專利名稱：：白光雙視場剪切波面干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光束波面測量，是一種白光雙視場剪切波面干涉儀，特別適合于相干長度較小、波差小于一個波長和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)射的激光光束有高度的準直性。光學衍射極限是光束在孔徑受限條件下能夠達到的最小發(fā)散度，此時的波面只有較小的波差。通常波面的測量方法有兩種，一種是待測波面通過光學裝置分束，產(chǎn)生一個標準參考波面，待測波面與標準參考波面相干涉，由干涉圖條紋直接得到待測波面的波差大小。另一種主要是指剪切干涉術(shù)，是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)的干涉來評價待測波面的波差，剪切干涉圖所反映的是待測波面的差分信息，經(jīng)解析運算便可求得原始波面。干涉條紋的目視觀察或條紋處理過程中，已有的技術(shù)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，因此需要一種適用于相干長度小的光源，等光程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，“Theuseofasingleparallelplatesasalateralshearinginterferometerwithavisiblegaslasersource”，Appl.Opt.3，531-534(1964))中所描述的Murty平行平板剪切干涉儀，由于平板厚度，經(jīng)平板前、后表面反射的光束產(chǎn)生一橫向剪切量，以重疊區(qū)的條紋無限寬作為判別標準。但是當波差小于一個波長時，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RajpalS.Sirohi，MahendraP.Kothiyal“Doublewedgeplateshearinginterferometerforcollimationtesting”，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　Ｔ摲椒ㄓ凶詤⒖蓟鶞剩`敏度是單楔板的2倍。但須兩楔板嚴格反向平行放置，由楔板決定的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XuDeyan，K.J.Rosenbruch，“Rotablesinglewedgeplateshearinginterferencetechniqueforcollimationtesting”，Opt.Eng.30，391-396(1991))中使用一個可旋轉(zhuǎn)的單楔板，楔板前、后表面反射的光束產(chǎn)生一剪切量，楔板在0°位置和旋轉(zhuǎn)180°后的位置分別產(chǎn)生兩組干涉條紋，由兩組條紋與剪切方向的夾角來判別波面的波差。該方法相對于Murty單平板有2倍的靈敏度，并且不受口徑限制，但需要精確旋轉(zhuǎn)楔板，且為非等光程相干。在先技術(shù)[4](參見LiGuohua，ZhaoMingshanandZhangJingbin，“ImprovedWedge-platesgearinginterferometrictechniqueforacollimationtest”，Appl.Opt.31，4363-4364(1992))中所描述的由一塊楔板和兩個平面鏡組成的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的剪切干涉儀，由楔板的反射和透射光束形成兩組剪切干涉儀，通過旋轉(zhuǎn)其中的一個平面鏡，使兩組干涉光場分離。該方法克服了兩塊楔板反向平行放置的問題，但仍為非等光程相干。在先技術(shù)[5](參見YonWooLee，HyunMoCho，InWonLee，“Half-apertureshearinginterferometerforcollimationtesting”，Opt.Eng.32(11)，2837-2840(1993))中所描述的是用擋板分別遮住在先技術(shù)[4]中兩個平面鏡的上、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)[6](參見中國專利公開號CN1421680A，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，利用差動原理，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的波差大小。但是重疊楔板之間的縫隙會產(chǎn)生衍射，并且對有非軸對稱像差的波面測量會出現(xiàn)偏差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述已有技術(shù)的困難，提供一種白光雙視場剪切波面干涉儀，適合于相干長度較小、波差小于一個波長和衍射極限的激光波面的精密測量，而且使用方便。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于其構(gòu)成包括平行放置的輸入光學平行平板和第一、第二輸出光學平行平板，四塊結(jié)構(gòu)相同的楔形平板，兩個觀察屏，在所述輸入光學平行平板和第一輸出光學平行平板之間設(shè)置有第一、第二楔形平板，以順時針方向為正，第一楔形平板的入射角為-θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為α；則第二楔形平板的入射角為θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為-α；在輸入光學平行平板和第二輸出光學平行平板之間設(shè)置有第三、第四楔形平板，以順時針方向為正，第三楔形平板的入射角為-θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為-α；第四楔形平板的入射角為θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為α，在所述的第一輸出光學平行平板的光束的輸出方向設(shè)置第一觀察屏，在第二輸出光學平行平板的光束的輸出方向設(shè)置第二觀察屏。待測波面的波高W由下列公式計算W=λR24ST1-T2T1T2---(1)]]>式中，λ為入射光波長，R為入射光束半徑，T1為第一觀察屏上干涉條紋寬度，T2為第二觀察屏上干涉條紋寬度，S為光束通過楔形平板后垂直于光軸方向的側(cè)向位移，當待測波面為發(fā)散球面波時，W為正，對應的T1＞T2；當待測波面為會聚球面波時，W為負，對應的T1＜T2。光束剪切量2S符合公式2S=2d(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)---(2)]]>式中，d為楔形平板的平均厚度，θ為光束在楔形平板上的入射角，n為楔形平板折射率。在目視情況下，當可分辨的條紋寬度為半個條紋時，則最小可測量波高符合公式Wmin=0.5λR24S(2R-S)---(3)]]>所述的楔形平板的入射角θ可調(diào)范圍為0°＜θ≤30°，其最佳值為30°。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-2S)---(4)]]>式中，N為觀察屏上的基本條紋數(shù)。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。所述的輸入、輸出光學平行平板的兩面最好均鍍半透半反膜。所述的光束通過楔形平板后垂直于光軸方向的側(cè)向位移S為0～0.75R，對應的光束剪切量變化范圍為2S0～1.5R，則楔形平板的平均厚度d由下式?jīng)Q定d=S/(sinθ-sin2θ2n2-sin2θ)---(5)]]>所述的兩路干涉光路中由兩對楔形平板轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的剪切量是相同的。所述的光束在輸入光學平行平板上的入射角為θ′，直接反射光與透、反后透射出的光束之間分離量的中心距為H，則平行平板的厚度D由下列公式?jīng)Q定D=H/sin2θ′2n2-sin2θ′---(6)]]>所述的輸入光學平行平板的長度L1由下列公式?jīng)Q定L1＝(1.5H+2R)/cosθ′(7)所述的輸出光學平行平板的長度L2、L3則由下列公式?jīng)Q定L2＝L3＝(H+2R+2S)/cosθ′(8)所述的觀察屏8、9可以用計算機圖像處理系統(tǒng)代替，該系統(tǒng)由CCD相機及具有干涉圖處理軟件計算機組成。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形平板，引入的波面傾斜方向與剪切方向平行，在兩個觀察屏上形成兩組干涉條紋。通過旋轉(zhuǎn)兩對楔板，可以改變剪切量。該發(fā)明采用差動原理測量波面，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。實驗證明，全口徑觀察基本條紋數(shù)N為5，測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。圖1為本發(fā)明白光雙剪切波面干涉儀的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明中光束通過楔形平板的光路示意3為本發(fā)明中楔形平板的結(jié)構(gòu)示意4、圖5分別為本發(fā)明觀察屏8、9上的干涉條紋具體實施例方式首先參閱圖1，圖1為本發(fā)明白光雙剪切波面干涉儀最佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明一種白光雙視場剪切波面干涉儀，其構(gòu)成包括平行放置的輸入光學平行平板1、第一輸出光學平行平板2和第二輸出光學平行平板3，在輸入光學平行平板1和第一輸出光學平行平板2之間設(shè)置有第一楔形平板4和第二楔形平板5，以順時針方向為正，第一楔形平板4的入射角為-θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為α；則第二楔形平板5的入射角為θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為-α；在輸入光學平行平板1和第二輸出光學平行平板3之間設(shè)置有第三楔形平板6和第四楔形平板7，以順時針方向為正，第三楔形平板6的入射角為-θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為-α；第四楔形平板7的入射角為θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為α；在第一輸出光學平行平板2的光束的輸出方向設(shè)置第一觀察屏8，在第二輸出光學平行平板3的光束的輸出方向設(shè)置第二觀察屏9，則待測波面的波高W可由下列公式計算W=λR24ST1-T2T1T2]]>式中，λ為入射光波長，R為入射光束半徑，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為光束通過楔形平板后垂直于光軸方向的側(cè)向位移，當待測波面為發(fā)散球面波時，W為正，對應的T1＞T2；當待測波面為會聚球面波時，W為負，對應的T1＜T2。所述的四塊楔形平板4、5、6、7結(jié)構(gòu)完全相同，楔角均為α，楔角α滿足下列公式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-2S)]]>式中，N為觀察屏上的基本條紋數(shù)。楔形平板的入射角θ可調(diào)范圍為0°＜θ≤30°，其最佳值θ＝30°。所述的輸入、輸出光學平行平板1、2、3兩面均鍍半透半反膜。為便于目視觀察，取所觀察口徑內(nèi)的條紋數(shù)N＝5。參見圖2，光束通過楔形平板后產(chǎn)生的的光束剪切量為2S，其變化范圍為0～1.5R，綜合考慮到靈敏度和觀察視場，取2S＝0.5R為宜。此時，目視情況下最小可測量波高為0.2λ。光束在楔形平板上的入射角θ隨楔形平板的轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)，最佳取θ＝30°。光束在輸入光學平行平板1上的入射角為θ′，當θ′＝45°左右時，干涉光束之間分離量已接近最大值，因而當光束口徑變大時，為保證一定的分離量，必須增加平板的厚度，所以實際可測量光束的口徑是有限的。參見圖1、圖2、圖3所示，楔形平板的輸入面與輸出面之間的夾角為楔角α，光束通過楔形平板后引入的波面傾斜方向與剪切方向平行。工作過程中放置如下首先，調(diào)整輸入平行平板1與輸出平行平板2、3分別平行；然后，按圖2所示將兩對楔角相向的楔板放置在兩條干涉光路的中間位置，通過旋轉(zhuǎn)兩對楔板，改變?nèi)肷浣铅龋{(diào)整剪切量2S到最佳狀態(tài)；接著，由第一、第二觀察屏8、9分別獲得兩個剪切干涉圖，通過干涉圖處理得到待測波面的波差。雙剪切波面干涉儀的基本原理為參見圖1，待測波面斜入射到平行平板1上，經(jīng)前表面反射的光束A，透射后經(jīng)后表面反射，再從前表面透射的光束B，光束A、B相干；入射光束直接透過平行平板1形成光束C，入射光束經(jīng)平行平板1后表面和前表面兩次反射，再從后表面透射，形成光束D，光束C、D相干。參見圖2，光束A和光束B入射到第一、第二楔板4、5上，分別產(chǎn)生垂直于光軸且方向相反的側(cè)向位移S，同時光束發(fā)生偏折，分別產(chǎn)生Δθ的偏折角，偏折方向為遠離光軸；然后，兩出射光束經(jīng)平行平板2反射和透、反產(chǎn)生剪切干涉，剪切量為2S。光束C和光束D入射到第三、第四楔板6、7上，分別產(chǎn)生垂直于光軸且方向相反的側(cè)向位移S，光束發(fā)生偏折，偏折角為Δθ，偏折方向與楔板4、5上的情況相反，為靠近光軸方向；然后，兩出射光束經(jīng)第二平行平板3反射和透、反產(chǎn)生剪切干涉，剪切量也為2S。光束經(jīng)楔形平板4、5、6、7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4和圖5，干涉圖8、9上的干涉條紋寬度分別為T1、T2，入射波長為λ，入射光束半徑為R，剪切量為2S，則待測波面的波差W為W=λR24ST1-T2T1T2]]>并且，由W的符號可以判別待測波面的會聚及發(fā)散狀況。下面針對一個實施例給出具體設(shè)計參數(shù)待測波面直徑2R為50mm，波長λ為800nm，取光束分離量H＝60mm。三塊雅敏平行平板材料為國產(chǎn)K9玻璃，長200mm，寬95mm，厚80mm，折射率n為1.50959。四塊楔形平板同樣為國產(chǎn)K9玻璃，長90mm，寬70mm，厚30mm，折射率n為1.50959，楔角α為17″。全口徑觀察基本條紋數(shù)N為5，測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。權(quán)利要求1.一種白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于其構(gòu)成包括平行放置的輸入光學平行平板(1)、第一輸出光學平行平板(2)和第二輸出光學平行平板(3)，四塊結(jié)構(gòu)相同的楔形平板(4、5、6、7、)，兩個觀察屏(8、9)，在輸入光學平行平板(1)和第一輸出光學平行平板(2)之間設(shè)置有第一楔形平板(4)和第二楔形平板(5)，以順時針方向為正，第一楔形平板(4)的入射角為-θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為α；則第二楔形平板(5)的入射角為θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為-α；在輸入光學平行平板(1)和第二輸出光學平行平板(3)之間設(shè)置有第三楔形平板(6)和第四楔形平板(7)，以順時針方向為正，楔形平板(6)的入射角為-θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為-α；則楔形平板(7)的入射角為θ，輸入面法線到輸出面法線的夾角為α；在第一輸出光學平行平板(2)的光束的輸出方向設(shè)置第一觀察屏(8)，在第二輸出光學平行平板(3)的光束的輸出方向設(shè)置第二觀察屏(9)，待測波面的波高W由下列公式計算W=λR24ST1-T2T1T2]]>式中λ為入射光波長，R為入射光束半徑，T1為觀察屏(8)上干涉條紋寬度，T2為觀察屏(9)上干涉條紋寬度，S為光束通過楔形平板后垂直于光軸方向的側(cè)向位移，當待測波面為發(fā)散球面波時，W為正，對應的T1＞T2；當待測波面為會聚球面波時，W為負，對應的T1＜T2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于所述的楔形平板的入射角θ可調(diào)范圍為0°＜θ≤30°。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于所述的楔形平板的入射角θ最佳值為30°。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于所述的觀察屏(8、9)上的觀察口徑內(nèi)的基本條紋數(shù)N＝5或N＝6。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于所述的四塊楔形平板(4、5、6、7)結(jié)構(gòu)完全相同，楔角α滿足下列公式α=(N-1)λ2(n2-sin2θcosθ-1)(2R-2S)]]>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所述的白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于所述的輸入、輸出光學平行平板(1、2、3)兩面均鍍半透半反膜。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光雙視場剪切波面干涉儀，特征在于所述的觀察屏(8、9)可以用計算機圖像處理系統(tǒng)代替，該系統(tǒng)由CCD相機及具有干涉圖處理軟件的計算機組成。全文摘要一種白光雙視場剪切波面干涉儀，包括平行放置的輸入光學平行平板和第一、第二輸出光學平行平板，在所述輸入光學平行平板和第一輸出光學平行平板之間設(shè)置有第一、第二楔形平板，在輸入光學平行平板和第二輸出光學平行平板之間設(shè)置有第三第四楔形平板，在所述的第一輸出光學平行平板的光束的輸出方向設(shè)置第一觀察屏，在第二輸出光學平行平板的光束的輸出方向設(shè)置第二觀察屏。本發(fā)明適合于相干長度較小、波差小于一個波長和衍射極限的激光波面的精密測量，而且使用方便。測量范圍為口徑內(nèi)最大波差0.2～1λ。文檔編號G01J9/02GK1560576SQ20041001672公開日2005年1月5日申請日期2004年3月4日優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日發(fā)明者徐榮偉,劉立人,欒竹,劉宏展申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所