專利名稱：透鏡衍射波面測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波波面的測量，特別是一種透鏡衍射波面測量儀。
背景技術(shù)：
激光應用中，經(jīng)常要求所發(fā)射激光光束達到高度的平行性，用于集中能量提高效率或者產(chǎn)生盡量小的聚焦光斑。光學衍射極限是光束在理想條件下受到有限孔徑限制所能達到的最小的發(fā)散度，此時光波波面與平面波仍具有約0.3λ的波面像差。多年來，用于測量波面像差的方法有很多種，許多方法也相當成熟。
點衍射干涉儀波面?zhèn)鞲衅?參見《Introduction to Wavefront Sensors》，J.M.Geary，SPIE Press，Vol.TT18，1995，Chapter 4，pp54-56)是利用針孔衍射產(chǎn)生標準參考波面，與待測波面進行干涉來測量波面像差，簡稱波差的。對于平行光的待測波面，使用點衍射干涉儀的波面?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光學會聚透鏡01、點衍射干涉儀02、成像透鏡03和CCD相機04。光學會聚透鏡01與CCD相機04位于成像透鏡01的共軛成像面上，點衍射干涉儀02位于光學會聚透鏡01的后焦面上，且所有器件共軸。
平行光的待測波面經(jīng)光學會聚透鏡01會聚在其后焦點上，即點衍射干涉儀02的針孔上，經(jīng)針孔衍射產(chǎn)生標準參考波面，與透射過來的待測波面干涉，在CCD相機04上形成光學會聚透鏡01的像，據(jù)此得到待測波面的波面像差，又稱波差。
光學會聚透鏡01的像差必須遠小于待測波面的像差，對于衍射極限的波面的測量，光學會聚透鏡01的精度要求極高，制作極困難。
點衍射干涉儀02是鍍在薄透明襯底上的兩個同心圓薄膜，外面的大圓環(huán)是半透明的，相當于中等強度的濾波器，中間的針孔極小，起空間濾波作用。點衍射干涉儀02的制作也較復雜。

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的技術(shù)困難，提供一種透鏡衍射波面測量儀，利用波面經(jīng)過會聚透鏡衍射在焦點附近的光強分布，可簡便地測量任一波長的光波的波面像差，它應具有結(jié)構(gòu)簡單、加工便利、使用操作方便的特點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種透鏡衍射波面測量儀，其特點在于它是由共軸設置的圓形孔徑光闌、會聚透鏡和CCD探測器構(gòu)成，該會聚透鏡的尺寸略大于圓形孔徑光闌的孔徑且靠近該圓形孔徑光闌放置，所述的CCD探測器位于會聚透鏡之后，放在可沿光軸方向移動的精密的位置調(diào)整架上，CCD探測器與計算機圖像處理系統(tǒng)相連。
所述的會聚透鏡可以是對光束起會聚作用的雙凸透鏡或平凸透鏡。
所述的計算機圖像處理系統(tǒng)也可用單片機代替。
利用上述透鏡衍射波面測量儀測量待測光波波面的方法，包括下列步驟①將待測光波入射到圓形孔徑光闌上，經(jīng)焦距為f的會聚透鏡衍射，在會聚透鏡后產(chǎn)生衍射圖樣；②沿光軸方向?qū)CD探測器在調(diào)整架上移動，確定衍射圖樣中心光強發(fā)生跳變的位置，并觀察此時衍射圖樣存在幾個暗環(huán)，記錄出現(xiàn)兩個相同基準衍射圖樣的位置差Δz；③計算機圖像處理系統(tǒng)根據(jù)下列公式計算，并顯示其數(shù)值待測波面的曲率半徑R=Δz·R02f+R0f2Δ2z+2·Δz·R0Δz·R02-Δz·f2-2R0f2]]>確定待測波面的波差WW=R-R2-a2]]>式中f-會聚透鏡的焦距R0-波差為Nλ光波的曲率半徑a-圓形孔徑光闌的半徑。
本發(fā)明的技術(shù)效果與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的透鏡衍射波面測量儀對光學會聚透鏡和圓形孔徑光闌的制作精度要求不高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可以測量任何波長的光波波面的波差。


圖1為在先的點衍射干涉儀波面?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為光波波面的波差W與波面曲率半徑R之間的幾何關(guān)系圖。
圖4為入射光波波差為±4λ、±5λ、±6λ和±7λ時，CCD探測器在焦平面上接收到的衍射光強分布圖。
圖5為入射波面波差為0.6λ時透鏡后的軸向光強分布曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明透鏡衍射波面測量儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明透鏡衍射波面測量儀包括一塊圓形孔徑光闌1、一塊光學會聚透鏡2和CCD探測器3。圓形孔徑光闌1、會聚透鏡2和CCD探測器3共軸。所述的光學會聚透鏡2的半徑要大于圓形孔徑光闌1的孔徑a，且靠近圓形孔徑光闌1放置，該會聚透鏡的精度要求不高，其球面像差小于1λ即可。圓形孔徑光闌1的尺寸約20～30mm左右，光學會聚透鏡2的口徑略大于它即可。
所述的CCD探測器3位于光學會聚透鏡2之后，放在可沿光軸方向移動的精密的位置調(diào)整架上(圖中未示)，后接計算機圖像處理系統(tǒng)或單片機(圖中未示)。在實際測量中，由于調(diào)整架的長度是有限的，CCD探測器3能夠精確移動的距離有限，這往往限制了儀器測量波面像差的范圍。
平行光的待測光波入射到半徑為a的圓形孔徑光闌1上，經(jīng)焦距為f的光學會聚透鏡2衍射，在會聚透鏡2后產(chǎn)生衍射圖樣。沿光軸方向?qū)CD探測器3移動到中心光強產(chǎn)生跳變的位置，并觀察此時衍射圖樣存在幾個暗環(huán)，記錄出現(xiàn)兩個相同基準衍射圖樣的位置差Δz，則可確定待測波面的波差W。
儀器測量波差W隨CCD探測器3移動距離Δz的變化率與光學會聚透鏡2的焦距f有關(guān)dWd(Δz)=[R02(R-f)2-R2f2]22R03Rf3(f-R)(1-a2W2)--(1)]]>式中R0是波差為Nλ光波的曲率半徑，R是待測入射光波的曲率半徑，如圖3所示。根據(jù)圖3給出的幾何關(guān)系，R0，R由下式?jīng)Q定R0=a2+(Nλ)22·(Nλ)]]>R=a2+W22W--(2)]]>W隨Δz的變化率越小，儀器能夠測量波差W的精度越高。由(1)式可以看出，儀器能夠測量波差的精度不僅與f和a有關(guān)，而且與待測光波實際的波差W有關(guān)，隨著W的增大，儀器的測量精度也提高。因此只要根據(jù)W＝0時儀器要求的精度來確定會聚透鏡2的焦距f即可。對于確定的孔徑半徑a，可以通過增大透鏡焦距f來提高儀器的測量精度。為便于操作，選取半徑a＝10mm的圓形孔徑光闌，會聚透鏡2的焦距f＝0.5m。
基本原理當入射在圓形孔徑光闌1上的平行光的待測光波相對標準平面參考波的波差為±Nλ(N-正整數(shù))時，在光學會聚透鏡2的后焦面上，中心光強與同軸的臨近位置相比最弱，且主暗環(huán)數(shù)為(N-1)個，我們把該衍射圖樣稱作基準衍射圖樣。圖4所示是入射波面波差W分別為±4λ、±5λ、±6λ和±7λ時的基準衍射圖樣。對于波差為W的平行光的入射待測光波，透鏡后軸向光強分布如圖5所示，該圖是入射波面波差W為0.6λ時的軸向光強分布曲線，圖中z＝0的位置是后焦面位置，在光強最大處位置的兩側(cè)對稱出現(xiàn)了一系列光強跳變的點，即光強在減小的過程中突然增大，如圖中的A、B、C、D點，分別對應波差為±1λ、±2λ、±3λ和±4λ入射波面的基準衍射圖樣。由圖5可以看出，在焦點附近沿光軸移動CCD探測器的過程中，會在某兩個位置出現(xiàn)光強跳變且具有相同的基準衍射圖樣，這就相當于在待測波面上附加了一個波差為(±Nλ-W)的光波，由CCD探測器3在這兩個位置之間的移動距離Δz與待測波差W之間的關(guān)系即可確定待測波面的波差W。
CCD探測器3的移動距離Δz與入射待測波面的曲率半徑R有關(guān)R=Δz·R02f+R0f2Δ2z+2Δz·R0Δz·R02-Δz·f2-2R0f2--(3)]]>根據(jù)(3)式，由CCD探測器3的移動距離Δz即可確定待測光波的曲率半徑R，再由(2)式確定待測波面的波差W。
W=R-R2-a2--(4)]]>圓形孔徑光闌1直徑2a為20mm，光學會聚透鏡的焦距f為0.5m。以待測入射光波的波長λ為0.6328μm為例。
以波差W為±4λ波面的焦面衍射圖樣作為基準衍射圖樣(如圖4中的(a)圖)進行測量，測得CCD探測器3移動距離Δz為25.522mm，根據(jù)(3)式可知待測入射波面的曲率半徑R為131.7m，根據(jù)(4)式可求得待測波面的波差W為0.6λ。
若以衍射圖樣存在四個暗環(huán)即±5λ波差波面的焦面衍射圖樣(圖4中的(b)圖)作為基準衍射圖樣進行測量，仍測量波差為0.6λ的待測波面，CCD探測器需要移動31.914mm。若以衍射圖樣存在五個暗環(huán)即±6λ波差波面的焦面衍射圖樣(圖4中的(c)圖)作為基準衍射圖樣進行測量，CCD探測器需要移動的距離為38.314mm；若以衍射圖樣存在六個暗環(huán)即±7λ波差波面的焦面衍射圖樣作為基準衍射圖樣(即圖2中的(d)圖)進行測量，CCD探測器需要移動的距離為44.723mm。
在實際測量中，放置CCD探測器的精密調(diào)整架的長度是有限的，而且調(diào)整架越長，造價越高，這就限制了CCD探測器的移動范圍。因此，在選擇基準衍射圖樣時還要兼顧到CCD探測器精確移動距離的限制。同時，CCD探測器精確移動的距離即調(diào)整架的長度還限制了儀器可測波差的范圍。綜合考慮基準衍射圖樣判斷的難易度和調(diào)整架的長度，我們選擇波差為±4λ光波的焦面衍射圖樣作為基準衍射圖樣。如果CCD探測器能夠精確移動的最大距離為30mm，則該測量儀的測量范圍為孔徑內(nèi)波差W＜12λ。
權(quán)利要求
1.一種透鏡衍射波面測量儀，其特征在于它是由共軸設置的圓形孔徑光闌(1)、會聚透鏡(2)和CCD探測器(3)構(gòu)成，該會聚透鏡(2)的尺寸略大于圓形孔徑光闌(1)的孔徑且靠近該圓形孔徑光闌(1)放置，所述的CCD探測器(3)位于會聚透鏡(2)之后，放在可沿光軸方向移動的精密的位置調(diào)整架上，CCD探測器(3)與計算機圖像處理系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡衍射波面測量儀，其特征在于所述的會聚透鏡(2)可以是對光束起會聚作用的雙凸透鏡或平凸透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡衍射波面測量儀，其特征在于所述的計算機圖像處理系統(tǒng)也可用單片機代替。
4.利用權(quán)利要求1或2或3所述的透鏡衍射波面測量儀測量待測光波波面的方法，其特征在于包括下列步驟①將待測光波入射到圓形孔徑光闌(1)上，經(jīng)焦距為f的會聚透鏡(2)衍射，在會聚透鏡(2)后產(chǎn)生衍射圖樣；②沿光軸方向?qū)CD探測器(3)在調(diào)整架上移動，確定衍射圖樣中心光強發(fā)生跳變的位置，并觀察此時衍射圖樣存在幾個暗環(huán)，記錄出現(xiàn)兩個相同基準衍射圖樣的位置差Δz；③計算機圖像處理系統(tǒng)根據(jù)下列公式計算，并顯示其數(shù)值待測波面的曲率半徑R=Δz·R02f+R0f2Δ2z+2·Δz·R0Δz·R02-Δz·f2-2R0f2]]>確定待測波面的波差WW=R-R2-a2]]>式中f-會聚透鏡(2)的焦距R0-波差為Nλ光波的曲率半徑a-圓形孔徑光闌(1)的半徑。
全文摘要
一種透鏡衍射波面測量儀，其特點在于它是由共軸設置的圓形孔徑光闌、會聚透鏡和CCD探測器構(gòu)成，該會聚透鏡的尺寸略大于圓形孔徑光闌的孔徑且靠近該圓形孔徑光闌放置，所述的CCD探測器位于會聚透鏡之后，放在可沿光軸方向移動的精密的位置調(diào)整架上，CCD探測器與計算機圖像處理系統(tǒng)相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、加工便利、使用操作方便的特點，可簡便地測量任一波長光波的波面像差。
文檔編號G01J9/00GK1542415SQ20031010849
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者張明麗, 劉立人, 萬玲玉, 章磊, 欒竹 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所