CN1421680A - 双剪切波面干涉测量仪 - Google Patents

Abstract

一种双剪切波面干涉测量仪，特别适于波差小于一个波长的波面测量。其构成包括：一块输入雅敏光学平行平板，一块输出雅敏光学平行平板，观察屏，在输入雅敏干涉仪光学平行平板和输出雅敏干涉仪光学平行平板之间有右下倾斜移位光学平板，右上倾斜移位光学平板，左下倾斜移位光学平板，左上倾斜移位光学平板。以逆时针方向为正，则右下倾斜移位光学平板的入射角为θ，输出面法线到输入面法线角度为－α；右上倾斜移位光学平板的入射角为θ，输出面法线到输入面法线角度为α；左下倾斜移位光学平板的入射角为－θ，输出面法线到输入面法线角度为α；左上倾斜移位光学平板的入射角为－θ，输出面法线到输入面法线角度为－α。本发明测量精度高，易于使用。

Description

双剪切波面干涉测量仪

技术领域：

本发明是一种双剪切波面干涉测量仪，主要用于波面的测量，特别适合于波差小于一个波长的激光波面的精密测量。

背景技术：

激光应用中经常要求发射激光光束达到高度的平行性，用于集中能量提高效率或者产生尽量小的聚焦光斑，前者如卫星之间的激光通信，激光武器等，后者如光存储等。光学衍射极限是光束受到孔径限制条件下能够达到的最小的发散度，此时光束波面只具有0.3λ左右的波面象差。波面的光学测量方法有两种：直接法和间接法。在直接法中，待测波面通过光学装置产生一个标准参考波面，待测波面与标准参考波面的干涉图能够直接反映出待测波面存在的波差。间接法是基于测量波面的变化率来估算波面本身，传统上有两种光学传感方式：一种是几何型，测量待测波面上离散取样点上的等效折射角来表达波面的变化率；另一种是剪切干涉型，通过待测波面与自身复制面的干涉的相对比较求得波面的变化率。在先技术测量大口径衍射极限光束的波面比较困难，这直接影响科学实验和国防研究，因此迫切需要一种简便易行的大口径、高精度测量系统。

在先技术[1](参见《Introduction to Wavefront Sensors》，J.M.Geary，SPIE Press，Vol.TT18，1995，Chapter4，pp53-54)中所描述的是用于直接测量法的径向剪切干涉仪，径向剪切干涉仪利用扩大的待测波面作标准参考波面与待测波面干涉，或者以待测波面作为标准参考波面与缩小的待测波面干涉，所附加的扩大或缩小光学系统的象差必须远小于待测波面的象差，对于衍射极限的波面的测量，扩大或缩小光学系统的精度要求极高，制作极困难。

在先技术[2](参见《Introduction to Wavefront Sensors》，J.M.Geary，SPIE Press，Vol.TT18，1995，Chapter 4，pp54-56)中所描述的是用于直接测量法的点衍射干涉仪，点衍射干涉仪利用小孔衍射产生标准参考波面，对于平行光的待测波面需要附加光学会聚系统，该系统的象差必须远小于待测波面的象差，对于衍射极限的波面的测量会聚光学系统的精度要求极高，制作极困难。

在先技术[3](参见《光学车间检验》[墨]D.马拉卡拉主编，机械工业出版社，1983年，第十章287-312页)中所描述的是一种利用取样光栏测量波面在取样点上的偏差的哈特曼(Hartmann)检验方式，即间接几何型，从原理上看其测量精度较低，不适合于衍射极限波面的高精度检验。

在先技术[4](参见《光学车间检验》[墨]D.马拉卡拉主编，机械工业出版社，1983年，第四章第5至第7节105-123页)中所描述的是一整类的横向剪切干涉仪，包括以雅敏干涉仪为基础的平行光横向剪切干涉装置，以迈克耳逊干涉仪为基础的平行光横向剪切干涉装置，以循环干涉仪为基础的平行光横向剪切干涉装置，以马赫-曾得尔干涉仪为基础的平行光横向剪切干涉装置，以光学平板干涉仪为基础的激光横向剪切干涉装置，剪切干涉方式比较灵敏，但是当待测波面的波差小于一个波长时，因为观察不到一对以上的条纹，是无法进行正确测量的，因此不能用于衍射极限波面的测量。

在先技术[5](参见《光学车间检验》[墨]D.马拉卡拉主编，机械工业出版社，1983年，第四章第3节94-102页)中描述的一种在横向剪切装置中引入倾斜量产生平行背景条纹的方式，这样可以测量待测波面横向剪切干涉条纹相对于理想背景条纹的移位而测定待测波面的波差，这种装置必须具有非常精确的倾斜量和背景条纹的宽度，测量精度与衍射极限波面的波差相当，因此不能正确测量衍射极限波面。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是克服上述已有技术困难，提供一种双剪切波面干涉测量仪，利用剪切干涉和差动原理，简便测量衍射极限波面。

本发明的技术解决方案如下：

一种双剪切波面干涉测量仪，其构成包括：一块输入雅敏光学平行平板，一块输出雅敏光学平行平板和观察屏，在输入雅敏干涉仪光学平行平板和输出雅敏干涉仪光学平行平板之间设置有右下倾斜移位光学平板，右上倾斜移位光学平板，左下倾斜移位光学平板，左上倾斜移位光学平板。以逆时针方向为正，则右下倾斜移位光学平板的入射角为θ，输出面法线到输入面法线角度为-α；右上倾斜移位光学平板的入射角为θ，输出面法线到输入面法线角度为α；左下倾斜移位光学平板的入射角为-θ，输出面法线到输入面法线角度为α；左上倾斜移位光学平板的入射角为-θ，输出面法线到输入面法线角度为-α。该四块倾斜移位光学平板为楔形平板，输入面和输出面的夹角为楔角α。入射角的绝对值为θ，则楔角α应满足下列关系式： $\mathrm{\α}=\frac{(N-1)\mathrm{\λ}}{2(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}}-1)(2R-2S)}$ 其中：λ为入射波长，n为平板折射率，N为观察屏7观察口径内的基本条纹数，S为光束通过倾斜移位光学平板后垂直于入射光光轴方向的位移，R为入射光束孔径半径。

所述的四块倾斜移位光学平板结构可以完全相同。输出面和输入面不平行，夹角为楔角α。此结构加工方便，利于减少材料的不均匀性带来的误差。

所述的倾斜移位光学平板的入射角θ的最佳值为30°。

所述的观察屏观察口径内的最佳基本条纹数N＝5。

所述的四块倾斜移位平板设置在输入雅敏光学平板和输出雅敏光学平板之间的最佳位置为二分之一处。

所述的倾斜移位平板的块数可以推广为2M(M≥1，且为整数)。分为左右两组，每组M层，总厚度大于等于口径直径。每一层左右两块输出面法线到输入面法线角度绝对值相同，符号相反；不同的层间输出面法线到输入面法线角度可以无关。上面所述的情况相当于M＝2。多层结构可以满足对波面判断的特殊要求。

所述的观察屏可以替代为计算机图像处理系统，由成像物镜、CCD和带分析软件的计算机组成。

光束通过倾斜移位光学平板后垂直于入射光轴方向的最佳位移S＝0.5R，其中R为入射光束孔径半径，相应的倾斜移位光学平板的厚度D由下式决定： $S=D(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})$

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明中光束通过倾斜移位平板的剖面图。其中图2-1为倾斜移位平板4的a-a剖面图；图2-2为倾斜移位平板2的b-b剖面图；图2-3为倾斜移位平板5的c-c剖面图；图2-4为倾斜移位平板3的d-d剖面图。

图3为本发明中倾斜移位平板4的结构示意图

图4为本发明观察屏内的干涉条纹示意图

具体实施方式

首先请参阅图1所示，本发明的双剪切波面干涉测量仪，包括输入雅敏干涉仪光学平行平板1，右下倾斜移位光学平板2，右上倾斜移位光学平板3，左下倾斜移位光学平板4，左上倾斜移位光学平板5，输出雅敏干涉仪光学平行平板6和观察屏7。四块倾斜移位平板为楔形平板，楔角均为α。

由观察屏7口径内观察条纹数N和希望光束通过倾斜移位光学平板后垂直于入射光光轴方向的位移S可以确定四块倾斜移位平板的楔角α。α与口径内观察条纹数N，平板折射率n，倾斜移位平板的入射角θ，入射波长λ，入射光束孔径半径R的关系为： $\mathrm{\α}=\frac{(N-1)\mathrm{\λ}}{2(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}}-1)(2R-2S)}---\left(1\right)$ 式中α为楔角，N为口径内观察条纹数，S为光束通过倾斜移位光学平板后垂直于入射光光轴方向的位移，λ为入射波长，n为平板折射率，倾斜移位平板的光束入射角θ，R为入射光束孔径半径。为便于观察，一般N＝5为最佳值。S＝0.5R为综合考虑高灵敏度和宽观察视场的最佳值。

四块倾斜移位平板可以完全相同。此结构加工方便，利于减少材料的不均匀性带来的误差。单块倾斜移位平板以倾斜移位平板4为例，如图1，图2，图3所示，左边输入，右边输出。输入面和输出面不平行，夹角为楔角α。上下平面EFGH和E′F′G′H′平行，与输入面垂直。另外两个平面EFF′E′和HGG′H′平行，与输入面不垂直，夹角为β，一般取为(90°+θ)。θ为倾斜移位平板的入射角。此结构易于安装，调节，结构紧凑。

图2-1，2-2，2-3，2-4分别为倾斜移位平板4，2，5，3的结构剖面图。

倾斜移位平板放置如下：倾斜移位平板2，3，4，5位于输入雅敏干涉仪光学平行平板1和输出雅敏干涉仪光学平行平板6之间二分之一处。以逆时针方向为正，右下倾斜移位光学平板2的输入面法线到光轴pp的角度为θ，右下倾斜移位光学平板2的输出面法线到输入面法线的角度为-α；右上倾斜移位光学平板3的输入面与光学平板2的输入面重合，右上倾斜移位光学平板3的输出面法线到输入面法线的角度为α；左下倾斜移位光学平板4的输入面法线到光轴oo的角度为-θ，左下倾斜移位光学平板4的输出面法线到输入面法线的角度为α，左上倾斜移位光学平板5的输入面与光学平板4的输入面重合，左上倾斜移位光学平板5的输出面法线到输入面法线的角度为-α。

倾斜移位光学平板的输入光束入射角θ可以调节，一般θ＝30°为最佳值。

基本原理为：待测波面斜入射于输入雅敏干涉仪光学平行平板1，一部分在其入射界面上反射(A)，另一部分折射入该平行平板并在第二个介面上反射再经过入射介面折射出(B)。A波面上下一分为二地经过右下倾斜移位光学平板2和右上倾斜移位光学平板3，两平板对于该波面产生相同的垂直于光轴pp方向的位移，并且使上半波面的光轴p′p′和下半波面的光轴p″p″相对于光轴pp具有符号不同的偏离角度，它们通过输出雅敏干涉仪光学平行平板6的内反射投射到观察屏7，B波面上下一分为二地经过左下倾斜移位光学平板4和左上倾斜移位光学平板5，两平板对于该波面产生相同的垂直于光轴oo方向的位移，并且使上半波面的光轴o′o′和下半波面的光轴o″o″相对于光轴oo具有符号不同的偏离角度，它们通过输出雅敏干涉仪光学平行平板6的入射界面反射到观察屏7。左下倾斜移位光学平板4和左上倾斜移位光学平板5所产生的位移的方向与右下倾斜移位光学平板2和右上倾斜移位光学平板3所产生的位移的方向相反。左下倾斜移位光学平板4产生的偏离角度与右下倾斜移位光学平板2产生的偏离角度符号相反，左下倾斜移位光学平板4产生的偏离角度与左上倾斜移位光学平板5产生的偏离角度符号相反，左上倾斜移位光学平板5产生的偏离角度与右上倾斜移位光学平板3产生的偏离角度符号相反。在观察屏7的两波面的重合部分产生干涉图。

入射波面经过倾斜移位光学平板2，3，4，5后，产生的垂直于光轴方向的位移S与平板折射率n、平板厚度D和入射角θ的关系如图2所示，为： $S=D(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})---\left(2\right)$ 式中S为垂直于光轴方向的位移，n为平板折射率，D为平板厚度，θ为入射角。

入射波面经过倾斜移位光学平板2，3，4，5后，产生的偏离角度的绝对值Δθ与平板折射率n，入射角θ，输入面与输出面的夹角α的关系如图2所示为： $\mathrm{\&Delta;\&theta;}=(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}}{\cos \mathrm{\&theta;}}-1)\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}<<1---\left(3\right)$ 式中Δθ为偏离角度的绝对值，α为倾斜移位光学平板的楔角。

在波面的传播方向上，经过左上倾斜移位光学平板5和右上倾斜移位光学平板3的光线间距为T₁，经过左下倾斜移位光学平板4和右下倾斜移位光学平板2的光线间距为T₂，如图4所示。

待测波面W与入射波长λ、垂直于光轴方向的位移S、入射光束孔径半径R、干涉图的上部分条纹间距T₁和干涉图的下部分条纹间距T₂的关系为： $W=\frac{\mathrm{\&lambda;}{R}^2}{4S}\frac{|T_2-T_1|}{T_1{T}_2}=\frac{\mathrm{\&lambda;}{R}^2}{4S}\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{T_1{T}_2}---\left(4\right)$ 式中T₁为干涉图的上部分条纹间距，T₂为干涉图的下部分条纹间距，ΔT为上下条纹数之差。

在先技术[1]和[2]采用直接法的径向剪切干涉仪和点衍射干涉仪测量波面，应用于测量衍射极限波面需要光学系统的象差小于待测波面的象差，这样高精度光学系统的制作极为困难。在先技术[3]采用间接几何法的哈特曼检验法，测量精度低，无法测量衍射极限波面。在先技术[4]的横向剪切干涉仪无法测量波差小于一个波长的波面。在先技术[5]采用引入倾斜量的横向剪切干涉仪，需要测量倾斜量和绝对测量背景条纹的宽度，测量精度只能与衍射极限波面的波差相当，无法测量衍射极限波面。本发明的双剪切波面测量干涉仪采用差动原理测量引入倾斜量的横向剪切干涉，不需要测量倾斜量，而只要测量相对条纹变化，精度高，可以制作大口径，测量衍射极限下的激光波面。

下面给出一个最佳实施例的具体设计参数：

待测波面孔径直径2R为50mm，波长λ为800nm。两块雅敏干涉仪光学平板长200mm，宽95mm，厚60mm，折射率为1.50959。四块倾斜移位光学平板长90mm，宽35mm，厚D为30mm，折射率n为1.50959，楔角α为17″。全口径观察条纹数目N为5条纹，测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

参照图2-1，倾斜移位平板4楔角α为17″，EF平行于GH，∠EHG为115度。四块倾斜移位平板完全相同。这样结构加工方便，易于安装调节。

Claims (7)

1.一种双剪切波面干涉测量仪，其特征在于该测量仪的构成包括：一块输入雅敏光学平行平板(1)，一块输出雅敏光学平行平板(6)和观察屏(7)，在输入雅敏干涉仪光学平行平板和输出雅敏干涉仪光学平行平板之间设置有右下倾斜移位光学平板(2)，右上倾斜移位光学平板(3)，左下倾斜移位光学平板(4)，左上倾斜移位光学平板(5)，以逆时针方向为正，则右下倾斜移位光学平板(2)的入射角为θ，输出面法线到输入面法线角度为-α；右上倾斜移位光学平板(3)的入射角为θ，输出面法线到输入面法线角度为α；左下倾斜移位光学平板(4)的入射角为-θ，输出面法线到输入面法线角度为α；左上倾斜移位光学平板(5)的入射角为-θ，输出面法线到输入面法线角度为-α。该四块倾斜移位光学平板为楔形平板，输入面和输出面的夹角为楔角α，入射角的绝对值为θ，则楔角α应满足下列关系式： $\mathrm{\&alpha;}=\frac{(N-1)\mathrm{\&lambda;}}{2(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}}{\cos \mathrm{\&theta;}}-1)(2R-2S)}$

其中：λ为入射波长，n为平板折射率，N为观察屏(7)观察口径内的基本条纹数，S为光束通过倾斜移位光学平板后垂直于入射光光轴方向的位移，R为入射光束孔径半径。

2.根据权利要求1所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于所述的四块倾斜移位光学平板(2，3，4，5)结构是相同的，输出面和输入面不平行，夹角为楔角α。

3.根据权利要求1所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于所述的倾斜移位光学平板的入射角θ的最佳值为30°。

4.根据权利要求1所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于所述的观察屏(7)观察口径内的最佳基本条纹数N＝5。

5.根据权利要求1所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于所述的四块倾斜移位平板设置在输入雅敏光学平板和输出雅敏光学平板之间的最佳位置为二分之一处。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于光束通过倾斜移位光学平板后垂直于入射光轴方向的最佳位移S＝0.5R，其中R为入射光束孔径半径，相应的倾斜移位光学平板(2，3，4，5)的厚度D由下式决定： $S=D(\sin \mathrm{\&theta;}-\frac{\sin 2\mathrm{\&theta;}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}})$

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于所述的倾斜移位平板的块数可以推广为2M(M≥1，且为整数)。分为左右两组，每组M层，总厚度大于等于口径直径。每一层左右两块输出面法线到输入面法线角度绝对值相同，符号相反；不同的层间输出面法线到输入面法线角度可以无关。

根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的双剪切波面干涉测量仪，其特征在于所述的观察屏(7)可以替代为计算机图像处理系统，由成像物镜、CCD和带有分析软件的计算机组成。

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