Датчик волнового фронта

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для измерений аберраций оптических систем. Сущность изобретения: в датчике волнового фронта, содержащем диспергирующий элемент в виде дифракционной решетки, последнюю выполняют ангармонической, фазовый профиль которой задают в зависимости от вида устраняемой аберрации. 3 с. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений аберраций оптических систем. При прохождении светового пучка через оптическую систему (или трассу распространения) возникает потребность в определении влияния оптической системы (или трассы) на фазовый профиль пучка, например, с целью компенсации этого влияния.

Известен датчик волнового фронта, основанный на измерении энергии излучения, проходящего через диск Эйри [1] Критерием качества пучка в этом случае служит отношение величины интенсивности за точечной диафрагмой при наличии аберраций к интенсивности в их отсутствие. Этот критерий получил название фактора Штреля.

Однако датчик Штреля обладает существенным недостатком он не дает количественной информации о вкладах абеppаций в измеряемый волновой фронт.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик Гартмана [2] В этом датчике вся апертура светового пучка с помощью элемента, представляющего собой растр из N² отверстий в тонкой непрозрачной пластине, разделяется на N² субапертур. Дифрагированное на растре излучение фокусируется линзой на матрицу из четырехсекционных (квадрантных) фотоприемников, так что каждому отверстию соответствует свой фотоприемник. Локальный наклон волнового фронта на каждой субапертуре приводит к изменению положения фокального пятна на квадрантном фотоприемнике. По величине фототока с каждого элемента квадрантного фотоприемника оценивается величина наклона.

В датчике Гартмана используются 4N² измерительных каналов, информация с которых интерполируется на всю апертуру. Затем проводятся вычисления коэффициентов в разложении полученного фазового профиля по ортогональным полиномам Цернике методом наименьших квадратов. Найденные коэффициенты разложения это основной результат, дающий представление о фазовых аберрациях в общеупотребимой форме.

Наличие большого числа измерительных каналов и сложной математической обработки приводит к значительным временным затратам на вычисление коэффициентов в разложении фазовых аберраций, что снижает оперативность измерений.

Цель изобретения измерение аберраций оптических систем.

Цель достигается тем, что в датчике волнового фронта, включающем элемент, осуществляющий разложение светового пучка, линзу, набор фотоприемников с диафрагмами и сервосистему, элемент, осуществляющий разложение светового пучка, выполнен в виде ангармонической фазовой дифракционной решетки, обеспечивающей дифракцию светового пучка в N² порядков и вносящей набор различных (компенсирующих) фазовых аберраций, величина и знак которых определяются номером порядка дифракции, при этом число измерительных каналов уменьшается в 4 раза.

На фиг. 1 представлена оптическая схема датчика волнового фронта; на фиг. 2 показан порядок нумерации фотоприемников; фиг. 3 иллюстрирует принцип работы устройства; на фиг. 4 показана зависимость значения центра "тяжести" интенсивности, измеренной в +1 и -1 порядках дифракции, от величины фазовых искажений (_x= X²); на фиг. 5 оптическая схема датчика волнового фронта с коррекцией по наклонам.

Датчик волнового фронта включает в себя специальным образом изготовленную дифракционную решетку 1, линзу 2, набор 3 фотоприемников с диафрагмами, сервосистему 4.

Датчик работает следующим образом (фиг. 1).

Световой пучок попадает на фазовую решетку 1, пройдя которую, фокусируется линзой 2 на фотоприемники 3, расположенные в соответствии с порядками дифрагировавшего на решетке излучения. Сигнал с одноэлементных фотоприемников (фотодиодов) в сервосистеме 4 усиливается, оцифровывается и обрабатывается микропроцессором до представления в желаемой форме коэффициентов разложения фазовых аберраций по полиномам Цернике. В измерительных системах это могут быть числа, и, следовательно, сервосистема включает в себя устройство отображения информации цифропечать или цифровой индикатор. В системах автоматического регулирования (адаптивных системах) это управляющие корректором волнового фронта напряжения, которые формируются в сервосистеме с помощью амплитудных усилителей.

Фазовая дифракционная решетка изготавливается в соответствии с ожидаемым набором аберраций. Так, для измерения астигматизма (x²-y²) и дефокусировки можно использовать фазовую решетку с профилем sin (ax² + bx) + sin (ay² + by), где а, b постоянные решетки. Пусть, например, волновой фронт является астигматическим вида Х², где неизвестный коэффициент. Результат действия датчика волнового фронта на такую аберрацию проявляется в перераспределении интенсивностей в порядках дифракции (фиг. 3б) по отношению к случаю отсутствия аберраций, т.е. когда 0 (фиг. 3а). Это связано с тем, что в плоскости нахождения фотоприемников на строке (О, х) происходит корреляция в том из дифрагированных пучков, в котором данная аберрация приводит к подфокусировке за счет сложения с комплексно-сопряженной аберрацией, вызванной фазовой решеткой (в рассматриваемом случае плоскость фокусировки из положения Р смещается в положение P'). Величина коэффициента вычисляется из положения центра "тяжести" максимумов интенсивностей I_m,n в дифракционных порядках _{x y} где n и m номер столбца и строки матрицы фотоприемников; N² число фотоприемников. Зависимость величины фазовых искажений от положения центра "тяжести" максимума интенсивности носит монотонный характер. Пример такой зависимости для двух фотодетекторов показан на фиг. 4. Для измерения сферической аберрации и дефокусировки можно использовать фазовую решетку с профилем sin [a(x² + y²)² + bx]+ + sin [a (x² + y²) + by] для измерения астигматизма любой ориентации: sin [a (x² y²)+ + bx] + sin (axy + bх).

Точность измерения аберраций волнового фронта соответствует точности, задаваемой фактором Штреля (например, для среднеквадратического отклонения волнового фронта в 0,1 от плоскости фактор Штреля уменьшается до 60%). Диапазон измерения фазовых аберраций ограничивается параметрами решетки и числом фотоприемников: aN/2.

При изменении угла падения светового пучка на входную апертуру датчика волнового фронта положение дифракционных порядков изменяется, т.е. работа датчика оказывается критичной к изменению наклона. Это можно устранить введением в сервосистему канала управления наклоном зеркала 5, связывающего зеркало на пьезоприводах с квадрантным фотоприемником, установленным в нулевом дифракционном порядке (фиг. 5). Изменение наклона волнового фронта приводит к смещению фокального пятна по сегментам фотоприемника и соответствующему изменению фототока с каждого сегмента. Вычитая сигналы с противоположных сегментов фотоприемника, получают информацию о наклоне волнового фронта. Для удобства представления эти сигналы можно откалибровать. После измерения наклона (если информация о наклоне необходима) разностные сигналы усиливаются и подаются на пьезоприводы зеркала. Пьезоприводы изготавливаются из биморфных пьезокерамических пластин (пьезопластин, склеенных противоположной поляризацией, которые из-за обратного пьезоэффекта при подключении к напыленным на них контактам электрического напряжения изгибаются, поскольку одна пластина удлиняется, а другая укорачивается в результате возникает изгибающий момент). Эти пьезоприводы одним концом крепятся к оправе, а другим к краю зеркала. В зависимости от величины и знака приложенного к пьезоприводам напряжения зеркало поворачивается и меняется угол падения светового пучка на фазовую решетку. Выбор коэффициентов усиления в канале управления наклоном зеркала сервосистемы производится таким образом, чтобы управление было устойчивым и зеркало выполняло коррекцию наклонов волнового фронта.

Датчик волнового фронта предполагается использовать для измерения астигматизма полупроводниковых лазеров с целью изготовления компенсаторов. Другое важное применение адаптивные оптические системы для оптической связи через атмосферу и внутрирезонаторной коррекции в технологических лазерах.

Формула изобретения

1. ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА, включающий оптически связанные диспергирующий элемент в виде дифракционной решетки, линзу, набор фотоприемников с диафрагмами, соединенных с сервосистемой, отличающийся тем, что, с целью измерения астигматизма и дефокусировки, дифракционная решетка выполнена ангармонической с фазовым профилем sin(ax² + bx) + sin(ay² + by), где a и b постоянные решетки.

2. Датчик волнового фронта, включающий оптически связанные диспергирующий элемент в виде дифракционной решетки, линзу, набор фотоприемников с диафрагмами, соединенных с сервосистемой, отличающийся тем, что, с целью измерения сферической аберрации и дефокусировки, дифракционная решетка выполнена ангармонической с фазовым профилем sin[a(x² + y²)² + bx] + sin[a(x² + y²) + by] где a и b постоянные решетки.

3. Датчик волнового фронта, включающий оптически связанные диспергирующий элемент в виде дифракционной решетки, линзу, набор фотоприемников с диафрагмами, соединенных с сервосистемой, отличающийся тем, что, с целью измерения астигматизма любой ориентации, дифракционная решетка выполнена ангармонической с фазовым профилем sin[a(x² y²) + bx] + sin(axy + bx), где a и b постоянные решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5