專利名稱：近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明是一種對近紅外高功率脈沖波前畸變檢測干涉儀的系統(tǒng)誤差進行高精度標定的近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)及其方法。
背景技術：
在國防軍工及國民經(jīng)濟領域中，常常需要對各種波前進行高精度的檢測，其主要的測量指標就是波前孔徑內(nèi)的峰谷值(Peak-valley value，PV值)及均方根(Root-mean square，RMS)來表示。利用干涉儀可以檢測各種精密表而的面形，也可以檢測一些可見光波段的光束質(zhì)量。要進行此類高精度的波前檢測各類干涉儀本身必須具有很高的精度，現(xiàn)在常常利用計算機存儲相減技術，一般的干涉儀是雙光束干涉系統(tǒng)，利用高精度表面作為干涉儀的參考面，利用計算機測出干涉儀的系統(tǒng)誤差并存儲于程序內(nèi)，在隨后的所有檢測中，將測得的數(shù)據(jù)減去系統(tǒng)誤差，可以得到實際被測量的值。其前提是干涉儀有高精度的參考面，并且具有一個連續(xù)的可見光波段的檢測。
但是隨著目前高科技的發(fā)展，對近紅外段強激光脈沖波前畸變的測量需求已越來越迫切。本發(fā)明所要標定的近紅外高功率脈沖波前檢測干涉儀是由脈沖波前剪切形成干涉條紋，所以沒有參考面。同時波長是1053nm的近紅外不可見光，因此該干涉儀的系統(tǒng)誤差標定，由于沒有參考面，就無法用上述的方法來標定，為此必須要有一個理想的近紅外標準光束來標定該干涉儀，從而求取系統(tǒng)誤差。
本發(fā)明為了解決上述的問題，設計了利用一雙凹透鏡及一組雙分離透鏡組組成一個伽俐略光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生一個虛焦點，從而可以避免強激光聚焦于實焦點產(chǎn)生的電離，并且鍍有抗強激光的高損傷域值的1053nm的增透介質(zhì)膜；設計了可以使雙分離透鏡精確同軸的機械結構，以使該準直擴束系統(tǒng)能精確同軸，產(chǎn)生一個理想的標定光束；同時為了論證該標定系統(tǒng)的可靠性，利用光束的二次旋轉來獲得兩次波前，并利用特定的測量方法獲取該標定系統(tǒng)的誤差，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理后獲得的結果表明該標定系統(tǒng)的固有誤差遠小于干涉儀要求精度即RMS1/15波長的值，其完全可以用來標定近紅外脈沖波前檢測干涉儀的系統(tǒng)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述的問題，提供一種近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)及其方法。
近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差的標定系統(tǒng)依次具有激光器、雙凹透鏡、雙分離準直鏡，雙分離準直鏡由負透鏡、正透鏡組成，光學系統(tǒng)結構參數(shù)半徑 間隔材料 通光直徑 近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定方法的步驟為1)設標定系統(tǒng)出射的波面誤差為ΔW1，待測干涉儀的系統(tǒng)誤差ΔW2，得到標定系統(tǒng)與待測干涉儀的系統(tǒng)誤差之和為ΔW＝ΔW1+ΔW2(1)2)將標定系統(tǒng)繞光軸轉180或90、270任一角度，得到角度旋轉后的標定系統(tǒng)與待測干涉儀的系統(tǒng)誤差之和為ΔW＝ΔW1+ΔW2(2)式中ΔW、ΔW1均表示是角度旋轉后的誤差表征值，由于干涉儀沒有旋轉，則(1)式減(2)式可以得到ΔW-ΔW＝ΔW1-ΔW1(3)從(3)式得出，當標定系統(tǒng)是一近似理想波面時，不管標定系統(tǒng)繞光軸如何旋轉，ΔW1-ΔW1趨于零或某個極小值；則認為標定系統(tǒng)是近似理想的，那么(1)式寫為ΔW≈ΔW2(4)
就得到待測干涉儀的系統(tǒng)誤差ΔW2。
本發(fā)明利用一雙凹透鏡及一組雙分離透鏡組組成一個伽俐略光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生一個虛焦點，從而可以避免強激光聚焦于實焦點產(chǎn)生的電離，并且鍍有抗強激光的高損傷域值的1053nm波長的增透介質(zhì)膜；通過對兩組透鏡進行精密五維調(diào)節(jié)后，使該準直擴束系統(tǒng)能精確同軸，產(chǎn)生一個理想的標定光束；同時為了論證該標定系統(tǒng)的可靠性，利用光束的二次旋轉方法來獲得兩個不同的波前參數(shù)，再利用特定的測量方法獲取該標定系統(tǒng)的誤差，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理后獲得的結果表明該標定系統(tǒng)的固有誤差遠小于干涉儀要求精度即RMS1/15波長的值，其完全可以用來標定近紅外脈沖波前檢測干涉儀的系統(tǒng)誤差。


圖1是近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)結構示意圖；圖2是本發(fā)明的雙分離準直透鏡組機構組裝圖。
具體實施例方式
1)近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)的光學元件結構參數(shù)如圖1所示，近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)依次具有激光器1、雙凹透鏡2、雙分離準直鏡，雙分離準直鏡具有負透鏡3、正透鏡4，光學系統(tǒng)結構參數(shù)半徑 間隔 材料 通光直徑 作為一個標定系統(tǒng)，首先理論設計值必須優(yōu)于干涉儀的檢測精度。上述光學系統(tǒng)理論設計值已經(jīng)達到的波象差的PV值為1/100波長(波長為1064nm)，由于PV值遠大于RMS，則RMS值很小遠遠優(yōu)于干涉儀的檢測精度，所以理論設計是很理想的。為了適應高功率檢測需要所有透鏡均鍍了高損傷域值的1053nm的增透膜，以防止脈沖檢測中損傷光學元件。
2)近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)的同光軸調(diào)整由于脈沖檢測干涉儀是用于近紅外脈沖波前的檢測，所以要標定其系統(tǒng)誤差，必須要產(chǎn)生一個近紅外的平行光束。為了適應較高功率脈沖的特點，采用了圖1所示的伽俐略系統(tǒng)結構。前面是一雙凹透鏡2，其主要作用是將近紅外激光器發(fā)出的光束發(fā)散擴束，經(jīng)雙分離準直鏡3、4后，使與2共焦，從而產(chǎn)生一個平行光波面射入要標定的干涉儀，然后產(chǎn)生的干涉條紋成象在干涉儀的CCD上。
首先調(diào)整近紅外激光器，激光器是一個50mw的半導體泵浦固體(NDYV04)溫控型紅外激光器，其產(chǎn)生1064nm(與1053nm的近紅外光波長最接近)的連續(xù)近紅外光，并且具有單橫模及很好的光束質(zhì)量，光強均勻，完全可以用于后續(xù)的定標。將近紅外光射于遠場，將光屏從近處拉至遠場，觀察光屏上光中心的變化，調(diào)整近紅外激光器光軸至水平。
下一步放入雙凹透鏡2，其主要作用是將近紅外激光器發(fā)出的光束發(fā)散擴束。一個優(yōu)質(zhì)的理想平行波面必須如圖1所示使透鏡2與激光器1的光軸同軸，透鏡2的直徑為6mm很小，所以采用了一個組裝的五維調(diào)整機構，即圖1中的X、Y、Z方向的三個平移以及在XY平面與XZ平面內(nèi)的兩個旋轉。同樣將光屏從近處拉至遠場，觀察光屏上光中心的變化，逐步調(diào)整雙凹透鏡2光軸與近紅外激光器共軸。
在完成上述的步驟后，接著放入雙分離準直鏡組的透鏡3、透鏡4，其主要作用是將發(fā)散擴束的光束準直，并與透鏡2共焦，從而產(chǎn)生一個平行光波面射入要標定的干涉儀。由于雙分離準直鏡組口徑為150mm較大，最主要的關鍵是保證該兩片透鏡共軸，利用如圖2所示的結構，雙分離準直鏡具有鏡筒8，鏡筒8內(nèi)設有鏡框6、鏡框12并用調(diào)節(jié)螺釘11頂緊，鏡框6上固定有負透鏡3、鏡框12上固定有正透鏡4，壓緊隔圈5、13分別用于固緊負透鏡3、正透鏡4，壓緊隔圈7、10分別用于固緊鏡框6、鏡框12。通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘11來調(diào)整偏心，以達到負透鏡3與正透鏡4的光軸共軸。兩透鏡的間隔由調(diào)整隔圈9來保證。雙分離準直鏡組也同樣具有一個五維調(diào)節(jié)機構，使與2的光軸共軸。2與雙分離準直鏡組的共焦可以通過成象在干涉儀的CCD上的干涉條紋來觀察，調(diào)整雙分離準直鏡組的光軸方向的移動手輪，觀察干涉條紋的變化，當條紋由彎曲變直，并且至無限寬條紋時，則表明透鏡2與雙分離準直鏡組3、4共焦，表明射入要標定的干涉儀的是一個較理想的近紅外平行光波面。
3)近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定方法利用本裝置來標定干涉儀的系統(tǒng)誤差，首先必須在驗證標定系統(tǒng)的固有誤差很小，以至于可以認為其產(chǎn)生的是一個相對理想的近紅外平行波面，從而才能得到干涉儀的系統(tǒng)誤差。本發(fā)明的另一主要特點就是巧密地利用兩次旋轉的測量方法來實現(xiàn)這個目標。
如圖1所示，當進行2)的調(diào)整后，標定系統(tǒng)出射的波面具有誤差為ΔW1，而干涉儀的系統(tǒng)誤差是ΔW2，則經(jīng)過干涉儀后，標定系統(tǒng)與干涉儀的系統(tǒng)誤差之和可表示為ΔW＝ΔW1+ΔW2(1)式中ΔW的數(shù)值求取過程是將成象在干涉儀的CCD(CCD是512×512象素的列陣)上的干涉條紋經(jīng)過A/D轉換而得到干涉條紋的強度數(shù)值；ΔW的求取按照數(shù)字波面最佳擬合處理的方法得到(相干計量儀器與技術·第五章·、浙江大學出版社、卓永模等編著)。將調(diào)整完的圖象用512×512象素的CCD采集并進行數(shù)據(jù)處理，此時第一次得到的波面數(shù)據(jù)是方程(1)中的ΔW，其包含了標定系統(tǒng)的誤差ΔW1及干涉儀系統(tǒng)誤差ΔW2，處理后波面等高圖的均方根值RMS＝0.183602波長。
然后將標定系統(tǒng)繞光軸轉180或90、270任一角度均可，然而干涉儀固定不動。此時標定系統(tǒng)由于轉動而使雙凹透鏡2與雙分離準直鏡3、4的光軸產(chǎn)生偏離，所以必須再進行上述調(diào)整步驟2)的過程，使繞光軸轉動后的標定系統(tǒng)的2與3、4的光軸都共軸。再將成象在干涉儀的CCD上的干涉條紋經(jīng)過A/D轉換而得到干涉條紋的強度數(shù)值，ΔW的求取同樣按照數(shù)字波面最佳擬合處理的方法得到ΔW＝ΔW1+ΔW2(2)式中ΔW、ΔW1均表示是角度旋轉后的誤差表征值，采集旋轉后的波面數(shù)據(jù)即方程(2)中的ΔW，其波面等高圖均方根值RMS＝0.172844波長。
值得注意得是由于干涉儀沒有旋轉，則(1)式減(2)式后就得到ΔW-ΔW＝ΔW1-ΔW1(3)
從(3)式可以得出，如果標定系統(tǒng)是一近似理想波面，則不管如何旋轉(ΔW1-ΔW1)趨于零或某個極小值。所以在實際檢測中，只需把旋轉前后的兩個波面數(shù)值相減，如果其RMS遠小于1/15波長，則可以認為標定系統(tǒng)是近似理想的，那么(1)式可以寫為ΔW≈ΔW2(4)也就是說，可以得到干涉儀的系統(tǒng)誤差ΔW2，只要將其存儲于程序內(nèi)，在隨后的任一波前檢測中做波面相減，就可以獲得一個實際的被測近紅外脈沖波前參數(shù)了。將兩次波面做(3)式所示的孔徑內(nèi)的波面相減，剩余的就是等式右邊標定系統(tǒng)誤差的均方根值，得到RMS＝0.034360波長，約為1/30波長，說明該標定系統(tǒng)的固有誤差僅為1/30波長，遠小于干涉儀要求的儀器精度。因此，該標定系統(tǒng)可以用于后續(xù)的干涉儀系統(tǒng)誤差標定。
這樣，取任一ΔW或旋轉后的ΔW均可以作為干涉儀的系統(tǒng)誤差并存儲于程序內(nèi)，在進行后續(xù)近紅外脈沖波前檢測時，作為波面存儲相減時干涉儀的系統(tǒng)誤差。
權利要求
1.一種近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)，其特征在于它依次具有激光器(1)、雙凹透鏡(2)、雙分離準直鏡，雙分離準直鏡具有負透鏡(3)、正透鏡(4)，其光學系統(tǒng)結構參數(shù)半徑 間隔 材料 通光直徑 448.99
2.根據(jù)權利要求1所述的一種近紅外脈沖波前干涉儀系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)，其特征在于所述的雙分離準直鏡具有鏡筒(8)，鏡筒(8)內(nèi)設有鏡框(6)、鏡框(12)并用調(diào)節(jié)螺釘(11)頂緊，鏡框(6)上固定有負透鏡(3)、鏡框(12)上固定有正透鏡(4)，壓緊隔圈(5)、(13)分別用于固緊負透鏡(3)、正透鏡(4)，壓緊隔圈(7)、(10)分別用于固緊鏡框(6)、鏡框(12)。
3.一種近紅外脈沖波前干涉儀系統(tǒng)誤差標定方法，其特征在于方法的步驟為1)設標定系統(tǒng)出射的波面誤差為ΔW1，待測干涉儀的系統(tǒng)誤差ΔW2，得到標定系統(tǒng)與待測干涉儀的系統(tǒng)誤差之和為ΔW＝ΔW1+ΔW2(1)2)將標定系統(tǒng)繞光軸轉180或90、270任一角度，得到角度旋轉后的標定系統(tǒng)與待測干涉儀的系統(tǒng)誤差之和為ΔW＝ΔW1+ΔW2(2)式中ΔW、ΔW1均表示是角度旋轉后的誤差表征值，由于干涉儀沒有旋轉，則(1)式減(2)式可以得到ΔW-ΔW＝ΔW1-ΔW1(3)從(3)式得出，當標定系統(tǒng)是一近似理想波面時，不管標定系統(tǒng)繞光軸如何旋轉，ΔW1-ΔW1趨于零或某個極小值；則認為標定系統(tǒng)是近似理想的，那么(1)式寫為ΔW≈ΔW2(4)就得到待測干涉儀的系統(tǒng)誤差ΔW2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近紅外脈沖波前干涉儀的系統(tǒng)誤差標定系統(tǒng)及其方法。它依次具有激光器、雙凹透鏡、由負透鏡、正透鏡組成的雙分離準直鏡。在標定中，利用特定的測量方法來驗證本裝置所具有的誤差，通過實施測量例中嚴格的數(shù)據(jù)處理，可以論證本裝置波前畸變量遠小于1/15波長的均方根值，完全可以作為一個近紅外波段的近似理想準直擴束器用于標定脈沖波前畸變檢測干涉儀的系統(tǒng)誤差。本發(fā)明可以對10－150mm口徑的近紅外高功率脈沖波前畸變檢測干涉儀進行系統(tǒng)誤差的標定，該方法適用于其它可見光、中、遠紅外波段的干涉儀的系統(tǒng)誤差的標定，為各類干涉儀檢測系統(tǒng)的檢測可靠性提供了極為有效的標定裝置及方法。
文檔編號G01J9/02GK1648622SQ20051004907
公開日2005年8月3日 申請日期2005年2月6日 優(yōu)先權日2005年2月6日
發(fā)明者楊甬英, 陸元彪, 陳陽杰, 卓永模 申請人:浙江大學