三平板剪切干涉仪自动测试系统

引　言

横向剪切干涉原理在光学测试领域占有很重要的地位,其主要优点在于它是待测波面与其自身产生一横向剪切后的波面相干涉,不需另外引入参考波,因而不需配备高精度参考镜。同时剪切干涉解决了其它干涉测量中,待测波面与参考波面之间偏离大时,干涉条纹过密而使测量分辨率低的问题。近年来,科技工作者在剪切发生器,干涉条纹的复原技术上做了很多研究:在原有Fresnel lens,Double-grating lateral shearing generator,Birefringnt lens和平行平板等的基础上,最近出现了一种用各向异性晶体的双折射晶体,来实现完全共光路、分步相移和剪切量可调的剪切发生器[1];并采用了相移技术、2维剪切技术和载波技术[2];在复原技术方面,有一些有益的探索,如采用光子计数方式进行波前探测,并重构波面[3],使用离散傅里叶变换来精确恢复波面等方法[4,5]。这些研究使得剪切技术在光学传递函数测量、激光波面诊断以及激光核聚变的靶球评价等技术中[6],获得了重要应用。

下面将介绍三平板剪切干涉仪,为光机型的三平板剪切干涉仪配置了实时图像采集、处理系统,实现了光、机、电、算相结合,融硬、软件于一体的数字波面剪切干涉仪,并利用此对染料激光器发出的激光进行了实际测量。

1　三平板剪切干涉仪及软件系统

1.1　仪器光路系统

三平板剪切干涉仪是用于准直光束测量的一类独特的双光束干涉仪,其光学系统均为平面元件,基本光路如图1所示。入射光束被分光镜S分成透射光束和反射光束,经全反射镜A,B反射后,彼此以相反方向沿环路行进,当它们再次到达S镜时叠加,两光路出射光束恒相互平行,说明两光束波面将产生横向平行剪切干涉。

当S,A,B 3镜的法线在同一平面内,光线(SABS)和(SBAS)的光程差和横向剪切量可以方便地求得两条光线横向剪切量为:

式中,Ak为Zernike多项式系数,Zk为Zernike多项式,(x,y)是波面上任意点P的坐标。当此波面在x,y方向上错位s,t时,同一点P处的错位波面的波差为W(x-s,y)、W(x,y-t)原始波面和错位波面在P点叠加后的程差为ΔWx,ΔWy波面拟合时,先将剪切波面当作非剪切波面进行拟合,Bk和Ck分别为对两个垂直方向的剪切干涉图直接拟合得到的剪切波面的Zernike多项式系数。通过比较得出Ak和Bk,Ck以及s,t之间的对应关系。从而求出Ak。

相应的原始波面W(x,y)就复原出来了。这种方法直接对干涉图上的暗条纹(或亮条纹)进行离散、采样,记下每一采样点的相对干涉级次及坐标,直接对这些采样点进行拟合,于是,在所采样点上,表示原始波前的多项式就被确定了。采用此方法,采样数据不需要经过预处理。