專利名稱：雙剪切波面干涉測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種雙剪切波面干涉測量儀，主要用于波面的測量，特別適合于波差小于一個(gè)波長的激光波面的精密測量。
背景技術(shù)：
激光應(yīng)用中經(jīng)常要求發(fā)射激光光束達(dá)到高度的平行性，用于集中能量提高效率或者產(chǎn)生盡量小的聚焦光斑，前者如衛(wèi)星之間的激光通信，激光武器等，后者如光存儲(chǔ)等。光學(xué)衍射極限是光束受到孔徑限制條件下能夠達(dá)到的最小的發(fā)散度，此時(shí)光束波面只具有0.3λ左右的波面象差。波面的光學(xué)測量方法有兩種直接法和間接法。在直接法中，待測波面通過光學(xué)裝置產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考波面，待測波面與標(biāo)準(zhǔn)參考波面的干涉圖能夠直接反映出待測波面存在的波差。間接法是基于測量波面的變化率來估算波面本身，傳統(tǒng)上有兩種光學(xué)傳感方式一種是幾何型，測量待測波面上離散取樣點(diǎn)上的等效折射角來表達(dá)波面的變化率；另一種是剪切干涉型，通過待測波面與自身復(fù)制面的干涉的相對(duì)比較求得波面的變化率。在先技術(shù)測量大口徑衍射極限光束的波面比較困難，這直接影響科學(xué)實(shí)驗(yàn)和國防研究，因此迫切需要一種簡便易行的大口徑、高精度測量系統(tǒng)。
在先技術(shù)[1](參見《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測量法的徑向剪切干涉儀，徑向剪切干涉儀利用擴(kuò)大的待測波面作標(biāo)準(zhǔn)參考波面與待測波面干涉，或者以待測波面作為標(biāo)準(zhǔn)參考波面與縮小的待測波面干涉，所附加的擴(kuò)大或縮小光學(xué)系統(tǒng)的象差必須遠(yuǎn)小于待測波面的象差，對(duì)于衍射極限的波面的測量，擴(kuò)大或縮小光學(xué)系統(tǒng)的精度要求極高，制作極困難。
在先技術(shù)[2](參見《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測量法的點(diǎn)衍射干涉儀，點(diǎn)衍射干涉儀利用小孔衍射產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考波面，對(duì)于平行光的待測波面需要附加光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)，該系統(tǒng)的象差必須遠(yuǎn)小于待測波面的象差，對(duì)于衍射極限的波面的測量會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的精度要求極高，制作極困難。
在先技術(shù)[3](參見《光學(xué)車間檢驗(yàn)》[墨]D.馬拉卡拉主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1983年，第十章287-312頁)中所描述的是一種利用取樣光欄測量波面在取樣點(diǎn)上的偏差的哈特曼(Hartmann)檢驗(yàn)方式，即間接幾何型，從原理上看其測量精度較低，不適合于衍射極限波面的高精度檢驗(yàn)。
在先技術(shù)[4](參見《光學(xué)車間檢驗(yàn)》[墨]D.馬拉卡拉主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1983年，第四章第5至第7節(jié)105-123頁)中所描述的是一整類的橫向剪切干涉儀，包括以雅敏干涉儀為基礎(chǔ)的平行光橫向剪切干涉裝置，以邁克耳遜干涉儀為基礎(chǔ)的平行光橫向剪切干涉裝置，以循環(huán)干涉儀為基礎(chǔ)的平行光橫向剪切干涉裝置，以馬赫-曾得爾干涉儀為基礎(chǔ)的平行光橫向剪切干涉裝置，以光學(xué)平板干涉儀為基礎(chǔ)的激光橫向剪切干涉裝置，剪切干涉方式比較靈敏，但是當(dāng)待測波面的波差小于一個(gè)波長時(shí)，因?yàn)橛^察不到一對(duì)以上的條紋，是無法進(jìn)行正確測量的，因此不能用于衍射極限波面的測量。
在先技術(shù)[5](參見《光學(xué)車間檢驗(yàn)》[墨]D.馬拉卡拉主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1983年，第四章第3節(jié)94-102頁)中描述的一種在橫向剪切裝置中引入傾斜量產(chǎn)生平行背景條紋的方式，這樣可以測量待測波面橫向剪切干涉條紋相對(duì)于理想背景條紋的移位而測定待測波面的波差，這種裝置必須具有非常精確的傾斜量和背景條紋的寬度，測量精度與衍射極限波面的波差相當(dāng)，因此不能正確測量衍射極限波面。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種雙剪切波面干涉測量儀，其構(gòu)成包括一塊輸入雅敏光學(xué)平行平板，一塊輸出雅敏光學(xué)平行平板和觀察屏，在輸入雅敏干涉儀光學(xué)平行平板和輸出雅敏干涉儀光學(xué)平行平板之間設(shè)置有右下傾斜移位光學(xué)平板，右上傾斜移位光學(xué)平板，左下傾斜移位光學(xué)平板，左上傾斜移位光學(xué)平板。以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，則右下傾斜移位光學(xué)平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α；右上傾斜移位光學(xué)平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左下傾斜移位光學(xué)平板的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左上傾斜移位光學(xué)平板的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α。該四塊傾斜移位光學(xué)平板為楔形平板，輸入面和輸出面的夾角為楔角α。入射角的絕對(duì)值為θ，則楔角α應(yīng)滿足下列關(guān)系式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-2S)]]>其中λ為入射波長，n為平板折射率，N為觀察屏7觀察口徑內(nèi)的基本條紋數(shù)，S為光束通過傾斜移位光學(xué)平板后垂直于入射光光軸方向的位移，R為入射光束孔徑半徑。
所述的四塊傾斜移位光學(xué)平板結(jié)構(gòu)可以完全相同。輸出面和輸入面不平行，夾角為楔角α。此結(jié)構(gòu)加工方便，利于減少材料的不均勻性帶來的誤差。
所述的傾斜移位光學(xué)平板的入射角θ的最佳值為30°。
所述的觀察屏觀察口徑內(nèi)的最佳基本條紋數(shù)N＝5。
所述的四塊傾斜移位平板設(shè)置在輸入雅敏光學(xué)平板和輸出雅敏光學(xué)平板之間的最佳位置為二分之一處。
所述的傾斜移位平板的塊數(shù)可以推廣為2M(M≥1，且為整數(shù))。分為左右兩組，每組M層，總厚度大于等于口徑直徑。每一層左右兩塊輸出面法線到輸入面法線角度絕對(duì)值相同，符號(hào)相反；不同的層間輸出面法線到輸入面法線角度可以無關(guān)。上面所述的情況相當(dāng)于M＝2。多層結(jié)構(gòu)可以滿足對(duì)波面判斷的特殊要求。
所述的觀察屏可以替代為計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，由成像物鏡、CCD和帶分析軟件的計(jì)算機(jī)組成。
光束通過傾斜移位光學(xué)平板后垂直于入射光軸方向的最佳位移S＝0.5R，其中R為入射光束孔徑半徑，相應(yīng)的傾斜移位光學(xué)平板的厚度D由下式?jīng)Q定S=D(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)]]>
圖3為本發(fā)明中傾斜移位平板4的結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明觀察屏內(nèi)的干涉條紋示意圖由觀察屏7口徑內(nèi)觀察條紋數(shù)N和希望光束通過傾斜移位光學(xué)平板后垂直于入射光光軸方向的位移S可以確定四塊傾斜移位平板的楔角α。α與口徑內(nèi)觀察條紋數(shù)N，平板折射率n，傾斜移位平板的入射角θ，入射波長λ，入射光束孔徑半徑R的關(guān)系為α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-2S)---(1)]]>式中α為楔角，N為口徑內(nèi)觀察條紋數(shù)，S為光束通過傾斜移位光學(xué)平板后垂直于入射光光軸方向的位移，λ為入射波長，n為平板折射率，傾斜移位平板的光束入射角θ，R為入射光束孔徑半徑。為便于觀察，一般N＝5為最佳值。S＝0.5R為綜合考慮高靈敏度和寬觀察視場的最佳值。
四塊傾斜移位平板可以完全相同。此結(jié)構(gòu)加工方便，利于減少材料的不均勻性帶來的誤差。單塊傾斜移位平板以傾斜移位平板4為例，如

圖1，圖2，圖3所示，左邊輸入，右邊輸出。輸入面和輸出面不平行，夾角為楔角α。上下平面EFGH和E′F′G′H′平行，與輸入面垂直。另外兩個(gè)平面EFF′E′和HGG′H′平行，與輸入面不垂直，夾角為β，一般取為(90°+θ)。θ為傾斜移位平板的入射角。此結(jié)構(gòu)易于安裝，調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊。
圖2-1，2-2，2-3，2-4分別為傾斜移位平板4，2，5，3的結(jié)構(gòu)剖面圖。
傾斜移位平板放置如下傾斜移位平板2，3，4，5位于輸入雅敏干涉儀光學(xué)平行平板1和輸出雅敏干涉儀光學(xué)平行平板6之間二分之一處。以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，右下傾斜移位光學(xué)平板2的輸入面法線到光軸pp的角度為θ，右下傾斜移位光學(xué)平板2的輸出面法線到輸入面法線的角度為-α；右上傾斜移位光學(xué)平板3的輸入面與光學(xué)平板2的輸入面重合，右上傾斜移位光學(xué)平板3的輸出面法線到輸入面法線的角度為α；左下傾斜移位光學(xué)平板4的輸入面法線到光軸oo的角度為-θ，左下傾斜移位光學(xué)平板4的輸出面法線到輸入面法線的角度為α，左上傾斜移位光學(xué)平板5的輸入面與光學(xué)平板4的輸入面重合，左上傾斜移位光學(xué)平板5的輸出面法線到輸入面法線的角度為-α。
傾斜移位光學(xué)平板的輸入光束入射角θ可以調(diào)節(jié)，一般θ＝30°為最佳值。
基本原理為待測波面斜入射于輸入雅敏干涉儀光學(xué)平行平板1，一部分在其入射界面上反射(A)，另一部分折射入該平行平板并在第二個(gè)介面上反射再經(jīng)過入射介面折射出(B)。A波面上下一分為二地經(jīng)過右下傾斜移位光學(xué)平板2和右上傾斜移位光學(xué)平板3，兩平板對(duì)于該波面產(chǎn)生相同的垂直于光軸pp方向的位移，并且使上半波面的光軸p′p′和下半波面的光軸p″p″相對(duì)于光軸pp具有符號(hào)不同的偏離角度，它們通過輸出雅敏干涉儀光學(xué)平行平板6的內(nèi)反射投射到觀察屏7，B波面上下一分為二地經(jīng)過左下傾斜移位光學(xué)平板4和左上傾斜移位光學(xué)平板5，兩平板對(duì)于該波面產(chǎn)生相同的垂直于光軸oo方向的位移，并且使上半波面的光軸o′o′和下半波面的光軸o″o″相對(duì)于光軸oo具有符號(hào)不同的偏離角度，它們通過輸出雅敏干涉儀光學(xué)平行平板6的入射界面反射到觀察屏7。左下傾斜移位光學(xué)平板4和左上傾斜移位光學(xué)平板5所產(chǎn)生的位移的方向與右下傾斜移位光學(xué)平板2和右上傾斜移位光學(xué)平板3所產(chǎn)生的位移的方向相反。左下傾斜移位光學(xué)平板4產(chǎn)生的偏離角度與右下傾斜移位光學(xué)平板2產(chǎn)生的偏離角度符號(hào)相反，左下傾斜移位光學(xué)平板4產(chǎn)生的偏離角度與左上傾斜移位光學(xué)平板5產(chǎn)生的偏離角度符號(hào)相反，左上傾斜移位光學(xué)平板5產(chǎn)生的偏離角度與右上傾斜移位光學(xué)平板3產(chǎn)生的偏離角度符號(hào)相反。在觀察屏7的兩波面的重合部分產(chǎn)生干涉圖。
入射波面經(jīng)過傾斜移位光學(xué)平板2，3，4，5后，產(chǎn)生的垂直于光軸方向的位移S與平板折射率n、平板厚度D和入射角θ的關(guān)系如圖2所示，為S=D(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)---(2)]]>式中S為垂直于光軸方向的位移，n為平板折射率，D為平板厚度，θ為入射角。
入射波面經(jīng)過傾斜移位光學(xué)平板2，3，4，5后，產(chǎn)生的偏離角度的絕對(duì)值Δθ與平板折射率n，入射角θ，輸入面與輸出面的夾角α的關(guān)系如圖2所示為Δθ=(n2-sin2θcosθ-1)α,α<<1---(3)]]>式中Δθ為偏離角度的絕對(duì)值，α為傾斜移位光學(xué)平板的楔角。
在波面的傳播方向上，經(jīng)過左上傾斜移位光學(xué)平板5和右上傾斜移位光學(xué)平板3的光線間距為T1，經(jīng)過左下傾斜移位光學(xué)平板4和右下傾斜移位光學(xué)平板2的光線間距為T2，如圖4所示。
待測波面W與入射波長λ、垂直于光軸方向的位移S、入射光束孔徑半徑R、干涉圖的上部分條紋間距T1和干涉圖的下部分條紋間距T2的關(guān)系為W=λR24S|T2-T1|T1T2=λR24SΔTT1T2---(4)]]>式中T1為干涉圖的上部分條紋間距，T2為干涉圖的下部分條紋間距，ΔT為上下條紋數(shù)之差。
在先技術(shù)[1]和[2]采用直接法的徑向剪切干涉儀和點(diǎn)衍射干涉儀測量波面，應(yīng)用于測量衍射極限波面需要光學(xué)系統(tǒng)的象差小于待測波面的象差，這樣高精度光學(xué)系統(tǒng)的制作極為困難。在先技術(shù)[3]采用間接幾何法的哈特曼檢驗(yàn)法，測量精度低，無法測量衍射極限波面。在先技術(shù)[4]的橫向剪切干涉儀無法測量波差小于一個(gè)波長的波面。在先技術(shù)[5]采用引入傾斜量的橫向剪切干涉儀，需要測量傾斜量和絕對(duì)測量背景條紋的寬度，測量精度只能與衍射極限波面的波差相當(dāng)，無法測量衍射極限波面。本發(fā)明的雙剪切波面測量干涉儀采用差動(dòng)原理測量引入傾斜量的橫向剪切干涉，不需要測量傾斜量，而只要測量相對(duì)條紋變化，精度高，可以制作大口徑，測量衍射極限下的激光波面。
下面給出一個(gè)最佳實(shí)施例的具體設(shè)計(jì)參數(shù)待測波面孔徑直徑2R為50mm，波長λ為800nm。兩塊雅敏干涉儀光學(xué)平板長200mm，寬95mm，厚60mm，折射率為1.50959。四塊傾斜移位光學(xué)平板長90mm，寬35mm，厚D為30mm，折射率n為1.50959，楔角α為17″。全口徑觀察條紋數(shù)目N為5條紋，測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。
參照?qǐng)D2-1，傾斜移位平板4楔角α為17″，EF平行于GH，∠EHG為115度。四塊傾斜移位平板完全相同。這樣結(jié)構(gòu)加工方便，易于安裝調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于該測量儀的構(gòu)成包括一塊輸入雅敏光學(xué)平行平板(1)，一塊輸出雅敏光學(xué)平行平板(6)和觀察屏(7)，在輸入雅敏干涉儀光學(xué)平行平板和輸出雅敏干涉儀光學(xué)平行平板之間設(shè)置有右下傾斜移位光學(xué)平板(2)，右上傾斜移位光學(xué)平板(3)，左下傾斜移位光學(xué)平板(4)，左上傾斜移位光學(xué)平板(5)，以逆時(shí)針方向?yàn)檎瑒t右下傾斜移位光學(xué)平板(2)的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α；右上傾斜移位光學(xué)平板(3)的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左下傾斜移位光學(xué)平板(4)的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左上傾斜移位光學(xué)平板(5)的入射角為-θ，輸出面法線到輸入面法線角度為-α。該四塊傾斜移位光學(xué)平板為楔形平板，輸入面和輸出面的夾角為楔角α，入射角的絕對(duì)值為θ，則楔角α應(yīng)滿足下列關(guān)系式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-2S)]]>其中λ為入射波長，n為平板折射率，N為觀察屏(7)觀察口徑內(nèi)的基本條紋數(shù)，S為光束通過傾斜移位光學(xué)平板后垂直于入射光光軸方向的位移，R為入射光束孔徑半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于所述的四塊傾斜移位光學(xué)平板(2，3，4，5)結(jié)構(gòu)是相同的，輸出面和輸入面不平行，夾角為楔角α。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于所述的傾斜移位光學(xué)平板的入射角θ的最佳值為30°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于所述的觀察屏(7)觀察口徑內(nèi)的最佳基本條紋數(shù)N＝5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于所述的四塊傾斜移位平板設(shè)置在輸入雅敏光學(xué)平板和輸出雅敏光學(xué)平板之間的最佳位置為二分之一處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于光束通過傾斜移位光學(xué)平板后垂直于入射光軸方向的最佳位移S＝0.5R，其中R為入射光束孔徑半徑，相應(yīng)的傾斜移位光學(xué)平板(2，3，4，5)的厚度D由下式?jīng)Q定S=D(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于所述的傾斜移位平板的塊數(shù)可以推廣為2M(M≥1，且為整數(shù))。分為左右兩組，每組M層，總厚度大于等于口徑直徑。每一層左右兩塊輸出面法線到輸入面法線角度絕對(duì)值相同，符號(hào)相反；不同的層間輸出面法線到輸入面法線角度可以無關(guān)。根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7所述的雙剪切波面干涉測量儀，其特征在于所述的觀察屏(7)可以替代為計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，由成像物鏡、CCD和帶有分析軟件的計(jì)算機(jī)組成。
全文摘要
一種雙剪切波面干涉測量儀，特別適于波差小于一個(gè)波長的波面測量。其構(gòu)成包括一塊輸入雅敏光學(xué)平行平板，一塊輸出雅敏光學(xué)平行平板，觀察屏，在輸入雅敏干涉儀光學(xué)平行平板和輸出雅敏干涉儀光學(xué)平行平板之間有右下傾斜移位光學(xué)平板，右上傾斜移位光學(xué)平板，左下傾斜移位光學(xué)平板，左上傾斜移位光學(xué)平板。以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，則右下傾斜移位光學(xué)平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為－α；右上傾斜移位光學(xué)平板的入射角為θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左下傾斜移位光學(xué)平板的入射角為－θ，輸出面法線到輸入面法線角度為α；左上傾斜移位光學(xué)平板的入射角為－θ，輸出面法線到輸入面法線角度為－α。本發(fā)明測量精度高，易于使用。
文檔編號(hào)G01J9/00GK1421680SQ02155049
公開日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者欒竹, 劉立人, 祖繼鋒, 劉德安, 周煜, 滕樹云 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所