CN201885805U - 环形共光路点衍射干涉波前传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种环形共光路点衍射干涉波前传感装置。包括光学匹配系统、分光镜、第一和第二反射镜、第一和第二傅立叶透镜、CCD和计算机系统；还包括在第一和第二傅立叶透镜共焦平面处添加一个含有参考针孔和测试窗口的双孔空间滤波板。待测激光被分光镜分为两束，一束通过参考针孔发生小孔衍射，产生近似理想平面波作为参考光；另一束则几乎无衰减通过测试窗口作为信号光，通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，因此只需单幅载频干涉条纹、且不需要任何迭代过程就可快速准确地复原出待测波前相位分布。本实用新型采用环形共光路结构、无需专门的参考光、且系统稳定性强，可适用于各类波前相位动、静态检测应用领域。

Description

环形共光路点衍射干涉波前传感装置

技术领域

本实用新型涉及一种自参考干涉波前相位传感技术，特别涉及一种环形共光路点衍射干涉波前传感装置，属于光学检测技术领域。

背景技术

在激光自适应光学系统、高功率激光系统畸变波前实时诊断、光学元件的表面检测、激光光束净化等领域中经常需要测量光波的波前相位分布情况。常用的波前相位传感技术有：哈特曼波前传感技术、曲率波前传感技术以及自参考干涉波前测量技术等。其中，哈特曼波前传感技术的基本原理是利用微透镜阵列把入射波前分割为若干个子波前，然后利用二维阵列光电探测器测量各个子波前经各自的微透镜得到聚焦光斑的质心偏移量，从而得到待测波前的斜率，最后由各种波前重构算法得到待测波前相位分布情况。哈特曼波前传感器标定方便，结构简单，其波前恢复过程可以由线性矩阵运算完成，因而能够实现波前的实时动态测量，是目前应用比较广泛的一类波前传感器。但是其测量精度受到其空间分辨率的限制。与哈特曼波前传感器相比，曲率波前传感技术有它的一些重要的优势，诸如曲率波前传感器获得的波前曲率分布信号，不需要像哈特曼波前传感器那样经过繁琐的计算就可以直接用于控制波前校正系统来校正待测畸变波前，从而加快了反馈速度；但是曲率波前传感器只适用于探测畸变波前空间频率较低的成分，对于高频部分，其精度不如哈特曼波前传感器高。

而作为波前测量技术的自参考干涉仪早已成为光学元件、光学系统以及激光光束质量检测的重要手段，其检测精度可以达到百分之一波长量级。其中点衍射干涉仪(PDI)是一种结构简单的共光路干涉仪，由R.N.Smartt于1972年首先提出。其基本原理如图1所示，在一个半透明平板上设置一个大小合适的通光小孔，形成一个小孔掩模板，小孔掩模板置于会聚透镜焦平面。当通光小孔直径足够小时，由小孔衍射形成可近似看作理想球面波作为参考光波，而透过半透明平板的波前则包含了被测波前相位信息，通过分析参考光与待测光产生的干涉条纹便可以重构待测波前相位分布。然而，由于传统点衍射干涉仪的参考光束与信号光束几乎保持相同的几何光轴，产生的干涉图中通常包含极少的条纹，因此不能采用傅立叶分析法来提取待测波前相位信息；也同样的因为是共光路结构使得在参考光与信号光之间引入相移变得困难。

1964年，M.V.R.K.Murty在文献“A compact radial shearing interferometer based on the law of refraction，Appl.Opt，3(7)：853-858(1964)”提出了另一种自参考干涉仪，环路径向剪切干涉仪(Cyclic Radial Shearing Interferometry，CRSI)。它是将待测波前经径向剪切干涉仪分别放大和缩小后在相互重叠区域产生干涉从而对畸变波前相位分布进行检测的一种有效的干涉测量技术。由于其采用共光路、无需专门参考光，因而对环境振动等因素不敏感，故可以用于恶劣工作环境条件下；特别是引入了空间相位调制技术使得被测波前相位信息的提取变得容易，即由单幅干涉图就可以实现畸变波前的全场检测，并且具有较高的精度，所以其在瞬态波前检测领域中具有较大优势。如A.R.Barnes和L.C.Smith在文献“A combined phase，near and far field diagnostic for large aperture laser system，Proc.SPIE.3492，564-572(1999)”中报道了基于CRSI对大口径激光系统的近场和远场的输出波前进行了检测。由于CRSI一般是通过望远系统实现对待测波前的放大和缩小，因此对于缓变波前，当望远系统的放大倍数足够大时，被放大的波前可近似看作理想的平面波；当待测波前相位分布为比较复杂时，即使增大望远系统的放大倍数也难于获得理想的参考平面波，因此本质上从干涉条纹中提取出来的波前相位反映的并不是待测波前真实的相位分布，而是放大波前和缩小波前之间的相位差。为了求得真实的待测波前相位分布，Tsuguo Kohno等人在文献“Radial shearing interferometer for in-process measurement of diamond turning，Opt.Eng.39(10)：2696-2699(2000).”中提出了波前相位迭代算法以减小误差，从而获得了待测波前真实的相位分布的方法；后来四川大学的李大海等人又在文献“Improved formula of wavefront reconstruction from a radial shearing interferogram，Opt.Lett.33(3)：210-212(2008).”中考虑了放大波前和缩小波前存在相对平移时的情况，得到与实际应用情况更为接近的波前相位迭代公式，进一步的提高了波前相位检测精度。但是通过迭代算法要想使误差的校正达到较高的精度，必须对较多的波前相位采样点进行重构计算，运算量非常大，因此限制了其在线测量和瞬态波前检测等领域的应用。

发明内容

本实用新型的目的正是为了结合传统PDI和CRSI各自的优点而克服其不足，提出一种新的环形共光路点衍射干涉波前传感装置。该波前传感装置采用环形共光路结构，在参考光与信号光之间引入空间线性载频；使得新的波前传感装置稳定性强、不需要专门的参考光、仅需单幅空间载频干涉条纹，并且不需要任何迭代过程就可以快速准确地复原出待测波前相位分布情况；提高了波前相位的探测速度，可适用于各种波前相位静态和动态高精度检测等领域。

本实用新型的基本思想是：设计一种新的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，该波前传感装置采用环形共光路结构，在参考光与信号光之间引入空间线性载频，利用空间相位调制技术可以快速准确地复原待测波前相位分布情况。该波前传感装置包括光学匹配系统、分光镜、第一反射镜和第二反射镜、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜、含有参考针孔和测试窗口的双孔空间滤波板、CCD探测器、计算机系统。按光路描述，所述分光镜将待测激光分为两束，其中透射光束首先被第一反射镜反射后，进入第一傅立叶透镜并在其焦平面处几乎无损通过双孔空间滤波板上的测试窗口后，进入第二傅立叶透镜形成缩小光束；然后被第二反射镜反射后再次返回分光镜，作为含待测激光全部信息的信号光；该测试窗口作为信号光通道，并滤除环境杂散光的影响；而经分光镜的反射光束首先被第二反射镜反射后，进入第一傅立叶透镜并在其焦平面处通过双孔空间滤波板上的参考针孔发生小孔衍射，当参考针孔孔径足够小时，衍射光束可以看作近似理想的球面波，经第一傅立叶透镜后被放大形成近似理想的平面波，然后被第一反射镜反射后被分光镜再次反射作为理想参考光；并通过调节分光镜倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠的区域形成含有待测波前相位全部信息的空间载频干涉条纹被CCD探测器接收并送至计算机系统处理。因此仅需单幅空间载频干涉条纹就可以直接的复原出待测波前的真实相位信息，避免了现有波前相位迭代算法繁杂的迭代过程，提高了波前相位的探测精度和速度。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本实用新型环形共光路点衍射干涉波前传感装置，包括光学匹配系统、分光镜、第一反射镜和第二反射镜、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜、CCD探测器、计算机系统；按照本实用新型，还包括在第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成望远镜系统的共焦平面处添加一个含有参考针孔和测试窗口的双孔空间滤波板。按照光路描述，来自光学匹配系统的待测激光光束经分光镜分为两束，其中透射光束被第一反射镜反射后进入第一傅立叶透镜并在其焦平面处几乎无衰减地直接通过双孔空间滤波板上测试窗口后，进入第二傅立叶透镜形成缩小光束，被第二反射镜反射后再次返回分光镜作为信号光；而经分光镜的反射光束被第二反射镜反射后进入第一傅立叶透镜并在其焦平面处通过双孔空间滤波板上的参考针孔发生小孔衍射形成近似理想的球面波，球面波经第一傅立叶透镜准直放大形成近似理想的平面波，再由第一反射镜反射后被分光镜再次反射作为参考光；信号光和参考光在它们相互叠加区域发生干涉形成干涉条纹；通过调节分光镜的倾斜角度即可在信号光束和参考光束之间引入空间线性载频；最后形成包含待测波前相位全部信息的空间载频干涉条纹被CCD探测器接收并送至计算机系统处理。

上述技术方案中，所述分光镜为单波长平板分光镜，它同时起着分光和在参考光与信号光之间引入空间线性载频的作用。

上述技术方案中，为能够产生近似理想的球面波，在所述双孔空间滤波板上设置的参考针孔孔径大小为爱里斑直径大小量级。

上述技术方案中，所述双孔空间滤波板上的测试窗口为圆形小孔，或者是方形小孔，它作为信号光通道、并且滤除环境杂散光的影响。

上述技术方案中，所述双孔空间滤波板上的测试窗口的孔径大小为0.4-2mm。

上述技术方案中，所述的第一反射镜和第二反射镜均为单波长介质膜高反射镜。

上述技术方案中，所述的第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜均为正傅立叶透镜。

本实用新型与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本实用新型所公开的环形共光路点衍射干涉波前传感装置与传统的哈特曼波前传感器相比，其CCD探测器每一个像素都有可以看成是一个子孔径，因此每一个像素点都对应着各自的待测波前分量，这样就提高了波前相位检测的精度和空间分辨率。

2、采用本实用新型环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其测量的干涉条纹数据直接反应的是待测波前的相位信息，不需要波前重构过程；而传统的哈特曼波前传感器是通过探测各个抽样子孔径的斜率信息，然后由斜率信息重构处待测波前的整体分布情况。

3、本实用新型所公开的环形共光路点衍射干涉波前传感装置通过调节分光镜的倾斜角度，在信号光和参考光之间引入空间线性载频，得到的是空间载频干涉条纹，因而可以通过基于傅立叶变换的空间相位调制技术快速准确的复原出待测波前的相位信息。

4、本实用新型所公开的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，以其中一束拷贝光通过小孔衍射后作为近似理想的参考光，从干涉条纹复原得到的相位信息即为待测波前真实相位信息；因而不需要像传统的环路径向剪切干涉仪那样繁杂的迭代过程，这样提高了波前相位探测精度和速度。

5、本实用新型所公开的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，由于第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成的望远镜系统对参考光起着放大的作用，即对参考针孔发生小孔衍射后的参考平面波起着放大的作用，也就是说采用孔径较大的参考针孔同样可以得到较为理想的参考平面波，因此与传统的点衍射干涉仪相比本实用新型对针孔的要求没有那么严格，同时也提高了光的利用率。

6、本实用新型所公开的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，由于采用环形共光路结构、故不需要专门的参考光束、因而对环境因素不敏感，其抗震稳定性强；可满足恶劣工作环境下对不同类型波前相位动态检测领域；同时测量的干涉条纹数据直接反应了待测波前相位信息，不需要波前重构过程；因此本点衍射干涉仪更适用于各种波前相位静态和动态高精度检测等领域。

附图说明

图1是传统点衍射干涉仪的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1环形共光路点衍射干涉波前传感装置结构示意图；

图3是本实用新型所述的双孔空间滤波板结构示意图；

图4是本实用新型实际测量中由CCD探测器采集到的空间载频干涉条纹；

图5是本实用新型实际测量中得到的激光波前相位三维分布图；

图6是本实用新型实施例2的结构示意图。

图中，1-光学匹配系统，2-分光镜，3-第一反射镜，4-第一傅立叶透镜，5-双孔空间滤波板，6-第二傅立叶透镜，7-第二反射镜，8-CCD探测器，9-计算机系统，10-测试窗口，11-参考针孔。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，但它仅用于说明本实用新型的一些具体实施方式，而不应理解为对本实用新型保护范围的任何限定。

本实用新型环形共光路点衍射干涉波前传感装置，如图2所示，包括光学匹配系统1、分光镜2、第一反射镜3和第二反射镜7、第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6、CCD探测器8、计算机系统9；按照本实用新型，还包括在第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成望远镜系统的共焦平面处添加一个含有参考针孔11和测试窗口10的双孔空间滤波板5，双孔空间滤波板5，如图3所示。按照光路描述，来自光学匹配系统1的待测激光光束经分光镜2分为两束，其中透射光束被第一反射镜3反射后进入第一傅立叶透镜4并在其焦平面处几乎无衰减到地直接通过双孔空间滤波板5上的测试窗口10后，进入第二傅立叶透镜6形成缩小光束，被第二反射镜7反射后再次返回分光镜2作为信号光；而经分光镜2的反射光束被第二反射镜7反射后进入第一傅立叶透镜4并在其焦平面处通过双孔空间滤波板5上的参考针孔11发生小孔衍射，经第一傅立叶透镜4放大，再由第一反射镜7反射后被分光镜2再次反射作为参考光；信号光和参考光在它们相互叠加区域发生干涉形成干涉条纹；通过调节分光镜倾斜角度即可在信号光束和参考光束之间引入空间线性载频；最后形成包含待测波前相位全部信息的空间载频干涉条纹被CCD探测器8接收并送至计算机系统9处理。

所述的双孔空间滤波板5上的参考针孔11要足够小，一般为爱里斑直径大小量级，而本实用新型中由于第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜7组成的开普勒望远镜系统对参考光起着放大的作用，即对参考针孔发生小孔衍射后的参考平面波起着放大的作用，也就是说采用孔径较大的参考针孔同样可以得到较为理想的参考平面波，因此与传统的点衍射干涉仪相比本实用新型对针孔的要求没有那么严格，同时也提高了光的利用率。

实施例1

本实例中，对波长为632.8nm的He-Ne激光器的波前相位进行检测。所述光学匹配系统1采用放大倍数为5倍的望远镜系统，分光镜2采用针对波长632.8nm的透射率与反射率之比为2∶8的单波长平板分光镜，第一反射镜3和第二反射镜7均为针对632.8nm波长的单波长介质膜高反射镜，为了消除傅立叶透镜引入的额外波前畸变，第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6均为采用焦距分别为f₁＝200mm、f₂＝100mm的消像差正傅立叶透镜，双孔空间滤波板5上的参考针孔11孔径为180μm、测试窗口10采用孔径大小为1.04mm的圆形小孔，CCD探测器8采用型号为MVC-II 1M、1024×1280像素的面阵CCD探测器，计算机系统9为PC计算机。

按照如图2所示的光路连接好各元件，在对He-Ne激光波前相位进行检测时，待测激光经过光学匹配系统1实现对不同口径大小的激光光束匹配后，经分光镜2被分为两束，其中透射光经过第一反射镜3被反射后，进入由第一傅立叶透镜4并几乎无衰减直接通过在第一傅立叶透镜4焦平面上放置的双孔空间滤波板5上的测试窗口10后；经过第二傅立叶透镜6形成缩小的平行光束，缩小平行光束经第二反射镜7反射后再次透射分光镜2作为待测光束的信号光；与透射光束不同的是：经分光镜2的反射光经过第二傅立叶透镜6后则是被位于第二傅立叶透镜6焦平面处的双孔空间滤波板5上的参考针孔11发生小孔衍射形成可近似看成理想的球面波，该球面波经过第一傅立叶透镜4后形成扩大的近似理想的平面波光束，扩大的平面波光束经过第一反射镜3反射后再次被分光镜2反射作为参考光；缩小的信号光与扩大的参考光束在它们相互重叠区域发生干涉并形成干涉条纹，通过调节分光镜2的倾斜角度使得形成的空间载频干涉条纹的空间相位调制角度约为45度；而得到的间载频干涉条纹包含待测波前相位的全部信息，它被CCD探测器8接收后并送至计算机系统9处理。

图4所示为实际测量中由CCD探测器8采集到的空间载频干涉条纹图；利用所述的空间相位调制技术对采集到的空间载频干涉条纹经计算机处理后，得到实际测量中He-Ne激光光束波前相位的三维分布，如图5所示。

实施例2

本实例为环形共光路点衍射干涉波前传感装置与实施例1所述的光路走向不同的另一光路结构，所述光学匹配系统1同样采用倍数可调节的望远镜系统，分光镜2采用针对波长632.8nm透射率与反射率之比为8∶2的单波长平板分光镜，第一反射镜3和第二反射镜7均为632.8nm波长的单波长介质膜高反射镜，为了消除傅立叶透镜引入的额外波前畸变，第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6均为采用焦距分别为f₁＝100mm、f₂＝200mm消像差正傅立叶透镜，双孔空间滤波板5上的参考针孔11孔径为80μm、测试窗口10采用孔径大小为1.00mm的方形小孔，CCD探测器8采用型号为MVC-II 1M、1024×1280像素的面阵CCD探测器，计算机系统9为PC计算机。

按如图6所示光路连接好各元件，与实施例1所述的光路走向不同的是：在对激光波前相位进行检测时，待测激光经过光学匹配系统1实现对不同口径大小的激光光束匹配后，经分光镜2被分为两束，其中透射光经过第一反射镜3被反射后，进入由第一傅立叶透镜4后，在位于第一傅立叶透镜4焦平面上放置的双孔空间滤波板5的参考针孔11发生小孔衍射后，形成可近似看成理想的球面波，经过第二傅立叶透镜6后形成扩大的可看作近似理想的平面波，扩大光束经第二反射镜7反射后再次透射分光镜2作为待测激光的参考光；与透射光束不同的是：经分光镜2的反射光经第二傅立叶透镜6后并完全通过位于第二傅立叶透镜7焦平面处的双孔空间滤波板5上的测试窗口10，经第一傅立叶透镜4后形成缩小光束，缩小光束经过第一反射镜3反射后再次被分光镜2反射作为信号光；缩小的信号光与扩大的参考光束在它们相互重叠区域发生干涉并形成干涉条纹，通过调节分光镜2的倾斜角度使得形成的空间载频干涉条纹的空间相位调制角度约为135度；而得到的空间载频干涉条纹包含待测波前相位的全部信息，它被CCD探测器8接收后并送至计算机系统9处理。同样的通过对空间线性载频干涉条纹处理之后就可以快速准确的复原出待测波前相位分布情况，如图5所示。

Claims (7)

1.一种环形共光路点衍射干涉波前传感装置，包括光学匹配系统(1)、分光镜(2)、第一反射镜(3)和第二反射镜(7)、第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)、CCD探测器(8)、计算机系统(9)；其特征在于还包括在第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)组成望远镜系统的共焦平面处添加一个含参考针孔(11)和测试窗口(10)的双孔空间滤波板(5)；按照光路描述，来自光学匹配系统(1)的待测激光光束经分光镜(2)分为两束光，其中透射光束被第一反射镜(3)反射后进入第一傅立叶透镜(4)并通过在其焦平面处双孔空间滤波板(5)上的测试窗口(10)，然后进入第二傅立叶透镜(6)形成缩小光束，被第二反射镜(7)反射后再次返回分光镜(2)作为信号光；而经分光镜(2)的反射光束被第二反射镜(7)反射后进入第一傅立叶透镜(4)并通过在其焦平面处双孔空间滤波板(5)上的参考针孔发生小孔衍射，衍射光经第一傅立叶透镜(4)放大，再经第一反射镜(3)反射后被分光镜(2)再次反射作为参考光；所述信号光和参考光在相互重叠的区域发生干涉并形成干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其特征在于所述分光镜(2)为单波长平板分光镜。

3.根据权利要求1所述的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其特征在于所述双孔空间滤波板(5)上的参考针孔(11)孔径大小为爱里斑直径大小量级。

4.根据权利要求1所述的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其特征在于所述双孔空间滤波板(5)上的测试窗口(10)为圆形小孔，或者是方形小孔。

5.根据权利要求1或4所述的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其特征在于所述双孔空间滤波板(5)上的测试窗口(10)的孔径大小为0.4-2mm。

6.根据权利要求1所述的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其特征在于所述的第一反射镜(3)和第二反射镜(7)均为单波长介质膜高反射镜。

7.根据权利要求1所述的环形共光路点衍射干涉波前传感装置，其特征在于所述的第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(7)均为正傅立叶透镜。

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