像的干涉条纹对应位置将会出现偏离圆形的光斑图案，通过第一光程差调节机构，可以得到偏离圆形的光斑图案对应位置处的干涉条纹级次信息，由此可以计算出待测样品前后表面对应位置处的形变量差别即透射光与反射光波前畸变差。

进一步地，还包括第二光程差调节机构、第二反射镜、第四半透半反镜和第二相机，经第一半透半反镜反射出的反射光作为参考光，参考光的光路称为参考臂，参考臂上依次设置有第二光程差调节机构、第二反射镜以及第四半透半反镜，参考光经第二光程差调节机构、第二反射镜后入射到第四半透半反镜，反射臂上的光束经第三半透半反镜透射出的光束入射到第四半透半反镜上，与入射到第四半透半反镜上参考臂上的参考光干涉，所形成的第二干涉光由第二相机采集成像为干涉条纹。由于参考臂不带有形变信息，反射臂与参考臂干涉后在第二相机焦平面形成的干涉条纹将反映出待测样品前表面的形变信息，通过第二光程差调节机构，可定量得到光斑对应位置处的形变量。综合第一相机与第二相机得到的信息，即可同时测量待测样品前后表面的形变量。

对于前后表面不为平面的光学元件如球面镜，由于准直单元带来的光程差固定，可以在加载强光光源之前通过标定消除。同时，对反射臂和参考臂之间光程差的测量可以替换为对透射臂和参考臂之间光程差的测量。这些改变都不会影响系统功能的实现。

进一步地，还包括吹气装置，吹气装置设置在待测样品的一侧，通过吹气装置产生的气流抑制待测样品表面附近的湍流，削弱湍流对光程差的影响，减小误差。

进一步地，探测光源选取待测样品可透过的单频激光，可以提高干涉条纹对比度，保证测量精度。

同时测量光学元件反射透射畸变差的方法，包括：

（1）搭建上述任一种同时测量光学元件反射透射畸变差的装置；

（2）在没有强光光源照射待测样品的情况下，完成装置的标定；

通过第一光程差调节机构调节反射臂和透射臂之间的光程差，使其两臂之间的光程差在设定的范围内；

通过第二光程差调节机构调节参考臂和反射臂之间的光程差，使其两臂之间的光程差在设定的范围内；

光路调节完毕后，通过第一相机和第二相机采集干涉图像，所采集到的干涉图像携带了整个装置中固有的光程差信息，作为后续测量的参考图像。标定完成后，装置中的所有元件应保持不再移动，直至测量完成。

（3）对待测样品加载强光光源，测量光学元件透射光与反射光波前畸变；

强光光源照射待测样品，实时监测第一相机和第二相机采集到的图像；实时比较采集到的图像与参考图像的差别，根据相机拍摄的干涉条纹光斑计算出待测样品前后表面对应位置处的形变量差别即透射光与反射光波前畸变差。

如果只需要测量透过光学元件的透射光与反射光的差别，在搭建光路时可去掉参考臂，仅保留反射臂和透射臂，利用一台相机即可完成测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 本发明提供的测量装置可以实时在线测量光学元件前后表面的形变情况，并且不存在标定不一致等问题，准确度较高。

2. 本发明提供的测量装置可用单个相机同时直接测量出光学元件透射光与反射光的光程差别即透射光与反射光波前畸变差，结构简单紧凑。

3. 本发明提供的装置及方法可实时在线测量光学元件前后表面的形变情况，并且不存在标定不一致等问题，准确度较高，同时可用单个相机直接测量光学元件透射光与反射光的光程差别，结构简单紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是常见自适应校正的基本原理图；

图2是待测样品为平面镜的原理图；

图3是待测样品为球面镜的原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

参照图2，本实施例提供一种同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，包括探测光源P2、第一半透半反镜S1、第二半透半反镜S2、第三半透半反镜S3、第一光程差调节机构L1、第一反射镜M1和第一相机C1。

探测光源P2以45°的入射角入射至第一半透半反镜S1，第一半透半反镜S1与待测样品T平行，本实施例中待测样品T为前后表面均为平面的平面镜。经第一半透半反镜S1透射出的透射光作为探测光，探测光以45°的入射角入射至待测样品T，经过待测样品T后又分为反射光和透射光两路光束，反射光和透射光其对应的光路分别称之为反射臂和透射臂，透射臂上依次设置有第一光程差调节机构L1、第一反射镜M1以及第二半透半反镜S2，透射臂上的光束经第一光程差调节机构L1、第一反射镜M1后入射到第二半透半反镜S2；反射臂上的光束经第三半透半反镜S3反射出的光束入射到第二半透半反镜S2，与入射到第二半透半反镜S2上的透射臂上的光束干涉，所形成的第一干涉光由第一相机C1采集成像为干涉条纹。

进一步地，如图2所示，同时测量光学元件反射透射畸变差的装置还包括第二光程差调节机构L2、第二反射镜M2、第四半透半反镜S4和第二相机C2，经第一半透半反镜S1反射出的反射光作为参考光，参考光的光路称为参考臂，参考臂上依次设置有第二光程差调节机构L2、第二反射镜M2以及第四半透半反镜S4，参考光经第二光程差调节机构L2、第二反射镜M2后入射到第四半透半反镜S4，反射臂上的光束经第三半透半反镜S3透射出的光束入射到第四半透半反镜S4上，与入射到第四半透半反镜S4上参考臂上的参考光干涉，所形成的第二干涉光由第二相机C2采集成像为干涉条纹。由于参考臂不带有形变信息，反射臂与参考臂干涉后在第二相机焦平面形成的干涉条纹将反映出待测样品前表面的形变信息，通过第二光程差调节机构，可定量得到光斑对应位置处的形变量。综合第一相机与第二相机得到的信息，即可同时测量待测样品前后表面的形变量；

进一步地，还包括吹气装置B，吹气装置B设置在待测样品T的一侧，通过吹气装置B产生的气流抑制待测样品表面附近的湍流，削弱湍流对光程差的影响，减小误差。

进一步地，探测光源选取待测样品可透过的单频激光，可以提高干涉条纹对比度，保证测量精度。

进一步地，第一光程差调节机构以及第二光程差调节机构，可由反射镜、角锥或道威棱镜等元件构成，用来调节光程差零点和改变光程。

参照图3，本发明一实施例提供一种同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，包括探测光源P2、第一准直单元Z1、第二准直单元Z2、第一半透半反镜S1、第二半透半反镜S2、第三半透半反镜S3、第一光程差调节机构L1、第一反射镜M1和第一相机C1。

探测光源P2以45°的入射角入射至第一半透半反镜S1，第一半透半反镜S1与待测样品T平行，本实施例中待测样品T为前后表面并非平面的球面镜。经第一半透半反镜S1透射出的透射光作为探测光，探测光以45°的入射角入射至待测样品T，经过待测样品T后又分为反射光和透射光两路光束，反射光和透射光其对应的光路分别称之为反射臂和透射臂，透射臂上依次设置有第一光程差调节机构L1、第一反射镜M1、第一准直单元Z1以及第二半透半反镜S2，透射臂上的光束经第一光程差调节机构L1、第一反射镜M1、第一准直单元Z1后入射到第二半透半反镜S2；反射臂上的光束经第三半透半反镜S3反射出的光束入射到第二准直单元Z2进行准直，准直为平行光后入射至第二半透半反镜S2，与入射到第二半透半反镜S2上的透射臂上的光束干涉，所形成的第一干涉光由第一相机C1采集成像为干涉条纹。

进一步地，如图3所示，同时测量光学元件反射透射畸变差的装置还包括第二光程差调节机构L2、第二反射镜M2、第四半透半反镜S4和第二相机C2，经第一半透半反镜S1反射出的反射光作为参考光，参考光的光路称为参考臂，参考臂上依次设置有第二光程差调节机构L2、第二反射镜M2以及第四半透半反镜S4，参考光经第二光程差调节机构L2、第二反射镜M2后入射到第四半透半反镜S4，反射臂上的光束经第三半透半反镜S3透射出的光束入射到第四半透半反镜S4上，与入射到第四半透半反镜S4上参考臂上的参考光干涉，所形成的第二干涉光由第二相机C2采集成像为干涉条纹。由于参考臂不带有形变信息，反射臂与参考臂干涉后在第二相机焦平面形成的干涉条纹将反映出待测样品前表面的形变信息，通过第二光程差调节机构，可定量得到光斑对应位置处的形变量。综合第一相机与第二相机得到的信息，即可同时测量待测样品前后表面的形变量；

对于前、后表面并非平面的光学元件如球面镜，可以在反射臂与透射臂加入对应的光束调整机构（如准直透镜等），将之整形为平行光之后再进行后续的干涉测量步骤。图3所示实施例中，第一准直单元Z1设置在第一反射镜和第二半透半反镜之间，用于将透射臂上的光束整形为平行光。第二准直单元Z2设置在反射臂的待测样品和第三半透半反镜之间，用于将反射臂上的光束整形为平行光。准直单元即准直器。

进一步地，图3所示实施例中，还包括吹气装置B，吹气装置B设置在待测样品T的一侧，通过吹气装置B产生的气流抑制待测样品表面附近的湍流，削弱湍流对光程差的影响，减小误差。

进一步地，图3所示实施例中，探测光源选取待测样品可透过的单频激光，可以提高干涉条纹对比度，保证测量精度。

进一步地，图3所示实施例中，第一光程差调节机构以及第二光程差调节机构，可由反射镜、角锥或道威棱镜等元件构成，用来调节光程差零点和改变光程。

在实施测量之前应准备好必要的实验器材。探测光应选取可以透过待测样品T的波长。在本发明一具体实施例中，探测光可以选择谱线宽度较窄的He-Ne激光，以达到更高的测量精度。本发明采用的各半透半反镜的透反特性应根据待测样品T对探测光的透反特性进行设计，尽量保证形成干涉的两束光强度基本相等，提高探测的信噪比，必要时可在对应光路中加入光强衰减装置来达成此目的。

在本发明一具体实施例中，在透射臂加入光强衰减装置，衰减倍率约为0.05，确保两臂的光强基本相等。整个测量空间应减小空气流动和震动。测试所用的相机应选取角分辨率和帧频较高的型号，并匹配探测光的光斑大小。整个测量过程中应注意强光的防护。

环境与器材准备完成后可以实时测量。首先按照图2或图3搭建光路。在正式测量之前，应在不加强光的条件下即在没有强光光源照射待测样品的情况下，完成装置的标定。

通过光程差标定装置L1调节反射臂和透射臂之间的光程差，由于He-Ne激光的线宽很窄，时间相干性好，所以两臂之间的光程差不用调节至相等，只要在一定的范围之内即可。如果探测光源的时间相干性有限，则需要根据形成的干涉条纹质量，调节两臂之间的光程差至近似相等。对于参考臂和反射臂之间的干涉，需利用光程差调节装置L2，按照同样方法进行调节，即通过第二光程差调节机构调节参考臂和反射臂之间的光程差，使其两臂之间的光程差在设定的范围内。如果待测样品T为非平面光学元件，则需要在光路中加入对应的光束整形装置，将发生干涉前的参考光、反射光和透射光整形成大小相等的平行光束。

光路调节完毕后，通过第一相机C1和第二相机C2采集干涉图像，所采集到的干涉图像携带了整个光路中固有的光程差信息，可作为后续测量的参考图像。标定完成后，光路中的所有元件应保持不再移动，直至测试完成。

测试开始后，在光学元件表面加载强光光源，并实时监测相机C1和C2采集到的图像。通过预先编写的数据处理程序，可以实时比较采集到的图像与参考图像的差别，根据相机拍摄的干涉条纹光斑计算出待测样品前后表面对应位置处的形变量差别即透射光与反射光波前畸变差。

如果只需要测量透过光学元件的透射光与反射光的差别，在搭建光路时可去掉参考臂，仅保留反射臂和透射臂，利用一台相机即可完成测量。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：包括探测光源、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第一光程差调节机构、第一反射镜和第一相机；

探测光源入射至第一半透半反镜，第一半透半反镜与待测样品平行，经第一半透半反镜透射出的透射光作为探测光，探测光以45°的入射角入射至待测样品，经过待测样品后又分为反射光和透射光两路光束，反射光和透射光其对应的光路分别称之为反射臂和透射臂，透射臂上依次设置有第一光程差调节机构、第一反射镜以及第二半透半反镜，透射臂上的光束经第一光程差调节机构、第一反射镜后入射到第二半透半反镜；反射臂上的光束经第三半透半反镜反射出的光束入射到第二半透半反镜，与入射到第二半透半反镜上的透射臂上的光束干涉，所形成的第一干涉光由第一相机采集成像为干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：探测光源以45°的入射角入射至第一半透半反镜。

3.根据权利要求2所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：待测样品为前、后表面均为平面的平面镜。

4.根据权利要求2所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：待测样品为前、后表面并非平面的球面镜。

5.根据权利要求4所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：还包括第一准直单元和第二准直单元，第一准直单元设置在第一反射镜和第二半透半反镜之间，用于将透射臂上的光束整形为平行光；第二准直单元设置在反射臂的待测样品和第三半透半反镜之间，用于将反射臂上的光束整形为平行光。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：当待测样品没有强光光源照射时，待测样品表面没有形变，透射臂和反射臂上的光束均不带有形变导致的额外光程差，由第一相机采集成像的干涉条纹上不存在变形；当待测样品有强光光源照射，待测样品表面存在形变时，透射臂上的光束将同时带有待测样品前、后表面的形变信息，反射臂上的光束将带有待测样品前表面的形变信息，两者经过第一相机采集成像的干涉条纹对应位置将会出现偏离圆形的光斑图案，通过第一光程差调节机构，得到偏离圆形的光斑图案对应位置处的干涉条纹级次信息，由此计算出待测样品前后表面对应位置处的形变量差别。

7.根据权利要求6所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：还包括第二光程差调节机构、第二反射镜、第四半透半反镜和第二相机，经第一半透半反镜反射出的反射光作为参考光，参考光的光路称为参考臂，参考臂上依次设置有第二光程差调节机构、第二反射镜以及第四半透半反镜，参考光经第二光程差调节机构、第二反射镜后入射到第四半透半反镜，反射臂上的光束经第三半透半反镜透射出的光束入射到第四半透半反镜上，与入射到第四半透半反镜上参考臂上的参考光干涉，所形成的第二干涉光由第二相机采集成像为干涉条纹。

8.根据权利要求7所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：由于参考臂不带有形变信息，反射臂与参考臂干涉后在第二相机焦平面形成的干涉条纹将反映出待测样品前表面的形变信息，通过第二光程差调节机构，定量得到光斑对应位置处的形变量；综合第一相机与第二相机得到的信息，同时测量待测样品前后表面的形变量。

9.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置，其特征在于：还包括吹气装置，吹气装置设置在待测样品的一侧，通过吹气装置产生的气流抑制待测样品表面附近的湍流。

10.同时测量光学元件反射透射畸变差的方法，其特征在于，包括：

（1）搭建权利要求1、2、3、4、5或7所述的同时测量光学元件反射透射畸变差的装置；

（2）在没有强光光源照射待测样品的情况下，完成装置的标定；

通过第一光程差调节机构调节反射臂和透射臂之间的光程差，使其两臂之间的光程差在设定的范围内；

通过第二光程差调节机构调节参考臂和反射臂之间的光程差，使其两臂之间的光程差在设定的范围内；

光路调节完毕后，通过第一相机和第二相机采集干涉图像，所采集到的干涉图像携带了整个装置中固有的光程差信息，作为后续测量的参考图像；

（3）对待测样品加载强光光源，测量光学元件透射光与反射光波前畸变；

强光光源照射待测样品，实时监测第一相机和第二相机采集到的图像；实时比较采集到的图像与参考图像的差别，根据相机拍摄的干涉条纹光斑计算出待测样品前后表面对应位置处的形变量差别。

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