马赫－曾德尔型剪切波面测量系统及其剪切波面测量方法

摘要

一种马赫－曾德尔型剪切波面测量系统及其剪切波面测量方法，该系统包括：由入射平板、出射平板、固定底座、第一反射平板、第二反射平板、第三反射平板、第四反射平板、第一导轨、第二导轨、成像透镜、小孔和CCD成像仪构成的干涉系统；提供精度保证的调整设备包括自准直平行光管、第一反射镜、激光准直光源、基准透反射镜、第二反射镜、光阑、第一五棱镜和第二五棱镜；控制处理系统包括压电控制器和计算机处理系统。本发明是一种适用于测量大口径，衍射极限下的波面，特别是适用于短相干长度的光源波面，可以进行移相处理，配有实时调整和标定的完整系统。

说明书

技术领域

本发明涉及激光波面的测量，特别是一种马赫-曾德尔型剪切波面测量系统及其剪切波面测量方法。

背景技术

光学衍射极限是光束受到孔径限制条件下能够达到的最小的发散度，此时光束波面只具有0.3λ左右的波面象差。剪切干涉法是一种方便精密的间接测量方法，通过待测波面与自身复制面的干涉求得波面的变化率。在先技术可以利用双剪切干涉方便直观地测量这样微小的波差。干涉测量中的移相方法是常用的提高测量精度的手段，对双剪切干涉测量系统，如果引入移相方法，可以同时获得直观、高精度的测量结果。目前的激光应用系统中，很多采用半导体激光器，相干长度小，采用干涉方法测量时，需要两束相干光的光程相等。大口径光学元件的加工和检验难度较高，是束缚测量大口径波面的重要因素。平板的加工是相对简单的，工艺上容易实现，因此设计了一种基于平板结构、简便易行的大口径、可移相、剪切干涉的高精度测量系统，实现大口径、宽光谱、高精度激光波面测量。

在先技术[1](M.V.R.K.Murty，”The use of a single plane parallel plate as a lateralshearing interfereometerwith a visible gas laser source”，Appl.Opt.3，531-534(1964))中所描述的平行平板剪切干涉仪，利用平板的厚度和折射率，光束入射角产生剪切干涉条纹。但是波差在一个波长以下，出现均匀视场，更小的波差无法辨别。

在先技术[2](参见R.S.Sirohi and M.P.Kothiyal，”Double wedge plate shearinginterferometer for collimation testing，”Appl.Opt.26，4054-4056(1987))中所描述的是双楔形平板的剪切测量干涉仪，利用两块楔角反向平行的楔形平板形成两组干涉条纹，通过两组条纹的夹角或宽度差求出波面。检测精度是单楔板剪切的2倍。但是要比较两幅干涉图，需提供参考或要求严格反向平行。由楔板决定的剪切波面与待测波面无法分开，非等光程相干。因此只适用于相干长度长的光源探测。

在先技术[3](参见G.Li，M.Zhao，and J.Zhang，”Improved wedge-plate shearinginterferometric technique for a collimation test，”Appl.Opt.31，4363-4364(1992))中所描述的是在先技术[2]的改型，由一块楔形板的反射和透射代替两块反向平行的楔板，形成两组剪切干涉条纹，不需要提供参考或调节两光楔严格反向平行。但是仍为非等光程相干。

在先技术[4](参见Yun Woo Lee，Hyun Mo Cho，In Won Lee，“half-apertureshearing interferometer for collimation testing”，Opt.Eng.32(11)，2837-2840(1993))中所描述的是用两块挡板分别遮挡在先技术[3]中反射透射光路的上下部分，使两组条纹合并成一幅干涉图，相互参考方便比较。仍为非等光程相干。

在先技术[5](参见专利ZL02155049.2双剪切波面干涉测量仪)中所描述的是以雅敏干涉仪为基础的分口径双楔板剪切干涉仪，利用两块平行板和四块楔形形成一幅分口径的剪切干涉图。剪切量是同样厚度楔板的两倍，剪切量越大，可以准确测得更小的波差。由系统直接得到分口径干涉图不需要实验过程中遮挡。为等光程相干。但是对于大口径检测，分束需要大厚度平行板，制作困难。

在先技术[6](参见专利公开1444023大口径波面干涉测量仪)中所描述的是以马赫曾德干涉仪为基础的分口径双剪切干涉仪，利用两块透射平板，四块反射平板形成一幅分口径的剪切干涉图，为等光程相干。但是，只能计算得出波面高度的信息，不能恢复波面，进行计算机数字处理。同时没有提供调试精度的保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述已有技术的困难，提供一种马赫-曾德尔型剪切波面测量系统及其剪切波面测量方法，该系统大口径、高精密、可移相、剪切干涉波面测量，可以测量衍射极限波面，等光程相干，适用于短相干长度光源，可采用移相方法，进行计算机数字图像处理。

本发明的技术解决方案如下：

一种马赫-曾德尔型剪切波面测量系统，特征在于包括：

由入射平板、出射平板、固定底座、第一反射平板、第二反射平板、第三反射平板、第四反射平板、第一导轨、第二导轨、成像透镜、小孔和CCD成像仪构成的干涉系统；

提供精度保证的调整设备包括自准直平行光管、第一反射镜、激光准直光源、基准透反射镜、第二反射镜、光阑、第一五棱镜和第二五棱镜；

控制处理系统包括压电控制器和计算机处理系统；

上述部件的位置关系如下：

入射平板和出射平板为透射反射平板，该入射平板和出射平板的基准面严格平行地顺列地固定在同一个底座上，该底座斜置地固定在一基板的中间偏上位置，所述的第一反射平板固定在第一导轨上，该第一导轨置于所述的基板的右上部位，第一反射平板的方向与所述的入射平板平行，间距为d13，所述的第一反射平板通过第一导轨的调整可沿水平方向移动，所述的第二反射平板的方向与所述的第一反射平板垂直，间距为d34，所述的第二反射平板到所述的出射平板的间距为d24，所述的第三反射平板和第四反射平板互相垂直，中心的间距为d56，共同固定在第二导轨上，该第二导轨置于所述的基板的中下部位，且第四反射平板的方向与所述的入射平板平行，间距为d16，所述的第三反射平板到所述的出射平板的间距为d25，所述的第四反射平板、出射平板和第一反射平板的方向相互平行；

在所述的基板上的下边自左至右设置第一反射镜和自准直平行光管，在所述的基板上的左侧自下至上设置激光准直光源和第二反射镜，在所述的基板上的上侧自左至右依次是光阑、第二反射镜、基准透反射镜、入射平板和第一反射平板，在所述的基板上的上侧和所述的出射平板的出射方向设置所述的成像透镜、小孔和CCD成像仪，该CCD成像仪的输出端与计算机相连；

所述的第三反射平板装有所述的压电控制机构，微动提供移相；

沿待测光束入射方向依次是光阑、第二反射镜、基准透反射镜、入射平板和第一反射平板，该入射平板将光束分为透射光束和反射光束，该反射光束经由第四反射平板、第三反射平板至所述的出射平板构成第一光路，所述的透射光束经第一反射平板、第二反射平板反射达到所述的出射平板构成第二光路，所述的第一光路与第二光路等光程；

所述的第一反射平板、第二反射平板、第三反射平板和第四反射平板中有一块反射平板的结构是上下两部分构成的，上下部分可分别以垂直方向为轴，顺时针和逆时针方向转动角度，其他那三块反射平板为整块。

利用上述的马赫-曾德尔型剪切波面测量系统进行剪切波面测量的方法，特征在于包括如下步骤：

①首先利用自准直平行光管和第一反射镜，调整第四反射平板、出射平板和第一反射平板平行；

②将第一五棱镜置于第四反射平板和所述的出射平板之间并位于所述的第一反射镜的反射的光路上，利用自准直平行光管、第一反射镜和第一五棱镜调整第三反射平板和第四反射平板垂直，之后将第一五棱镜取走；

③将第二五棱镜置于所述的出射平板和第一反射平板之间并位于所述的第一反射镜的反射光路上，利用自准直平行光管、第一反射镜和第二五棱镜调整第一反射平板和第二反射平板垂直，之后将第二五棱镜取走；

④若第二反射平板为上下两部分，经第③调整后，即为第二反射平板基准方向，微调使第二反射平板的上下部分：分别以垂直方向为轴，顺时针和逆时针方向转动角度，以逆时针转动为正；同样利用自准直平行光管、第一反射镜和第二五棱镜调整第二反射平板的上半部分与第二反射平板垂直的基准方向成角度为α，再调整第二反射平板的下半部分与第二反射平板基准方向成角度为-β，取α＝β时为最佳值；

⑤调整等光程：初步确定位置时，保证d13+d34+d24＝d16+d56+d25；利用所述的激光准直光源和第二反射镜，调整第一导轨，使从计算机观察到宽光谱干涉条纹以至于白光干涉条纹，说明两路相干光满足光程相等的要求；

⑥调整入射光基准方向：将所述的第二反射镜和所述的基准透反射镜推入光路中，开启所述的激光准直光源，调整所述的基准透反射镜的方向，使基准透反射镜与所述的激光准直光源和第二反射镜输出的光束垂直，然后将第二反射镜拉出光路；调整入射光的方向与基准透反射镜垂直，然后将所述的基准透反射镜拉出光路，准备进行测量；

⑦观察干涉图：输入待测光束，通过成像透镜、小孔和CCD在计算机上采集处理干涉条纹，得到波面信息。

还有第⑧步，需要移相处理时，所述的计算机采用移相处理专用软件控制所述的第三反射平板的压电控制机构并对干涉图进行处理，其它硬件系统不变。

本发明的技术效果：

在先技术[1]用平行平板测量波差，无法测量波差小于一个波长的波面。在先技术[2]和[3]和[4]采用双楔形平板剪切干涉仪，为非等光程干涉。不适用于短相干长度光源。在先技术[5]的双剪切波面测量仪制作大口径困难。在先技术[6]采用马赫-曾德尔型的剪切干涉仪为基础，引入分上下的反射平板，上下与其他平板成不同的角度，差动测量波面，恒等光程干涉。只能计算得出波面高度的信息，不能恢复波面，进行计算机数字处理，没有提供调试精度保证的系统。本发明的马赫-曾德尔型剪切波面测量系统采用导轨的位移决定剪切量和等光程的精密调整，同时配有自准直平行光管和激光(包括宽光谱)准直光源实时调整和标定，保证系统的独立工作。以大口径平板为基础，易于加工检验。系统中可采用压电移相控制，结合计算机剪切移相数字处理，进一步提高测量精度。因此是一种适用于测量大口径，衍射极限下的波面，特别是适用于短相干长度的光源波面，可以进行移相处理，配有实时调整和标定的完整系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中上下分开的反射平板的结构示意图，工作时上下平板的夹角为2α。

图3为调试设备中基准透反镜的结构示意图。

图4为入射光阑的结构示意图。

图5为各平板间距示意图。

图6为干涉条纹示意图，阴影为不可见部分。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明装置的结构示意图。由图可见，本发明马赫-曾德尔型剪切波面测量系统包括：由入射平板1、出射平板2、固定底座23、第一反射平板3、第二反射平板4、第三反射平板5、第四反射平板6、第一导轨7、第二导轨8、成像透镜9、小孔10和CCD成像仪11构成的干涉系统；

提供精度保证的调整设备包括自准直平行光管12、第一反射镜13、激光准直光源14、基准透反射镜15、第二反射镜16、光阑17、第一五棱镜18和第二五棱镜19；

控制处理系统包括压电控制器20和21和计算机22处理系统；

上述部件的位置关系如下：

入射平板1和出射平板2为透射反射平板，该入射平板1和出射平板2的基准面严格平行地顺列地固定在同一个底座23上，该底座23斜置地固定在一基板的中间偏上位置，所述的第一反射平板3固定在第一导轨7上，该第一导轨7置于所述的基板的右上部位，第一反射平板3的方向与所述的入射平板1平行，间距为d13，所述的第一反射平板3通过第一导轨(7)的调整可沿水平方向移动，所述的第二反射平板4的方向与所述的第一反射平板3垂直，间距为d34，所述的第二反射平板4到所述的出射平板2的间距为d24，所述的第三反射平板5和第四反射平板6互相垂直，中心的间距为d56，共同固定在第二导轨8上，该第二导轨8置于所述的基板的中下部位，且第四反射平板6的方向与所述的入射平板1平行，间距为d16，所述的第三反射平板5到所述的出射平板2的间距为d25，如图5所示。所述的第四反射平板6、出射平板2和第一反射平板3的方向相互平行且中心在一条直线上；

在所述的基板上的下边自左至右设置第一反射镜13和自准直平行光管12，在所述的基板上的左侧自下至上设置激光准直光源14和第二反射镜16，在所述的基板上的上侧自左至右依次是光阑17、第二反射镜16、基准透反射镜15、入射平板1和第一反射平板3，在所述的基板上的上侧和所述的出射平板2的出射方向设置所述的成像透镜9、小孔10和CCD成像仪11，该CCD成像仪11的输出端与计算机22相连；

所述的第三反射平板5装有所述的压电控制机构20、21，微动提供移相；

沿待测光束入射方向依次是光阑17、第二反射镜16、基准透反射镜15、入射平板1和第一反射平板3，该入射平板1将光束分为透射光束和反射光束，该反射光束经由第四反射平板6、第三反射平板5至所述的出射平板2构成第一光路，所述的透射光束经第一反射平板3、第二反射平板4反射达到所述的出射平板2构成第二光路，所述的第一光路与第二光路等光程；

所述的第一反射平板3、第二反射平板4、第三反射平板5和第四反射平板6中有一块反射平板的结构是上下两部分构成的，上下部分可分别以垂直方向为轴，顺时针和逆时针方向转动角度，其他那三块反射平板为整块。

第一反射平板3为反射镜，固定在高精密导轨7上，第一反射平板3的方向与平板1平行，间距为d13，如图5所示。沿光程调整方向(箭头方向)移动可以精密调整一路相干光的光程，使之与另一路光的光程相等。第三反射平板5和第四反射平板6为反射镜互相垂直，间距为d56，共同固定在导轨8上，平板6的方向与平板1平行，间距为d16。沿剪切方向(箭头方向)移动可以改变剪切量。剪切量由0增大时，相干条纹的区域减少。第二反射平板4为反射镜，方向与第一反射平板3垂直，间距为d34。结构是上下一分为二，可以垂直方向为轴，顺时针或逆时针转动。一般情况下，上下转动角度相同，方向相反，如图2所示。

第四反射平板5的镜框具有压电控制机构20和21，微动提供移相。第一反射平板3、第二反射平板4、第三反射平板5和第四反射平板6，可以选任一块反射平板结构是上下一分为二，作用相同。为说明方便，取反射平板4为例，如图2所示。另外三块反射平板为整块。

工作时放置如下：首先利用自准直平行光管12和反射镜13，调整平板2与平板3及6平行。利用自准直平行光管12、反射镜13、五棱镜18调整平板5和平板6垂直。利用自准直平行光管12、反射镜13、五棱镜19调整平板6和平板4垂直。此时为基准方向。第二步微调使平板4的上下部分分别以垂直方向为轴，顺时针和逆时针方向转动角度，以逆时针转动为正。同样利用自准直平行光管12、反射镜13、五棱镜19调整上半块与平板4的基准方向成角度为α，下半块与平板4基准方向成角度为-β，一般取α＝β时为最佳值。

调整等光程：初步确定位置时，如图5所示，保证d13+d34+d24＝d16+d56+d25。利用激光准直光源14，第二反射镜16，调整第一导轨7，观察到宽光谱干涉条纹以至于白光干涉条纹，说明两路相干光满足光程相等的要求。

调整入射光基准方向：基准透反射镜15推入光路中，调整基准透反射镜15的方向，与激光准直光源14和第二反射镜16的光垂直。然后将反射镜16拉出光路。调整入射光的方向与基准透反射镜15垂直，然后拉出基准透反射镜15进行测量。基准透反射镜15和第二反射镜16作为系统的一部分，暂时放在平台一侧，在每次测量时都将使用它们，如上述过程调整入射光基准。

观察干涉图：通过成像透镜9、小孔10和CCD成像仪11在计算机22上采集处理干涉条纹，得到波面信息。需要移相处理时，计算机应用程序采用移相处理专用软件控制压电元件和处理干涉图，其它硬件系统不变。

实验过程中：根据需要调整剪切量。一般地，调整不分割的平板。在这里第三反射平板5和第四反射平板6一起固定在第二导轨8上，沿移动方向调整改变剪切量。这样可以在待测波面以45度入射到入射平板1的情况下，调整过程中始终保持光程一定。即恒等光程相干。

基本原理为：待测波面斜入射于入射平板1，一部分在其入射界面上反射(A)，另一部分折射入该平板并在第二个界面上透射出(B)。A波面经过第四反射平板6和第三反射平板5反射，经出射平板2透射到成像物镜9。B波面通过第一反射平板3和第二反射平板4反射上下一分为二，上半波面的光轴和下半波面的光轴相对于待测波面光轴偏离方向相反，并在出射平板2反射。在两波面的重合部分产生干涉图。

入射波面经过入射平板1反射和第四反射平板6和第三反射平板5反射后，由于角±α的关系上下产生不同的出射方向。由设计的口径内观察条纹数N和希望剪切量S可以确定角α。α与口径内观察条纹数N，入射波长λ，入射光束孔径半径R的关系为：

$\alpha =\frac{(N-1)\lambda }{(2R-S)}$

待测波面W与入射波长λ、剪切量S、入射光束孔径半径R、干涉图的上部分条纹间距T₁和干涉图的下部分条纹间距T₂的关系为：

$W=\frac{\lambda R^2}{2S}\frac{|T_2-T_1|}{T_1{T}_2}=\frac{\lambda R^2}{2S}\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_1{T}_2}---\left(4\right)$

式中T₁为干涉图的上部分条纹间距，T₂为干涉图的下部分条纹间距，ΔT为上下条纹数之差。

移相的处理基于剪切移相原理，可以采用商用软件予以解决。

本实施例装置的具体参数是：待测波面孔径直径2R为260mm，波长λ为633nm。透射平板与反射平板(平板1、2、3、4、5、6)通光口径均为Φ470mm，厚度为65mm。折射率n为1.50959，调整角α为5″。剪切量调整范围为0～130mm。全口径观察条纹数目N为11条纹，波面高度测量范围是最小可达0.2λ，最大可达10λ以上。第一导轨7的行程为40mm，精度为500nm。第二导轨8的行程为200mm，精度为1mm。成像透镜9的口径为Φ300mm，焦距为1m。小孔10的大小为1mm，CCD成像仪11的型号为MT-1881。自准直平行光管12的口径为Φ100mm，焦距为1m。第一反射镜13和第二反射镜16的口径为Φ200mm。激光准直光管的口径为Φ150mm，透反射镜15的口径为Φ150mm，入射光阑17的口径为Φ300mm，五棱镜的口径为50mm。

结构请参阅图1，图2，图3，图4。

需要确定的间距是入射平板1、出射平板2、第一反射平板3、第二反射平板4、第三反射平板5和第四反射平板6的相对位置，如图5所示。d13＝d16＝1425mm，d34＝d56＝685mm，d24＝d25＝641mm。间距选择满足d13+d34+d24＝d16+d56+d25即可，上述是一种特例，在此情况下，系统整体结构近似方形。其它调试设备的位置可以根据需要调整。