ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 1996 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано для определения формы волнового фронта принимаемого оптического излучения, например, в устройствах контроля качества оптических систем.

Известны различные варианты датчиков волнового фронта, например теневые [1] или гартмановские [2] датчики, в которых волновой фронт определяется путем измерения локальных наклонов волнового фронта в каждой субапертуре. Недостаток таких датчиков заключается в низкой точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является датчик волнового фронта, описанный в [3] и содержащий светоделитель, разделяющий принимаемое оптическое излучение на два пучка, причем первый пучок последовательно проходит через первую линзу, первую вращающуюся радиальную решетку и попадает на первую матрицу фотоприемника, а второй пучок после отражения от зеркала последовательно проходит через вторую линзу, вторую вращающуюся решетку и попадает на вторую матрицу фотоприемников. Выходы первой и второй матриц фотоприемников электрически связаны с соответствующими входами регистрирующего устройства, которое определяет форму волнового фронта принимаемого оптического излучения.

Недостатки известного технического решения заключаются в низком быстродействии, обусловленном наличием механически вращающихся радиальных решеток и низкой точности, обусловленной сложностью обработки получаемых с выходов матриц фотоприемников сигналов, вследствие чего регистрирующее устройства оказывается не в состоянии отслеживать быстрые изменения формы волнового фронта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение быстродействия и точности.

Решение поставленной задачи достигается введением в известный датчик волнового фронта, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные светоделитель, зеркало и матрицу фотоприемников, электрически связанных с регистрирующим устройством, дополнительного светоделителя и модулирующего зеркала, образующих со светоделителем и зеркалом интерферометр Маха-Цендера, а также модулирующего генератора и матриц синхронных детекторов, соединенных с соответствующими выходами матрицы фотоприемников, регистрирующее устройство состоит из матрицы арксинусных преобразователей, считывающего и суммирующего устройств, при этом выход модулирующего генератора соединен с управляющим входом модулирующего зеркала и вторым входами всех элементов матрицы синхронных детекторов, выход каждого элемента матрицы синхронных детекторов соединен со входом соответствующего данному каналу элемента матрицы арксинусных преобразователей, выход каждого элемента матрицы арксинусных преобразователей соединен со входом соответствующего данному каналу элемента считывающего устройства, а каждый выход считывающего устройства соединен с соответствующим входом суммирующего устройства. Такое построение датчика волнового фронта позволяет определить форму волнового фронта принимаемого оптического излучения путем формирования интерференционной картины с помощью интерферометра поперечного сдвига, выполненного по схеме Маха-Цендера, а также последующей обработки интерференционной картины, полученной за счет деления в интерферометре Маха-Цендера принимаемого оптического излучения на два пучка и последующего их совмещения с наперед заданным поперечным сдвигом.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение, варианта выполнения и прилагаемым рисунком, на котором приняты следующие обозначения: 1 зеркало, 2 дополнительный светоделитель, 3 матрица фотоприемников, 4 матрица синхронных детекторов, 5 матрица арксинусных преобразователей, 6 - считывающее устройство, 7 светоделитель, 8 модулирующее зеркало, 9 - модулирующий генератор, 10 суммирующее устройство. Совокупность матрицы арксинусных преобразователей 5, считывающего устройства 6 и суммирующего устройства 10 представляет собой регистрирующее устройство 11. Светоделитель 7 расположен на пути принимаемого оптического излучения, зеркало 1 расположено на пути отраженного от светоделителя 7 пучка оптического излучения, модулирующее зеркало 8 расположено на пути прошедшего через светоделитель 7 пучка оптического излучения, а дополнительный светоделитель 2 расположен в области пересечения отраженного от зеркала 1 пучка оптического излучения и отраженного от модулирующего зеркала 8 пучка оптического излучения. Совокупность светоделителя 7, зеркала 1, дополнительного светоделителя 2 и модулирующего зеркала 8 образуют интерферометр поперечного сдвига по схеме Маха-Цендера. Выход дополнительного светоделителя 2 оптически связан с входом матрицы фотоприемников 3, выходы фотоприемников 3 электрически связаны с соответствующими входами матрицы синхронных детекторов 4, выход модулирующего генератора 9 соединен с управляющим входом модулирующего зеркала 8 и вторыми входами всех элементов матрицы синхронных детекторов 4, выход каждого элемента матрицы синхронных детекторов 4 соединен с входом соответствующего данному каналу элемента матрицы арксинусных преобразователей 5, выход каждого элемента матрицы арксинусных преобразователей 5 соединен с входом соответствующего данному каналу элемента считывающего устройства 6, а каждый выход считывающего устройства 6 соединен с соответствующим входом суммирующего устройства 10.

Устройство работает следующим образом. Принимаемое оптическое излучение делится на две равные части светоделителем 7. Отраженный от первого светоделителя 7 световой сигнал отражается от зеркала 1 на первый вход второго светоделителя 2, где смешивается со световым сигналом, прошедшим через первый светоделитель 7 и отраженным от модулирующего зеркала 8. Пусть форма волнового фронта принимаемого оптического излучения описывается функцией F(x,y), где x и y декартовы координаты. Интерференционная картина получается за счет наложения двух пучков, один из которых сдвинут относительно другого в поперечном направлении на величину h, например, вдоль оси х, при этом волновой фронт первого пучка описывается функцией F(x,y), а второго функцией F(x + h,y).

Если интенсивности первого I₁ и второго I₂ интерферирующих пучков равны между собой и составляют I₀, т.е. I₁ I₂ I₀, то результирующая интенсивность I_i на светочувствительной поверхности матрицы фотоприемников 3 в точке с координатами x_i и y_i будут иметь вид:
I₁ = 2I_o[1 + cosΔF_i(h)],
где ΔF_i(h) = F(x_i,y_i) - F(x_i+ h,y_i)
При введении фазовой модуляции с малым индексом путем изменения оптической разности хода с помощью модулирующего зеркала 8, на управляющий вход которого подается сигнал с выхода модулирующего генератора 9, электрический сигнал на выходе i-го элемента матрицы фотоприемников 3, описывается формулой:

где k крутизна характеристики фотоприемника; ψ индекс модуляции; W частота модуляции.

Первую гармонику электрического сигнала на выходе i-го фотоприемника можно получить, разложив правую часть предыдущей формулы в ряд Бесселя-Фурье и оставив только первую гармонику

где J_o(ψ) и J₁(ψ) соответственно функции Бесселя нулевого и первого порядка.

Электрический сигнал с выхода каждого элемента матрицы фотоприемников 3 поступает на первый вход соответствующего данному каналу элемента матрицы синхронных детекторов 4, а на вторые входы всех элементов матрицы синхронных детекторов 4 поступает сигнал с выхода модулирующего генератора 9. Электрический сигнал на выходе i-го элемента матрицы синхронных детекторов 4 будет пропорциональным sinΔF_i(h). Этот сигнал, пройдя через i-ый элемент матрицы аpксинусных преобразователей 5, становится пропорциональным ΔF_i(h).

Функция F(x,y) может быть восстановлена с помощью интегрирования. Т.к.

то
Поэтому восстановление формы волнового фронта может быть осуществлено с помощью последовательно соединенных считывающего устройства 6 и суммирующего устройства 10 следующим образом:
, 1≅i≅N,
где N количество элементов матрицы фотоприемников 3 по оси х.

Т. к. частота опроса считывающего устройства 6 может быть сделана значительно выше, чем частота модуляции Ω, по крайней мере, в N • 10 раз, то будет обеспечено высокое быстродействие и точность восстановления формы волнового фронта при его быстрых изменениях.

Использование: оптическая техника для определения формы волнового фронта принимаемого оптического излучения, например, устройства контроля качества оптических систем. Сущность изобретения: устройство выполнено на основе интерферометра поперечного сдвига по схеме Маха-Цендера с использованием модулирующего генератора, матрицы синхронных детекторов и регистрирующего устройства, который содержит матрицу арксинусных преобразователей, считывающее устройство и суммирующее устройство. 1 ил.

Датчик волнового фронта, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные светоделитель, зеркало и матрицу фотоприемников, электрически связанных с регистрирующим устройством, отличающийся тем, что в него введены дополнительный светоделитель и модулирующее зеркало, образующие со светоделителем и зеркалом интерферометр Маха Цендера, а также модулирующий генератор и матрица синхронных детекторов, соединенных соответствующими выходами матрицы фотоприемников, регистрирующее устройство состоит из матрицы арксинусных преобразователей, считывающего и суммирующего устройств, при этом выход модулирующего генератора соединен с управляющим входом модулирующего зеркала и вторыми входами всех элементов матрицы синхронных детекторов, выход каждого элемента матрицы синхронных детекторов соединен с входом соответствующего данному каналу элемента матрицы арксинусных преобразователей, выход каждого элемента матрицы арксинусных преобразователей соединен с входом соответствующего данному каналу элемента считывающего устройства, а каждый выход считывающего устройства соединен с соответствующим входом суммирующего устройства.