Способ измерения аберраций волнового фронта излучения Советский патент 1993 года по МПК G01J9/02 

ел С

Использование: в прикладной оптике при сонтроле искажений врлнового фронта лазе ного излучения и точности изготовления оптических деталей. Сущность: получают сдвиговую интерференционную картину измеряемого волнового фронта наложением в плоскости регистрации 2-х его изображений, отличающихся взаимным увеличением в одном направлении и развернутых на угол, отличный от гит, Где п - ряд целых чисел. При этом наложение интерферирующих волновых фронтов производят при совмещении пары их соответственных точек в пределах интерференционной картины. Расшифровка полученной интерферограммы позволяет полностью и с высокой точностью, не зависящей от пространственного масштаба искажений волнового фронта, определить форму последнего. 2 ил.

Изобретение относится к технической

фИЗК

ке, преимущественно к оптике. Оно может пыть использовано при решении задачи интерферометрйчеекого контроля искажений юлнрвого фронта (ВФ) лазерного излучена я, а также для контроля точности изгб овления оптических деталей.

Наиболее эффективный способ интёр- ферс метрического контроля ВФ основан на получении интерференции измеряемого ВФ с когерентным ему эталонным ВФ. Такой с пособ реализуется, например, в интер- ферсметрах Физо и ТвайманаТрина . При этом форма интерференционных полос на регистрируемой интерференционной картине (ЙФК) прямо отображает топографию поверхности контролируемого ВФ, т.е. его волновой аберрации.

Недостатком такого способа измерения ВФ Является то, что его нельзя применить в ряде важнейших случаев, а именно: когда

использование когерентного измеряемому излучения с эталонным ВФ практически исключено, либо получение которого связано с большими техническими трудностями. Такая ситуация, в частности, имеет место при контроле ВФ собственного лазерного излучения, когда источник когерентного ему эталонного лазерного излучения попросту отсутствует. В таких случаях для измерения ВФ используют так называемые методы сдвиговой интерферометрии, в которых используется интерференция измеряемого ВФ с той или иной модификацией этого же ВФ,

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу контроля аберраций ВФ излучения является способ переменного поперечного сдвига, в котором аберрации определяют при расшифровке интерферограммы, получаемой наложением двух одинаково ориентированных изображений измеряемого

XI

Ю

со

Ю

VI

CJ

ВФ, отличающихся лишь взаимным увеличением размеров их апертур в одном заданном направлении в плоскости регистрации и не имеющих взаимного сдвига в ортогональном направлении.

Способ позволяет с высокой точностью измерять форму и ориентацию профилей ВФ в его сечениях, параллельных заданному направлению относительно увеличения интерферирующих фронтов. Это в совокупности с простотой реализации способа (достигаемой при использовании в интерференционнойi схеме Диспергирующих оптических элементов), безусловно, является достоинством способа.

; Целью предлагаемого изобретения является повышение информативности измерений.;

Поставленная цель достигается тем/что в способе измерения аберраций волнового фронта излучения, в котором формируют сдвиговую ЙФК положением 2-х изображений измеряемогб ВФ, отличающихся взаимным увеличением размеров в плоскости регистрации интерфёрограммы в одном на- праёлёнии, и производят расшифровку ИФК, интерферирующие волновые фронты в нем взаимно разворачивают в плоскости регистрации на угол, отличный от плг, где п - целые числа, а наложение волновых фронтов осуществляется при совмещении одной из пар соответственных точек в пределах ЙФК,

На фиг. 1 показан пример формирования по предложенному способу интерфёрограммы ВФ с прямоугольной апертурой при относительном увеличении интерферирующий фронтов m х 2 и угле взаимного их разворота ,где

внешний контур меньшего интерферирующего ВФ1,

внешний контур большего интерферирующего ВФ, увеличенного по сравнению с ВФ 1 в Шх 2 раз в направлений и развернутого на угол у 90° 2,

внешний контур большего ВФ до его разворота на угол у 3:

оси ортогональной системы координат, принадлежащей ВФ t OX, OY;

оси координат, принадлежащие ВФ 2 и соответственные осям ОХ и OY ВФ 1 OX, OY;

точка интерфёрограммы, где единственная пара соответственных точек волновых фронтов 1 и 2 совмещена м для удобства выбрана в качестве начала системы координата XY и xVO;

точки, принадлежащие соответственно волновым фронтам 2 и 3 и соответственные точка АО волнового фронта 1 АО, АО, часть группы точек интерферрограммы, поочередно соответственных точек А0 (пунктирные контуры в пределах интерфёрограммы обозначают границы поочередно соответственных ей зон интерферирующих волновых фронтов) А2. Аз...

На фиг. 2 изображен вариант интерференционной схемы, формирующей ИФК по предложенному способу, где

измеряемый пучок излучения 1; дифракционная решетка 2;

дифрагированные решеткой 2 пучки излучения, используемые для получения интерференции 3,4;

плоские зеркала, осуществляющие разворот пучка излучения вокруг его оси на

заданный угол 5,6;

плоское зеркало 7;

светоделитель (границы сечений пучков излучения условно показаны пунктирным линиями, а область интерференции заштрихована) 8.

Для измерения аберраций ВФ предложенным способом в плоскости регистрации формируют сдвиговую ИФК наложением 2-х волновых фронтов 1 и 2, являющихся изображениями измеряемого ВФ. Оба интерферирующих ВФ 1 и 2 отличаются один от другого лишь масштабом относительного увеличения тх 1 в одном заданном направлении х в плоскости регистрации. Указанные фронты взаимно наложены для интерференции с относительным разворотом в плоскости регистрации на угол у п л , где п 0,1,2... (целые числа). Контуры большего ВФ до его разворота относительно меньшего обозначены на фиг. 1 цифрами 3. При этом наложение ВФ 1 и 2 производят при совмещении одной из пар соответственных точек обоих интерферирующих фронтов в пределах ИФК. На фиг. 1 этой

точкой является точка 0 начала ортогональных и соответственных систем координат XY и X Y принадлежащих соответственно меньшему 1 и большему 2 интерферирующим фронтам. (Соответственными точками

интерферирующих фронтов в сдвиговой ин- . терферометрии принято называть точки, соответствующие одной и той же точке измеряемого ВФ. Например, точка А0 волнового фронта 2 является соответственной

точке АО волнового фронта 1).

Полученная таким образом сдвиговая ИФК позволяет при ее расшифровке найти значение фазы в любой точке ВФ, т.е. полностью определить форму ВФ, а значит,

аберрации. Для расшифровки такой ИФК могут быть использованы различные алгоритмы, которые могут быть разработаны по аналогии с алгоритмами, используемыми для расшифровки других сдвиговых типов

интерференционных картин. Однако изве- Јтные алгоритмы расшифровки сдвиговых j lcbK сложны, поскольку основным этапом в них является разложение функции дополнительной разности фаз интерферирующих ВФ в ряд простейших функций, что является трудоемкой операцией, требующей применения вычислительной техники. Известен также простой алгоритм расшифровки сдвиговых ИФК, изложенный в способе-прото- типе, однако в том виде, в котором последний изложен, он не пригоден для расшифровки интерферограмм предложенного типа.

На основе указанного алгоритма авто- ром разработан простой метод расшифровки 11ФК предложенного типа, справедливость которого была проверена им как теоретически, так и экспериментально.

Алгоритм формулируется следующим сбразом: величина волновой аберрации W(A) в заданной точке А измеряемого ВФ Јавна сумме измеренных по ИсрК значений дополнительных разностей фаз Ј(AI) интер- оерирующих фронтов в последовательно- сти точек AI, первая из которых А0 соответствует расположению на ИФК заданной точки А измеряемого ВФ, а каждая госледующая точка интерферограммы является соответственной предыдущей точке, считая предыдущую точку принадлежащей большему интерферирующему ВФ, а последующую - меньшему. То есть для нахождения фазы ВФ в любой точке не требуется выполнение сложных математических пре- образований, а лишь выполнение операций суммирования, что позволяет существенно у ;корить процесс расшифровки ИФК, в частности при использовании алгоритма и вы- ч делительной технике. Само же определение дополнительной разности фаз в заданной, точке ИФК является традиционной и обязательной процедурой в интерферометрии.

Из изложенного алгоритма следует, чтб искажения функции фазы ВФ (т.е. волновая а5берация) складывается из искажений функций, первая из которых является функцией разности фаз, найденной по всей пло- Цади ИФК, а каждая последующая - функцией разности фаз, найденной на уча- с|ке (зоне) ИФК (границы ряда которых пб- на фиг. 1 пунктирными линиями в пределах ИФК), соответственной предыдуI.

Формула изобретения

. ; Способ измерения аберраций волнового фронта излучения, в котором формируют

щей зоне, а затем увеличенных и развернутых до совпадения с размером агтёртуры измеряемого ВФ. Поскольку размеры таких поочередно соответственных зон с ростом их номера I сокращаются вокруг центра О относительного разворота интерферирующих фронтов 1 и 2. то и относительные искажения функции разности фаз р с ростом ее номера убывают, Поэтому, начиная с некоторого i К, вкладом искажений остаточных членов ряда можно пренебречь, тем самым разумно ограничить число суммируемых членов-, чем еще более упростить расшифровку интерферограммы.

Из рассмотренного алгоритма ясна важность выполнения условия совмещения одной из пар соответственных точек, т.к. при этом любая из групп поочередно соответственных точек ИФК в пределе сходится (с увеличением номера точки) к указанной единственной точке (центру) ИФК, А значит, фаза ВФ всегда определяется относительно указанной центральной точки ВФ, т.е. определяется и вся поверхность ВФ. Несоблюдение указанного условия привело бы к тому, что различные поочередно соответственных точек группы не были бы между собой связаны строго, а тем самым ВФ не был бы, строго говоря, определен.

Сравнение физической сущности изложенного алгоритма расшифровки предложенной ИФК и алгоритма расшифровки ИФК в прототипе позволяет сделать вывод о том, что точность контроля фазы ВФ в обоих способах практически одинакова. Однако при использовании предложенного способа следует помнить, что чувствительность способа к неосесимметричным аберрациям (например, к астигматизму) зависит от угла у (максимальна при у JT /2 + уменьшается с приближением у К гит ).

Необходимо отметить также, что предложенный способ допускает использование в качестве интерферирующих фронтов как прямых, так и зеркальносимметричных изображений измеряемого ВФ. что позволяет при реализации способа применять для разворота пучка вокруг оси на заданный угол у простейший оптический элемент-двугранный уголковый отражатель, отраженный от которого пучок, как известно, кроме разворота приобретает и зеркальную симметрию.

55

сдвиговую интерференционную картину наложением двух изображений волнового фронта, линейные размеры которых по одной координате различны, и производят

расшифровку интерференционной картины, о т л и чающий с я тем, что, с целью повышения информативности измерений, одно интерферирующее изображение волнового фронта разворачивают в плоскости регистрации интерференционной картины

относительно другого изображения на угол, отличный от п. я; где п - целые числа, а наложение волновых фронтов осуществляют при совмещении одной из пар их соответственных точек.