专利名称：透镜衍射波面测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光波波面的测量，特别是一种透镜衍射波面测量仪。
背景技术：
激光应用中，经常要求所发射激光光束达到高度的平行性，用于集中能量提高效率或者产生尽量小的聚焦光斑。光学衍射极限是光束在理想条件下受到有限孔径限制所能达到的最小的发散度，此时光波波面与平面波仍具有约0.3λ的波面像差。多年来，用于测量波面像差的方法有很多种，许多方法也相当成熟。
点衍射干涉仪波面传感器(参见《Introduction to Wavefront Sensors》，J.M.Geary，SPIE Press，Vol.TT18，1995，Chapter 4，pp54-56)是利用针孔衍射产生标准参考波面，与待测波面进行干涉来测量波面像差，简称波差的。对于平行光的待测波面，使用点衍射干涉仪的波面传感器结构如图1所示，包括光学会聚透镜01、点衍射干涉仪02、成像透镜03和CCD相机04。光学会聚透镜01与CCD相机04位于成像透镜01的共轭成像面上，点衍射干涉仪02位于光学会聚透镜01的后焦面上，且所有器件共轴。
平行光的待测波面经光学会聚透镜01会聚在其后焦点上，即点衍射干涉仪02的针孔上，经针孔衍射产生标准参考波面，与透射过来的待测波面干涉，在CCD相机04上形成光学会聚透镜01的像，据此得到待测波面的波面像差，又称波差。
光学会聚透镜01的像差必须远小于待测波面的像差，对于衍射极限的波面的测量，光学会聚透镜01的精度要求极高，制作极困难。
点衍射干涉仪02是镀在薄透明衬底上的两个同心圆薄膜，外面的大圆环是半透明的，相当于中等强度的滤波器，中间的针孔极小，起空间滤波作用。点衍射干涉仪02的制作也较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述已有的技术困难，提供一种透镜衍射波面测量仪，利用波面经过会聚透镜衍射在焦点附近的光强分布，可简便地测量任一波长的光波的波面像差，它应具有结构简单、加工便利、使用操作方便的特点。
本发明的技术解决方案如下
一种透镜衍射波面测量仪，其特点在于它是由共轴设置的圆形孔径光阑、会聚透镜和CCD探测器构成，该会聚透镜的尺寸略大于圆形孔径光阑的孔径且靠近该圆形孔径光阑放置，所述的CCD探测器位于会聚透镜之后，放在可沿光轴方向移动的精密的位置调整架上，CCD探测器与计算机图像处理系统相连。
所述的会聚透镜可以是对光束起会聚作用的双凸透镜或平凸透镜。
所述的计算机图像处理系统也可用单片机代替。
利用上述透镜衍射波面测量仪测量待测光波波面的方法，包括下列步骤①将待测光波入射到圆形孔径光阑上，经焦距为f的会聚透镜衍射，在会聚透镜后产生衍射图样；②沿光轴方向将CCD探测器在调整架上移动，确定衍射图样中心光强发生跳变的位置，并观察此时衍射图样存在几个暗环，记录出现两个相同基准衍射图样的位置差Δz；③计算机图像处理系统根据下列公式计算，并显示其数值待测波面的曲率半径R=Δz·R02f+R0f2Δ2z+2·Δz·R0Δz·R02-Δz·f2-2R0f2]]>确定待测波面的波差WW=R-R2-a2]]>式中f-会聚透镜的焦距R0-波差为Nλ光波的曲率半径a-圆形孔径光阑的半径。
本发明的技术效果与在先技术相比，本发明的透镜衍射波面测量仪对光学会聚透镜和圆形孔径光阑的制作精度要求不高，结构简单，操作方便，可以测量任何波长的光波波面的波差。
图1为在先的点衍射干涉仪波面传感器的结构示意图。
图2为本发明的光路结构示意图。
图3为光波波面的波差W与波面曲率半径R之间的几何关系图。
图4为入射光波波差为±4λ、±5λ、±6λ和±7λ时，CCD探测器在焦平面上接收到的衍射光强分布图。
图5为入射波面波差为0.6λ时透镜后的轴向光强分布曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图2，图2是本发明透镜衍射波面测量仪的光路结构示意图，由图可见，本发明透镜衍射波面测量仪包括一块圆形孔径光阑1、一块光学会聚透镜2和CCD探测器3。圆形孔径光阑1、会聚透镜2和CCD探测器3共轴。所述的光学会聚透镜2的半径要大于圆形孔径光阑1的孔径a，且靠近圆形孔径光阑1放置，该会聚透镜的精度要求不高，其球面像差小于1λ即可。圆形孔径光阑1的尺寸约20～30mm左右，光学会聚透镜2的口径略大于它即可。
所述的CCD探测器3位于光学会聚透镜2之后，放在可沿光轴方向移动的精密的位置调整架上(图中未示)，后接计算机图像处理系统或单片机(图中未示)。在实际测量中，由于调整架的长度是有限的，CCD探测器3能够精确移动的距离有限，这往往限制了仪器测量波面像差的范围。
平行光的待测光波入射到半径为a的圆形孔径光阑1上，经焦距为f的光学会聚透镜2衍射，在会聚透镜2后产生衍射图样。沿光轴方向将CCD探测器3移动到中心光强产生跳变的位置，并观察此时衍射图样存在几个暗环，记录出现两个相同基准衍射图样的位置差Δz，则可确定待测波面的波差W。
仪器测量波差W随CCD探测器3移动距离Δz的变化率与光学会聚透镜2的焦距f有关dWd(Δz)=[R02(R-f)2-R2f2]22R03Rf3(f-R)(1-a2W2)--(1)]]>式中R0是波差为Nλ光波的曲率半径，R是待测入射光波的曲率半径，如图3所示。根据图3给出的几何关系，R0，R由下式决定R0=a2+(Nλ)22·(Nλ)]]>R=a2+W22W--(2)]]>W随Δz的变化率越小，仪器能够测量波差W的精度越高。由(1)式可以看出，仪器能够测量波差的精度不仅与f和a有关，而且与待测光波实际的波差W有关，随着W的增大，仪器的测量精度也提高。因此只要根据W＝0时仪器要求的精度来确定会聚透镜2的焦距f即可。对于确定的孔径半径a，可以通过增大透镜焦距f来提高仪器的测量精度。为便于操作，选取半径a＝10mm的圆形孔径光阑，会聚透镜2的焦距f＝0.5m。
基本原理当入射在圆形孔径光阑1上的平行光的待测光波相对标准平面参考波的波差为±Nλ(N-正整数)时，在光学会聚透镜2的后焦面上，中心光强与同轴的临近位置相比最弱，且主暗环数为(N-1)个，我们把该衍射图样称作基准衍射图样。图4所示是入射波面波差W分别为±4λ、±5λ、±6λ和±7λ时的基准衍射图样。对于波差为W的平行光的入射待测光波，透镜后轴向光强分布如图5所示，该图是入射波面波差W为0.6λ时的轴向光强分布曲线，图中z＝0的位置是后焦面位置，在光强最大处位置的两侧对称出现了一系列光强跳变的点，即光强在减小的过程中突然增大，如图中的A、B、C、D点，分别对应波差为±1λ、±2λ、±3λ和±4λ入射波面的基准衍射图样。由图5可以看出，在焦点附近沿光轴移动CCD探测器的过程中，会在某两个位置出现光强跳变且具有相同的基准衍射图样，这就相当于在待测波面上附加了一个波差为(±Nλ-W)的光波，由CCD探测器3在这两个位置之间的移动距离Δz与待测波差W之间的关系即可确定待测波面的波差W。
CCD探测器3的移动距离Δz与入射待测波面的曲率半径R有关R=Δz·R02f+R0f2Δ2z+2Δz·R0Δz·R02-Δz·f2-2R0f2--(3)]]>根据(3)式，由CCD探测器3的移动距离Δz即可确定待测光波的曲率半径R，再由(2)式确定待测波面的波差W。
W=R-R2-a2--(4)]]>圆形孔径光阑1直径2a为20mm，光学会聚透镜的焦距f为0.5m。以待测入射光波的波长λ为0.6328μm为例。
以波差W为±4λ波面的焦面衍射图样作为基准衍射图样(如图4中的(a)图)进行测量，测得CCD探测器3移动距离Δz为25.522mm，根据(3)式可知待测入射波面的曲率半径R为131.7m，根据(4)式可求得待测波面的波差W为0.6λ。
若以衍射图样存在四个暗环即±5λ波差波面的焦面衍射图样(图4中的(b)图)作为基准衍射图样进行测量，仍测量波差为0.6λ的待测波面，CCD探测器需要移动31.914mm。若以衍射图样存在五个暗环即±6λ波差波面的焦面衍射图样(图4中的(c)图)作为基准衍射图样进行测量，CCD探测器需要移动的距离为38.314mm；若以衍射图样存在六个暗环即±7λ波差波面的焦面衍射图样作为基准衍射图样(即图2中的(d)图)进行测量，CCD探测器需要移动的距离为44.723mm。
在实际测量中，放置CCD探测器的精密调整架的长度是有限的，而且调整架越长，造价越高，这就限制了CCD探测器的移动范围。因此，在选择基准衍射图样时还要兼顾到CCD探测器精确移动距离的限制。同时，CCD探测器精确移动的距离即调整架的长度还限制了仪器可测波差的范围。综合考虑基准衍射图样判断的难易度和调整架的长度，我们选择波差为±4λ光波的焦面衍射图样作为基准衍射图样。如果CCD探测器能够精确移动的最大距离为30mm，则该测量仪的测量范围为孔径内波差W＜12λ。
权利要求
1.一种透镜衍射波面测量仪，其特征在于它是由共轴设置的圆形孔径光阑(1)、会聚透镜(2)和CCD探测器(3)构成，该会聚透镜(2)的尺寸略大于圆形孔径光阑(1)的孔径且靠近该圆形孔径光阑(1)放置，所述的CCD探测器(3)位于会聚透镜(2)之后，放在可沿光轴方向移动的精密的位置调整架上，CCD探测器(3)与计算机图像处理系统相连。
2.根据权利要求1所述的透镜衍射波面测量仪，其特征在于所述的会聚透镜(2)可以是对光束起会聚作用的双凸透镜或平凸透镜。
3.根据权利要求1所述的透镜衍射波面测量仪，其特征在于所述的计算机图像处理系统也可用单片机代替。
4.利用权利要求1或2或3所述的透镜衍射波面测量仪测量待测光波波面的方法，其特征在于包括下列步骤①将待测光波入射到圆形孔径光阑(1)上，经焦距为f的会聚透镜(2)衍射，在会聚透镜(2)后产生衍射图样；②沿光轴方向将CCD探测器(3)在调整架上移动，确定衍射图样中心光强发生跳变的位置，并观察此时衍射图样存在几个暗环，记录出现两个相同基准衍射图样的位置差Δz；③计算机图像处理系统根据下列公式计算，并显示其数值待测波面的曲率半径R=Δz·R02f+R0f2Δ2z+2·Δz·R0Δz·R02-Δz·f2-2R0f2]]>确定待测波面的波差WW=R-R2-a2]]>式中f-会聚透镜(2)的焦距R0-波差为Nλ光波的曲率半径a-圆形孔径光阑(1)的半径。
全文摘要
一种透镜衍射波面测量仪，其特点在于它是由共轴设置的圆形孔径光阑、会聚透镜和CCD探测器构成，该会聚透镜的尺寸略大于圆形孔径光阑的孔径且靠近该圆形孔径光阑放置，所述的CCD探测器位于会聚透镜之后，放在可沿光轴方向移动的精密的位置调整架上，CCD探测器与计算机图像处理系统相连。本发明具有结构简单、加工便利、使用操作方便的特点，可简便地测量任一波长光波的波面像差。
文档编号G01J9/00GK1542415SQ20031010849
公开日2004年11月3日 申请日期2003年11月7日 优先权日2003年11月7日
发明者张明丽, 刘立人, 万玲玉, 章磊, 栾竹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所