Устройство для измерения волнового фронта
Устройство для измерения волнового фронта, представляющее собой делитель волнового фронта в виде микролинзового растра, приемник излучения матричного типа и устройство для согласования апертур измеряемого волнового фронта с площадкой приемника регистрирующего излучение. Отличающееся тем, что в качестве устройства, согласующего апертуры используется длиннофокусная линза. Согласование осуществляется путем перемещения приемника вдоль оси в соответствие с геометрическим подобием, при этом линзовый растр перемещается к приемнику на расстояние, соответствующее эффективному фокусному расстоянию. Технический результат - упрощение конструкции и измерение волнового фронта в широком диапазоне значений апертур пучков.
Устройство относится к измерительной технике и предназначено для измерения волнового фронта, включая аберрации волнового фронта и качество лазерного излучения. Преимущественные области применения - лазерная техника, адаптивная оптика, оптическое приборостроение.
Устройство, представляет собой датчик волнового фронта, и состоит из делителя волнового фронта, представляющего собой или микролинзовый растр или маску с отверстиями, приемника излучения матричного типа, представляющего собой ПЗС матрицу для видимого диапазона и пиро- или термокамеру для ИК диапазона, и устройства согласования апертуры измеряемого пучка с апертурой приемника.
Аналогами являются устройства, которые не имеют на входе согласующего апертуры устройства или используют для согласования коллиматор. Коллиматор состоит из системы линз и преобразует входной плоский пучок данного конкретного диаметра в выходной плоский с данным коэффициентом увеличения.
Аналогом данного устройства является устройство для измерений аберраций волнового фронта (Регистрационный номер 94017860.28. Способ измерения аберраций волнового фронта и устройство для его осуществления. Акционерное общество «ЛОМО»). Устройство представляет собой диафрагмированный экран с отверстиями, регистратор изображения и систему обработки изображения и не имеет устройства согласования апертур.
Недостатком таких устройств является ограничение апертур измеряемых пучков размерами регистрирующей площадки. Применение систем согласования извне приводит к неконтролируемым аберрациям, не относящимся к анализируемому излучению.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является устройство представленное в SPIE's proceedings Astronomical Telescope and Instrumentation 2000, 27-31 March, Munich, Germany, P.Feautrier et al, "The NAOS visible wavefront sensor", с ним можно подробно ознакомиться на странице в Интернете www.eso.org/˜rdorn/papers/naos.pdf. Это прототип устройства. Он состоит из системы коллимирующих линз, оптических фильтров, микролинзового растра и ПЗС камеры.
Недостатком описанного аналога является необходимость предварительного определения точных размеров пучка и расчета конкретной телескопической системы.
Указанные выше недостатки устраняются тем, что для согласования апертуры анализируемого волнового фронта (в.ф.) с областью приемной площадки берется длиннофокусная линза с относительным отверстием (отношение фокуса к входной апертуре) не менее 5. Такое значение относительного отверстия не вносит дополнительных сферических аберраций, превышающих значение длины волны, деленной на десять. Применение одной линзы сильно упрощает конструкцию и не требует сложных котировочных узлов, кроме того, появляется возможность измерять пучки широкого диапазона апертур путем перемещения приемника вдоль оси линзы. При этом для регистрации пучка диаметром D0 приемник относительно согласующей линзы нужно установить на расстояние dL=F(1-h/D0 ), в соответствие с геометрическим подобием, где F - фокусное расстояние согласующей линзы, h - наименьший размер приемной площадки ПЗС матрицы, для полдюймовой матрицы h=4.8 мм.
Преобразование плоского фронта в сферический приводит к необходимости изменения положения линзового растра относительно приемника ПЗС матрицы. Растр должен быть устанавлен в соответствие с эффективным фокусным расстоянием, которое вычисляется
по формуле 
, где fold - фокусное расстояние микролинзочек.
Общими признаками датчика в.ф. с аналогами являются наличие линзового растра, приемника ПЗС матрицы и закрепление всех частей в единый корпус.
Новым техническим решением является использование одной согласующей линзы на входе излучения.
Данное устройство реализует алгоритм измерения волнового фронта, основанный на измерении локальных смещений фокальных пятен от каждой микролинзочки. При этом за опорный фронт, берется плоский волновой фронт, также как и измеряемый, проходящий через согласующую линзу и преобразованный линзой в сферический фронт. Поэтому при вычитании опорного фронта из сферического при нахождении смещений фокальных пятен, вносимая погрешность, связанная со сферической аберрацией, компенсируется.
Вид устройства поясняется чертежом (Фиг.1). Устройство содержит корпус - 1, в который вкручивается согласующая линза - 2 на которую падает анализируемое излучение, корпус с одной стороны напрямую крепится к направляющему рельсу - 3, позволяющему установку на рабочей платформе. С другой стороны корпус крепится к рельсу через котировочный узел - 4, снабженный юстировочными винтами, осуществляющими горизонтальные и вертикальные перемещения. Корпус служит для расположения отдельных элементов измерителя и предотвращения паразитной засветки приемной видеокамеры. Внутри скользит трубка, к которой крепится насадка с фильтром-ослабителем излучение и линзовым растром в оправке - 5, насадка прикрепляется к ПЗС матрица - 6 так что может менять свое положение.
Устройство работает следующим образом.
Приходящее на согласующую линзу 2 излучение диаметром D0 преобразуется в сходящуюся сферическую волну, ПЗС матрица 6 перемещается по рельсу 3 так, чтобы пучок полностью проецировался на приемную площадку ПЗС матрицы. При перемещении ПЗС матрицы линзовый растр 5 располагается в соответствие с эффективным фокусным расстоянием, при этом распределения интенсивности в фокальных пятнах имеет явно выраженный максимум. Далее, данные передаются из регистрирующего устройства в компьютер для обработки в соответствие с алгоритмом, по которому определяются центры фокальных пятен, определяются смещения центров пятен текущего фронта по отношению к опорному волновому фронту (измеренного прежде) и восстанавливается фаза на всей апертуре пучка в ближнем поле.
Устройство для измерения волнового фронта, включающее делитель волнового фронта излучения в виде микролинзового растра, приемник излучения матричного типа и устройство для согласования апертуры измеряемого пучка с апертурой приемника, регистрирующего излучение, причем делитель излучения расположен между устройством согласования апертур и приемником, отличающееся тем, что в качестве устройства согласования апертур выбрана длиннофокусная линза с относительным отверстием (отношение фокуса к диаметру) не менее 5, линзовый растр установлен но отношению к приемнику на расстояние
где fold - фокусное расстояние микролинзочек растра, F - фокусное расстояние согласующей линзы, h - наименьший размер приемной площадки ПЗС матрицы, D0 - диаметр пучка,
а матричный приемник расположен на расстояние dL=F(1-h/D 0) от согласующей линзы.
