專利名稱：白光雙視場波面測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束波面測量，是一種白光雙視場波面測量儀，特別適合于相干長度較小、波差小于一個(gè)波長，發(fā)散度達(dá)到衍射極限的激光波面的精密測量。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星之間的激光通訊要求發(fā)射的半導(dǎo)體激光束具有高度的準(zhǔn)直性，發(fā)散度達(dá)到衍射極限，此時(shí)光束波面的波差只有0.3λ左右；同時(shí)，半導(dǎo)體激光的光譜帶寬為納米量級(jí)，相干長度小于毫米量級(jí)，要求等光程干涉。剪切干涉法是一種簡便而精密的波面測量方法，它利用待測波面與其自身的、被剪開的波面之間在重疊區(qū)域內(nèi)的干涉來評價(jià)待測波面的波差，剪切干涉條紋所反映的是待測波面的差分信息，經(jīng)解析運(yùn)算便可求得原始波面。已有技術(shù)大多對相干長度較小的光源、衍射極限光束的波面測量比較困難，在先技術(shù)雙剪切波面干涉測量儀可以實(shí)現(xiàn)上述要求的波面測量，但為半視場的分口徑條紋，因此需要一種適用于相干長度小的光源，等光程，全視場，而且可測量較小波差的高精度測量系統(tǒng)。
在先技術(shù)[1](參見M.V.R.K.Murty，“The use of a single parallelplates as a lateral shearing interferometer with a visible gas laser source”，Appl.Opt.3，531-534(1964))中所描述的Murty平板干涉儀，光束經(jīng)平行平板前、后表面反射而產(chǎn)生一橫向剪切，以重疊區(qū)的條紋無限寬作為判別標(biāo)準(zhǔn)。但是當(dāng)波差小于一個(gè)波長時(shí)，條紋寬度將超出重疊區(qū)，出現(xiàn)均勻視場，對更小的波差無法判別。對相干長度小的光源的測量，需制作高精度的薄平板，尤其對大口徑薄板，制作困難。
在先技術(shù)[2](參見Rajpal S.Sirohi，Mahendra P. Kothiyal“Doublewedge plate shearing interferometer for collimation testing”，Appl.Opt.26，4054-4056(1987))中所描述的雙楔板剪切干涉儀是利用兩塊楔邊反向平行放置的楔板產(chǎn)生兩組干涉條紋，由兩組條紋的夾角或?qū)挾戎钋蟪霾ú畲笮?。該方法有自參考基?zhǔn)，靈敏度是單楔板的2倍。但須兩楔板嚴(yán)格反向平行放置，并且剪切波面與原始波面無法分開，非等光程相干，只適用于相干長度較長的光源。
在先技術(shù)[3](參見Yon Woo Lee，Hyun Mo Cho，In Won Lee，“Half-aperture shearing interferometer for collimation testing”，Opt.Eng.32(11)，2837-2840(1993))中所描述的由一塊楔板和兩個(gè)平面鏡組成的邁克爾遜型的剪切干涉儀，旋轉(zhuǎn)其中的一個(gè)平面鏡，并用擋板分別遮住兩個(gè)平面鏡的上、下部分，形成由兩組半口徑干涉條紋合并成的一幅干涉圖，相互參考方便，但仍為非等光程相干。
在先技術(shù)[4](參見James C.Wyant“Advances in interferometricmetrology”Proceeding of SPIE vol 4927，154-162(2002))中所描述的移相式Twyman-Green干涉儀采用移相方法和相位板一次多幅成像技術(shù)測量波面，實(shí)時(shí)測量，精度高，抗振性能好。但設(shè)備成本較高，且干涉條紋數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。
在先技術(shù)[5](參見中國專利公開號(hào)CN 1421680A，
公開日2003年6月4日，發(fā)明名稱雙剪切波面干涉測量儀)中所描述的雙剪切波面干涉測量儀，在兩塊平行平板中間放置兩組上下重疊且楔邊反向放置的楔板對，通過旋轉(zhuǎn)兩組楔板對，產(chǎn)生上、下半口徑的剪切干涉圖樣。該方法為等光程干涉，由上下半口徑的條紋寬度的相對變化可以得到相應(yīng)的波差大小。但是重疊楔板之間的縫隙會(huì)產(chǎn)生衍射，并且為半視場條紋，對有非對稱像差的波面測量會(huì)出現(xiàn)偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的困難，提供一種白光雙視場波面測量儀，適合于相干長度小的光源(如半導(dǎo)體激光器)，雙屏全視場條紋顯示，數(shù)據(jù)處理簡單。
本發(fā)明是利用雙剪切和差動(dòng)原理，簡便而精密地測量衍射極限波面，具體技術(shù)解決方案如下一種白光雙視場波面測量儀，特征在于其構(gòu)成是一輸入平板和第一輸出平板平行放置，中間設(shè)置有第一楔板和第二楔板，第一楔板和第二楔板之間的楔角為α，光束在楔板上的入射角為θ；該輸入平板和第二輸出平板平行放置，其中也設(shè)置有第三楔板和第四楔板，第三楔板和第四楔板之間的楔角亦為α，光束在楔板上的入射角為θ，入射光束經(jīng)輸入平板分束為A、B、C、D四路，其中A、B光路經(jīng)輸出平板后相干，C、D光路經(jīng)第二輸出平板后相干，在所述的第一輸出平板的光束輸出方向設(shè)置第一觀察屏，在第二輸出平板的光束輸出方向設(shè)置第二觀察屏。
所述的楔板的入射角θ的可調(diào)范圍為30°～55°，最佳值為30°。
所述的光束剪切量S變化范圍為0.5R～R，并且S符合公式S=2d(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)]]>式中，d為楔板的平均厚度，θ為光束在楔板上的入射角，n為楔板折射率。
所述的兩干涉光路中由兩對楔板轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切量S是相同的。
所述的四塊楔形平板結(jié)構(gòu)完全相同，楔角α滿足以下公式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-S)]]>式中，N為觀察屏上的基本條紋數(shù)。
所述的光束剪切量S取最大值時(shí)，則楔板的平均厚度d由下式?jīng)Q定d=S2(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)]]>所述的觀察屏上的觀察口徑內(nèi)的基本條紋數(shù)N＝5或N＝6。
用計(jì)算機(jī)條紋處理系統(tǒng)代替所述的第一觀察屏(8)和第二觀察屏(9)，該計(jì)算機(jī)條紋處理系統(tǒng)由CCD相機(jī)及具有剪切干涉條紋處理軟件的計(jì)算機(jī)組成。
本發(fā)明以雅敏干涉儀為基礎(chǔ)，在兩路干涉光路中分別插入兩對楔角反向放置的楔板，引入的波面傾斜方向與剪切方向平行，在兩個(gè)觀察屏上形成兩組干涉條紋。通過精密旋轉(zhuǎn)兩對楔板，可以改變剪切量。該發(fā)明采用差動(dòng)原理測量波面，精度高，由兩組干涉條紋的相對變化，就可測得波面的波差，兩組干涉光路均為等光程相干，因此適用于衍射極限波面的測量，特別適用于相干長度較短的光源。實(shí)驗(yàn)證明，全口徑觀察基本條紋數(shù)N為6，測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。


圖1為本發(fā)明白光雙視場波面測量儀的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明中光束通過楔板的光路示意3為本發(fā)明中楔板對的不同放置方式圖4、圖5為本發(fā)明觀察屏8、9上的干涉條紋
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1和圖2，圖1為本發(fā)明白光雙視場波面測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明中光束通過楔板的光路示意圖，由圖可見，本發(fā)明白光雙視場波面測量儀，其構(gòu)成包括一塊輸入平板、兩塊輸出平板，四塊結(jié)構(gòu)相同的楔板和兩個(gè)觀察屏。輸入平板1和第一輸出平板2平行放置，中間設(shè)置有第一楔板4和第二楔板5，楔板的楔角均為α，光束在楔板上入射角為θ；輸入平板1和第二輸出平板3平行放置，中間設(shè)置有第三楔板6和第四楔板7，楔板的楔角均為α，光束在楔板上的入射角為θ。入射光束經(jīng)輸入平板1分束為A、B、C、D四路，其中A、B光路經(jīng)第一輸出平板2后相干，C、D光路經(jīng)第二輸出平板3后相干。在所述的第一輸出平板2的光束輸出方向設(shè)置第一觀察屏8，在第二輸出平板3的光束輸出方向設(shè)置第二觀察屏9。
待測波面的波高W由下列公式計(jì)算W=λR24ST1-T2T1T2----(1)]]>式中λ為入射波長，R為光束半徑，T1為第一觀察屏8上干涉條紋寬度，T2為第二觀察屏9上干涉條紋寬度，S為剪切量，當(dāng)待測波面為發(fā)散球面波時(shí)，W為正，對應(yīng)的T1＞T2；當(dāng)待測波面為會(huì)聚球面波時(shí)，W為負(fù)，對應(yīng)的T1＜T2。
目視情況下，當(dāng)可分辨的條紋寬度為半個(gè)條紋時(shí)，則最小可測量波高符合公式Wmin=0.5λR24S(2R-S)----(2)]]>
所述的楔板的入射角θ可調(diào)范圍為30°～55°，其最佳值為30°。所述的光束剪切量S變化范圍為0.5R～R，并且S符合公式S=2d(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)----(3)]]>式中，d為楔板的平均厚度，θ為光束在楔板上的入射角，n為楔板折射率。
所述的兩路干涉光路中由兩對楔板轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切量S是相同的。
所述的四塊楔形平板結(jié)構(gòu)完全相同，楔角α滿足以下公式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-S)----(4)]]>式中，N為觀察屏上的基本條紋數(shù)。
所述的光束剪切量S取最大值時(shí)，則楔板的平均厚度d由下式?jīng)Q定d=S2(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)----(5)]]>所述的觀察屏8、9可以用計(jì)算機(jī)條紋處理系統(tǒng)代替，該系統(tǒng)由CCD相機(jī)及具有剪切干涉條紋處理軟件計(jì)算機(jī)組成。
參見圖2，光束A和光束B入射到第一楔板4和第二楔板5構(gòu)成的第一楔板對上，分別產(chǎn)生垂直于光軸且方向相反的側(cè)向位移0.5S，并且光束發(fā)生偏折，分別產(chǎn)生Δθ的偏折角，偏折方向?yàn)檫h(yuǎn)離光軸；然后，兩出射光束經(jīng)第一輸出平板2反射和透反產(chǎn)生剪切干涉，剪切量為S。光束C和光束D入射到第三楔板對6和第四楔板7構(gòu)成的第二楔板對上，分別產(chǎn)生垂直于光軸且方向相反的側(cè)向位移0.5S，光束發(fā)生偏折，偏折角為Δθ，偏折方向與第一楔板對的情況相反，為靠近光軸方向；然后，兩出射光束經(jīng)第二輸出平板3直接經(jīng)透射、兩次反射、再透射產(chǎn)生剪切干涉，剪切量也為S。光束經(jīng)四塊楔形平板后，產(chǎn)生偏折角的絕對值Δθ與入射角θ，楔角α及折射率n的關(guān)系為Δθ=(n2-sin2θcosθ-1)α]]>參見圖3，兩路干涉光路中楔板對的放置可以有4種組合方式，即(a)和(b)、(a)和(d)、(b)和(c)、(c)和(d)。
參見圖4、5，干涉圖形8、9上的干涉條紋寬度分別為T1、T2，入射波長為λ，光束半徑為R，剪切量為S，則待測波面的波差W為W=λR24ST1-T2T1T2]]>并且，由W的符號(hào)可以判別待測波面的會(huì)聚及發(fā)散狀況。
下面針對一個(gè)實(shí)施例給出具體設(shè)計(jì)參數(shù)待測光束口徑2R＝35mm，波長λ＝800nm。三塊平行平板材料為K9玻璃，長190mm，寬40mm，厚70mm，折射率n＝1.50959。四塊楔板也為K9玻璃，長70mm，寬40mm，厚20mm，折射率n為1.50959，楔角α為23″。全口徑觀察基本條紋數(shù)N為6，測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。
經(jīng)試用證明，本發(fā)明采用差動(dòng)原理測量波面，精度高，由兩組干涉條紋的相對變化，就可測得波面的波差，兩組干涉光路均為等光程相干，因此適用于衍射極限波面的測量，特別適用于相干長度較短的光源。實(shí)驗(yàn)證明，全口徑觀察基本條紋數(shù)N為6，測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。
權(quán)利要求
1.一種白光雙視場波面測量儀，特征在于其構(gòu)成是一輸入平板(1)和第一輸出平板(2)平行放置，中間設(shè)置有第一楔板(4)和第二楔板(5)，第一楔板(4)和第二楔板(5)之間的楔角為α，光束在楔板上的入射角為θ；輸入平板(1)和第二輸出平板(3)平行放置，其中設(shè)置有第三楔板(6)和第四楔板(7)，第三楔板(6)和第四楔板(7)之間的楔角亦為α，光束在楔板上的入射角為θ，入射光束經(jīng)輸入平板(1)分束為A、B、C、D四路，其中A、B光路經(jīng)輸出平板(2)后相干，C、D光路經(jīng)第二輸出平板(3)后相干，在所述的第一輸出平板(2)的光束輸出方向設(shè)置第一觀察屏(8)，在第二輸出平板(3)的光束輸出方向設(shè)置第二觀察屏(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于所述的楔板的入射角θ的可調(diào)范圍為30°～55°，最佳值為30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于所述的光束剪切量S變化范圍為0.5R～R，并且S符合公式S=2d(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)]]>式中，d為楔板的平均厚度，θ為光束在楔板上的入射角，n為楔板折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于所述的兩干涉光路中由兩對楔板轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切量S是相同的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于所述的四塊楔形平板結(jié)構(gòu)完全相同，楔角α滿足以下公式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-S)]]>式中，N為觀察屏上的基本條紋數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于所述的光束剪切量S取最大值時(shí)，則楔板的平均厚度d由下式?jīng)Q定d=S2(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于所述的觀察屏上的觀察口徑內(nèi)的基本條紋數(shù)N＝5或N＝6。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場波面測量儀，特征在于用計(jì)算機(jī)條紋處理系統(tǒng)代替所述的第一觀察屏(8)和第二觀察屏(9)，該系統(tǒng)由CCD相機(jī)及具有剪切干涉條紋處理軟件的計(jì)算機(jī)組成。
全文摘要
一種白光雙視場波面測量儀，特征在于其構(gòu)成是一輸入平板和第一輸出平板平行放置，中間設(shè)置有第一楔板和第二楔板，第一楔板和第二楔板之間的楔角為α，光束在楔板上的入射角為θ；該輸入平板和第二輸出平板平行放置，其中也設(shè)置有第三楔板和第四楔板，第三楔板和第四楔板之間的楔角亦為α，光束在楔板上的入射角為θ，入射光束經(jīng)輸入平板分束為A、B、C、D四路，其中A、B光路經(jīng)輸出平板后相干，C、D光路經(jīng)第二輸出平板后相干，在所述的第一輸出平板的光束輸出方向設(shè)置第一觀察屏，在第二輸出平板的光束輸出方向設(shè)置第二觀察屏。本發(fā)明適合于相干長度小的光源，雙屏全視場條紋顯示，數(shù)據(jù)處理簡單。
文檔編號(hào)G01J9/02GK1619266SQ20041008933
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者徐榮偉, 劉立人, 孿竹, 劉宏展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所