TWI387735B - 大動態範圍之波前量測器及方法 - Google Patents

Description

大動態範圍之波前量測器及方法

本發明係關於一種光學量測裝置及方法，特別是關於一種光波前量測裝置及方法。

波前量測是光學領域中重要的量測技術之一，可藉以瞭解光束的特性。習知的波前量測系統(例如：Shack－Hartmann波前量測系統)主要是由配置在光徑上的小透鏡陣列建構而成，其可使待測光束形成多個組成部份；系統中具有與小透鏡陣列中的每一個小透鏡(lenslet)對應的光柵與感測元件，以分別感測待測光束的多個組成部份，進而得到待測光束在量測平面上的波前分佈。

然而，現有的波前量測系統皆有其動態範圍的量測限制。一般而言，上述波前量測系統所能量測的動態範圍約小於10度，因而大幅限制了其應用範圍。

美國專利第5,233,174號中公開了一種波前量測系統，其利用小透鏡陣列的配置作為其零像差校正器(null corrector)，可根據不同的已知波前進行相位校正，然該系統所能量測的動態範圍仍受限制。

美國專利公開號US 2004/0227932中亦公開了一種由透鏡陣列與感測器陣列建構而成的波前量測系統，其透鏡陣列上配置有不透光的光罩以遮蓋部份透鏡，使未受遮蓋的透鏡可獲得較大的感測面積，藉以提高波前量測系統的動態範圍達兩倍左右。

為提升波前量測技術的應用範圍，亟需發展一種具有大動態範圍的波前量測系統。

本發明的構想之一在於提出一種可量測大動態範圍之波前量測系統及方法。

本發明的另一構想在於提出一種可量取不同發散角度之雷射光束的波前量測系統及方法。

本發明所提出之波前量測系統的配置簡單，且提供了180度的動態量測範圍，能夠量測各種形態的雷射光場波前。

根據本發明之構想，所提出之波前量測系統包括一擷取裝置與一斜率量測裝置，該擷取裝置可移動至不同位置以自一入射光束中擷取一不同位置的待測光束，該斜率量測裝置可對應於所擷取之待測光束而移動及旋轉，以測得入射光束中不同位置的待測光束的波前前進角度。

根據上述構想，該擷取裝置上係具有一孔洞，該孔洞的直徑遠小於入射光束的直徑，藉由該孔洞擷取入射光束中不同位置的待測光束。

根據上述構想，該斜率量測裝置係由一透鏡、一像屏與一光偵測器建構而成；該像屏上形成有一孔洞，其係配置以使得像屏上的孔洞位於光徑上該透鏡之焦距處，且該光偵測器係位於光徑上該孔洞後並緊鄰該孔洞。

根據上述構想，該像屏上之該孔洞的直徑(d2)係小於2.44* λ *f/d1，其中λ為該入射光束之波長，f為該透鏡 之焦距，且d1為該擷取裝置上之該孔洞的直徑。

本發明同時提出了一種可量測大動態範圍之波前量測方法，該方法包括的步驟為：(a)自一入射光束擷取一待測光路上之一待測光束；(b)於該待測光路上配置一透鏡，藉以聚焦該待測光束；(c)利用一光偵測器偵測與該聚焦之待測光束以產生一電流；(d)旋轉該待測光路以尋找測得該電流之一最大值並記錄該待測光路的旋轉角度；以及(e)在不同位置處，自該入射光束擷取.另一待測光束，並重複步驟(a)至步驟(d)，量測該入射光束之該另一待測光束。

本發明之波前量測系統及方法所能量測之動態範圍幾達180度，因而可用於量測具有大發散角度之雷射光源，大幅提升了波前量測技術的應用範圍。

本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得以令讀者更深入了解：

雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖示予以充分描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行技藝之人士可修改本文中所描述之發明，同時獲致本發明之功效。因此，需瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣泛之揭示，且其內容不在於限制本發明。

請參閱第一圖，其說明了本發明之波前量測系統的一較佳實施例。本發明之波前量測系統100係由光擷取裝置120與斜率量測裝置140所構成；光擷取裝置120上具有一孔洞125，該孔洞125的直徑d1遠小於欲量測之雷射光源200所發出光束220的直徑d。光擷取裝置120係可移動，以供雷射光源200所發出光束220通過孔洞125，藉其擷取得光束220中不同位置的待測光束，如光束222。

斜率量測裝置140係由透鏡142、像屏144及光偵測器146建構而成，並界定一待測光路P且依序該待測光路P上配置透鏡142、像屏144及光偵測器146。通過孔洞125之光束222隨即通過透鏡142，並由透鏡142予以聚焦至像屏144。像屏144係設置在待測光路P上與透鏡142相距f(f為透鏡142之焦距)處，像屏144上具有一孔洞145，該孔洞145之直徑d2小於2.44* λ *f/d1，其中λ為光束220之波長。

斜率量測裝置140除可相應於光束220的位置而移動外，其於量測進行時亦可旋轉一角度以使光束222得以經由垂直通過透鏡142，並由其聚焦而於孔洞145處形成焦點(focal spot)；此時，緊鄰孔洞145的光偵測器146即可偵測得一電流之最大值，而斜率量測裝置140所旋轉之角度即此待測光束220之波前前進角度α。

換言之，在使用本發明之波前量測系統進行波前量測時，雷射光源200所發出光束220首先通過光擷取裝置120上之孔洞125，而被切割成較小區域之光束以供後續量測；光擷取裝置120可自由移動以取得雷射光源200所發出、 前進方向不同的各光束，例如：光束222。

接著使光束222通過透鏡142，並調整斜率量測裝置140的位置以及旋轉斜率量測裝置140的角度，光偵測器146會測得一對應之電流值，繼續調整斜率量測裝置140的位置以及旋轉斜率量測裝置140的角度，光偵測器146會測得一漸漸變大之電流值，一旦發現光偵測器146所測得之電流值突然變小時，表示前一刻所測得之電流值為最大值。當光偵測器146偵測到最大電流時，表示光束222正垂直通過透鏡142而於孔洞145處形成焦點；此時，斜率量測裝置140的旋轉角度即光束222的波前前進角度α。

然後，移動光擷取裝置120，使雷射光源200所發出光束220於另一位置通過孔洞125，以取得不同前進方向的光束(例如：光束222’)，並使其通過透鏡142；同樣操作斜率量測裝置140，使其旋轉一角度至光偵測器146所測得之電流為一最大值為止。此時，斜率量測裝置140的旋轉角度即光束222’的波前前進角度α’。

重複移動光擷取裝置120，以於偵測平面上依序切割雷射光源200所發出的光束220，並相應地移動及旋轉斜率量測裝置140以量測光束220中不同前進方向之待測光束的波前前進角度α、α’、α”...等，即可測得持測之雷射光源200在偵測平面上的波前分佈。

本發明同時提出一種可量測大動態範圍之波前量測方法；請參閱第二圖，其說明了本發明之波前量測方法之流程。首先，將待測光源所發散出的光束進行切割，擷取出較小區域之待測光束，如步驟32所示；在此步驟中，光束 的切割可利用使光束通過直徑遠小於光束直徑之孔洞來達成，透過形成有孔洞之擷取裝置來擷取出待測光束。

其次，於該待測光束的待測光路上配置一透鏡以聚焦該待測光束，並利用一光偵測器偵測該聚焦之待測光束對應產生一電流，分別如步驟34與步驟36所示。接著，繼續調整透鏡與透鏡後方之像屏的位置及傾斜角度，而調整待測光路的位置與旋轉角度，光偵測器會測得一漸漸變大之電流值，一旦發現光偵測器所測得之電流值突然變小時，表示前一刻所測得之電流值為最大值，如步驟38所示，此時，該待測光束係聚焦於像屏上而形成焦點(focal spot)。

移動擷取裝置以改變孔洞之位置，並重複步驟32至步驟38，以量測該入射光束中不同位置之待測光束，如步驟40所示；其中當光偵測器偵測得電流之最大值時，由透鏡與光偵測器間待測光路的旋轉角度即待測光束的波前前進角度。

在本發明之波前量測系統及方法中，光擷取裝置係可移動以於偵測平面上對待測光束進行依序取樣，而其斜率量測裝置亦可配合移動及旋轉，以量測所擷取之每一光束的波前前進角度值；在光擷取裝置與斜率量測裝置的搭配互動下，本發明大幅提昇了波前量測系統所能量測的動態範圍，可用於大發散角及各種波前形態之雷射光源的量測。此外，本發明更具有配置簡單、量測方式簡便等優勢，深具應用潛力與產業推廣價值。

在詳細說明本發明的較佳實施例之後，熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下 進行各種變化與改變，且本發明亦不受限於說明書中所舉實施例的實施方式。

100‧‧‧波前量測系統

120‧‧‧光擷取裝置

125‧‧‧孔洞

140‧‧‧斜率量測裝置

142‧‧‧透鏡

144‧‧‧像屏

145‧‧‧孔洞

146‧‧‧光偵測器

200‧‧‧雷射光源

220‧‧‧入射光束

222、222’‧‧‧待測光束

α、α’、α”‧‧‧波前前進角度

P‧‧‧光徑方向

第一圖(A)與第一圖(B)係本發明之波前量測系統之一較佳實施例的配置示意圖。

第二圖係本發明之波前量測方法之流程圖。

100‧‧‧波前量測系統

120‧‧‧光擷取裝置

125‧‧‧孔洞

140‧‧‧斜率量測裝置

142‧‧‧透鏡

144‧‧‧像屏

145‧‧‧孔洞

146‧‧‧光偵測器

200‧‧‧雷射光源

220‧‧‧入射光束

222‧‧‧待測光束

α‧‧‧波前前進角度

P‧‧‧光徑方向

Claims (7)

1. 一種波前量測器，包括：一擷取裝置，可移動至不同位置以自一入射光束擷取一待測光束；一波前斜率量測器，可對應於該待測光束而移動及旋轉，以測得該待測光束之波前前進方向；一透鏡，其位於該光束之光徑上；一像屏，該像屏上具有一孔洞，該像屏係配置於光徑上該透鏡後，以使得該孔洞位於光徑上該透鏡之焦距處；以及一光偵測器，其位於光徑上該孔洞後並緊鄰該孔洞。
2. 如申請專利範圍第1項所述之波前量測器，其中該擷取裝置上具有一孔洞供該入射光束通過，藉以擷取該待測光束。
3. 如申請專利範圍第2項所述之波前量測器，其中該孔洞的直徑遠小於該入射光束的直徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之波前量測器，其中該擷取裝置上具有一孔洞，該像屏上之該孔洞的直徑(d2)係小於2.44^＊ λ^＊ f/d1，其中λ為該入射光束之波長，f為該透鏡之焦距，且d1為該擷取裝置上之該孔洞的直徑。
5. 一種波前量測方法，其包括下列步驟：(a)自一入射光束擷取一待測光路上之一待測光束；(b)於該待測光路上配置一透鏡，藉以聚焦該待測光束； (c)利用一光偵測器偵測該聚焦之待測光束以產生一電流；(d)旋轉該待測光路以尋找該電流之一最大值並記錄旋轉角度；以及(e)在不同位置處，自該入射光束擷取另一待測光束，並重複步驟(a)至步驟(d)，量測該入射光束之該另一待測光束。
6. 如申請專利範圍第5項所述之波前量測方法，包括下列步驟；藉由移動與旋轉該透鏡來旋轉該待測光路。
7. 如申請專利範圍第5項所述之波前量測方法，包括下列步驟；在該透鏡之後的待測光路上配置一光偵測器。