Датчик локальных наклонов волнового фронта Советский патент 1993 года по МПК G01J9/02 G02B26/00 

физ

Лзобретение относится к технической ке и может быть использовано для-с оздаь ия эффективных устройств измерения прос иля волнового фронта световых пучков в ре альном масштабе времени.

Для измерения переменного вр врёме- ни пэофиля волнового фронта (ВФ) используются датчики волнового фронта (ДВФ), основанные на измерении локальных наклонов пазового профиля световой волны. Такие датчики могут работать с некогерентным светом и в отличие от двух- и многолучевых ин- терфЬрометров не требуют опорного пучка.

Известна конструкция датчика Гартма- на, в которой измерение локальных наклонов ВФ производится с помощью линзового растра и устанавливаемых в его фокальной плоскости квадрантных (четырехсекторных) фотоприёмников 1J.

Недостатком метода Гартмана является чувствительность к неоднородности рас- прёд ления яркости исследуемого светового пучка, что ухудшает точность измерения профиля ВФ. - I

Прототипом заявляемого устройства является гетеродинный интерферометр поперечного сдвига на основе вращающейся дифракционной решетки Ронки. Исследуемый световой пучок направляется на линзу (ЛО, в фокальной плоскости которой расположена вращающаяся дифракционная решетка (Р). Изображение фокального пятна на решетке переносится линзой (Л2) в плоскость изображения, в которой расположен многоэлёментный фотолр иёмнйк (ФП) 2.

Интенсивность света в плоскости изображения модулируется частотой перекрытия штрихами фокального пятна. При наклоне ВФ входного пучка происходит смещение фокального пятна и его перекрытие штрихом вращающейся решетки происходит раньше или позже в зависимости от знака наклона ВФ, поэтому фазы выходных сигналов резонансных усилителей (РУ) зависят от локальных наклонов ВФ в соответствующих зонах входной апертуры датчика.

Фазовые детекторы ФД измеряют фазы выходных сигналов РУ относительно фазы

ел

С

XJ О GJ Ю XI Јь

опорного сигнала, который формируется с помощью той же решетки, опорного источника света (ОИ) и фотоприемника опорного сигнала (ОФП). Для правильной работы устройства необходимо, чтобы в пространственном спектре функции пропускания решетки отсутствовали четные гармоники основной пространственной частоты. Этому условию удовлетворяет решетка Ронки, скважность штрихов которой равняется 1/2.

Недостатком прототипа является малый диапазон измерения локальных наклонов, величина А которого равна отношению периода решетки к фокусному расстоянию линзы Лц А d/L, так как смещение фокального пятна в плоскости решетки более чем на d вызывает скачкообразное изменение фазы выходного сигнала фотоприемника на 2 Абсол ютная точность измерения локальных наклонов также пропорциональна величине d и составляет некоторую зависящую от уровня шумов фотоприемника долю диапазона А. При постоянном уровне шумов повышение точности измерений возможно лишь при использовании решетки с меньшим периодом, что приводит к уменьшению дйапазбна. V-, -- V ... ., : : :: , . - .

Целью изобретения является расшире- Hnie диапазона измеряемых локальных наклонов волнового фронта при одновременном сохранении точности измерений.

С этой целью в датчике локальных наклонов волнового фронта содержащим две сбосные линзы, установленную в их общей фокальной плоскости дифракционную решетку с периодом d и скважностью 1/2, матрицу фотоприемников, установленную в задней фокальной плоскости второй линзы, резонансные усилители, фазовые детекторы, опорный источник света и фотоприемник опорного сигнала, использована двухчастотная дифракционная решетка с периодом D N d, где N 1 - целое число, причём одна половина периода решетки промодулирована со скважностью q, а вторая половина периода - со скважностью (1-q), где q 1/2, при этом каждый фотоприемник связан с дополнительным резонансным усилителем и фазовым детектором, измеряющим фазу низкочастотной компоненты сигнала фотоприемника, соответствующей периоду D решетки.

На фиг. 1 представлена зависимость профиля пропускания двухчастотной дифракционной решетки.

На фиг. 2 приведена схема датчика локальных наклонов волнового фронта на основе двухчастотной дифракционной решетки. .

Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем.

Информация об измеряемых локальных

наклонах в датчике с двухчастотной решеткой содержится в фазах гармонических компонент выходного сигнала каждого фотоприемника. Измерения фазы высокоча- .стотной компоненты, частота которой соответствует короткому периоду d, позволяет, так же как и в схеме прототипа, определить

локальный наклон В Ф с высокой точностью (пропорциональной величине d) в узком диапазоне его изменения: d/L.

Дополнительный резонансный усилитель выделяет из выходного сигнала фотоприемника низкочастотную компоненту с

частотой, соответствующей длинному периоду D модуляции решетки. Измерения фазы этой низкочастотной компоненты с помощью дополнительного фазового детектора позволяют определить локальный наклон ВФ в более широком (в N раз) диапазоне его изменения: D/L Nd/L. При этом относительно низкая точность измерений в низкочастотном канале компенсируется высокой точностью измерений более высокочастотного канала,

Для предотвращения взаимного влияния грубого и точного каналов за счет комбинационных частот необходимо, чтобы

в спектре выходного сигнала фотоприемника отсутствовали четные гармоники высокочастотной компоненты. Для этого необходимо, чтобы в пространственном спектре функции пропускания решетки отсутствовали четные гармоники пространственной частоты 1/d. Решетка с профилем, изображенным на фиг. 1, удовлетворяет этому требованию, так как средняя за период D скважность штрихов решетки составляет

(q+(1-q))/2 - 1/2 при любых значениях q. Величина скважности q влияет лишь на соотношение амплитуд информационных компонент.

По сравнению с прототипом и другими известными датчиками предлагаемое устройство позволяет одновременно увеличивать и точность, и диапазон измерения локальных наклонов волнового фронта световых пучков.

t о р м у л а и з о б р е т е н и я Датчик локальных наклонов волнового фронта, содержащий опорный источник света, две соосные линзы, установленную в их общей фокальной плоскости дифракционную решетку, фотоприемники, установленные в задней фокальной плоскости второй линзы, соединенные с первыми резонансными усилителями, которые соединены с фазовыми детекторами, а фазовые через вторые резонансные усилите ти соединены с фотоприемнйком опорного сигнала, оптически связанным через дифракционную решётку с опорным источником света, о т л и чаю щи и с я тем, что. с цепью расширения диапазона измеряемых локальных наклонов, в него введены первые дополнительные резонансные усилители, входы которых соединены фотоприемниками, а выходы - с дополнительными

фазовыми детекторами, которые соединены с вторыми дополнительными резонансными усилителями, соединенными с фотоприемником опорного сигнала, а дифракционная решетка выполнена двухчастотной с перио0 дом D N- d, где N 1 - целое число, a d - период, соответствующий фазе высокочастотной компоненты, причем одна половина периода решетки выполнена со скважностью q для высокочастотной компоненты, а

5 вторая половина периода - соответственно со скважностью 1-q, где q 1/2.

Использование: для создания эффективных устройств измерения профиля волнового фронта световых пучков в реальном масштабе времени. Сущность изобретения: используется датчик волнового фронта на основе двухчастотной дифракционной решетки с последующим выделением ШгШР лов на двух основных частотах. При этом измерение локальных наклонов осуществляется одновременно по грубой и точной шкалам. 2 ил.

Jl

Ч

,-.н:.1