專利名稱：一種環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)檢測(cè)與儀器及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是干涉儀的一種照明光路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
干涉儀所用的光源，根據(jù)不同的使用要求應(yīng)具有一定的時(shí)間相干性和空間相干性，同時(shí)也要具備足夠的輸出功率。在激光器出現(xiàn)以前干涉儀常采用鈉光燈、水銀燈這一類所謂原子光譜燈作光源，由于這類光源輻射的光譜成分是由不連續(xù)的，分立的不同波長(zhǎng)組成，為了滿足光源時(shí)間相干性和空間相干性的要求，常采用濾波片濾去不需要的譜線和在光源后面利用光孔來(lái)限制光源的大小。普通的原子光譜燈是一種擴(kuò)展光源，因此光源后面的小孔將大大降低光源進(jìn)入干涉儀的有效能量，使觀察屏上無(wú)法觀察到明亮的干涉條紋， 影響干涉測(cè)量的最后結(jié)果。這一問(wèn)題在激光器出現(xiàn)以后得以徹底解決。激光的高度時(shí)間相干性和空間相干性，使它具有其他光源無(wú)法比擬的相干長(zhǎng)度。激光的高度空間相干性，可以使它有很寬的空間相干區(qū)域，光源后面的光孔限制對(duì)激光來(lái)說(shuō)已沒(méi)有必要。激光高度集中的能量密度，使干涉條紋有足夠的亮度。因此，激光已成為干涉測(cè)試的最理想光源。在激光干涉儀中，相干噪聲將影響對(duì)干涉圖的數(shù)據(jù)處理精度。不期望的反射、衍射和散射均能產(chǎn)生相干噪聲?；覊m顆粒、粗糙表面、玻璃不均勻性及擦傷表面可引起衍射。由于He-Ne激光光源具有良好相干性，CCD探測(cè)到干涉條紋不僅是由參考和測(cè)試光束形成干涉條紋，還包含有光路中各個(gè)光學(xué)表面的反射的雜散光和參考測(cè)試光束相加而形成雜散條紋，導(dǎo)致干涉圖像質(zhì)量下降，降低系統(tǒng)傳遞函數(shù)。為此，一些學(xué)者采用低相干光源或白光作為干涉儀的光源，或在成像系統(tǒng)加旋轉(zhuǎn)毛玻璃以降低空間相干性。但是空間擴(kuò)展光源會(huì)大大降低干涉條紋的對(duì)比度和干涉儀的系統(tǒng)信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)，有效抑制干涉儀相干噪聲，從而提高干涉儀的測(cè)量精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)包括激光光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、可變光闌、二元相位光柵、變焦光學(xué)系統(tǒng)和空間濾波器； 激光光源經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后變成平行光，再經(jīng)過(guò)可變光闌對(duì)光束的直徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)， 以控制垂直入射到二元相位光柵上的光束直徑大??；光束經(jīng)過(guò)可變光闌調(diào)節(jié)直徑大小后垂直入射到二元相位光柵上，二元相位光柵后為變焦光學(xué)系統(tǒng)，在變焦光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上放置空間濾波器接收環(huán)形光源，通過(guò)調(diào)節(jié)變焦系統(tǒng)的焦距Π的大小分別改變環(huán)形光源的環(huán)厚度和環(huán)半徑。所述二元相位光柵是等間距二元相位光柵，其刻蝕深度滿足2h (η-1) = λ，其中h 為相位光柵刻槽深度，η為相位光柵元件的折射率，λ為入射光的波長(zhǎng)。當(dāng)滿足上述條件時(shí)，二元相位光柵可以實(shí)現(xiàn)偶數(shù)級(jí)次完全消光，即偶數(shù)級(jí)次的衍射效率為零，奇數(shù)級(jí)次光能量主要集中在正負(fù)一級(jí)上，衍射效率為40. 5%，這樣有利于光能量的有效利用和高級(jí)次雜光的濾除。 在所述擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的聚焦處設(shè)置光孔濾波消除雜散光。所述二元相位光柵安裝時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸須與光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合；旋轉(zhuǎn)軸的中心位于光柵柵節(jié)的幾何中心，保證光柵關(guān)于光軸(旋轉(zhuǎn)軸)呈偶函數(shù)而不是奇函數(shù)，這樣做避免在二元光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)兩級(jí)衍射光引入相位改變。所述的激光光源采用He-Ne穩(wěn)頻激光光源。所述變焦光學(xué)系統(tǒng)可以是固定變焦和連續(xù)變焦兩種模式。所述空間濾波器由涂有不透光膜的環(huán)帶玻璃平板構(gòu)成。本發(fā)明的工作原理是光源101經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)102后變成平行光，在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)聚焦103處設(shè)置光孔濾波消除雜散光，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)102后出射的平行光在經(jīng)過(guò)可變光闌104對(duì)光束的直徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，其主要作用是控制入射到二元相位光柵上的光束直徑大小。光柵105是一種等間距二元相位光柵，偶數(shù)級(jí)次衍射光效率幾乎為零，奇數(shù)級(jí)次衍射光主要集中在正負(fù)一級(jí)上，正負(fù)一級(jí)衍射效率分別為40. 5%，當(dāng)平行入射的平行光垂直入射在繞光軸旋轉(zhuǎn)的二元相位光柵上，在變焦光學(xué)系統(tǒng)106的后焦面上放置空間濾波器 107接收環(huán)形光源及濾除二元相位光柵的高級(jí)次雜光，空間濾波器107位于變焦光學(xué)系統(tǒng) 106和準(zhǔn)直透鏡108的共同焦面上。變焦光學(xué)系統(tǒng)106主要是通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡組的焦距從而調(diào)節(jié)空間濾波器107上的環(huán)形光源的半徑，環(huán)半徑隨著變焦透鏡組焦距的增大而增大。對(duì)二元相位光柵的安裝要求二元相位光柵的旋轉(zhuǎn)軸和光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合，中心位于二元相位光柵的幾何中心。相位光柵刻蝕深度滿足2h(n-l) = λ，h為相位光柵刻槽深度，η為相位光柵元件的折射率，λ為入射光的波長(zhǎng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明利用控制入射光束直徑大小和調(diào)節(jié)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距實(shí)現(xiàn)了環(huán)形光源的環(huán)半徑可調(diào)和環(huán)厚度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形光源為高精度干涉儀提供照明，解決了干涉儀中的相干噪聲問(wèn)題，對(duì)提高干涉儀的信噪比和測(cè)量精度有重要的應(yīng)用價(jià)值。(2)本發(fā)明采用二元相位光柵實(shí)現(xiàn)環(huán)形光源，加工制作簡(jiǎn)單，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)且光能利用率較高。


圖1是本發(fā)明的光路原理圖；圖2是二元相位光柵的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的相位光柵安裝旋轉(zhuǎn)軸示意圖；圖4本發(fā)明的相位光柵安裝旋轉(zhuǎn)軸示意圖。在圖1中，101激光光束，102擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，103針孔濾波裝置，104可變光闌，105 二元相位光柵，106變焦光學(xué)系統(tǒng)，107空間濾波器，108準(zhǔn)直透鏡。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的光源采用He-Ne穩(wěn)頻激光光源，激光束101經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)102后變成平行光，在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)聚焦103處設(shè)置針孔濾波消除雜散光，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)102后出射的平行光在經(jīng)過(guò)可變光闌104進(jìn)行對(duì)光束的直徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要作用是控制垂直入射在相位光柵上的光束直徑大小，光柵105如圖2所示，相位光柵是等間距二元相位光柵，刻蝕深度滿足2h(n-l) = λ，h為相位光柵刻槽深度，η為相位光柵元件的折射率，λ為入射光的波長(zhǎng)。當(dāng)平行入射的平行光垂直入射在繞光軸旋轉(zhuǎn)的相位光柵上，在變焦光學(xué)系統(tǒng)106的后焦面上可以設(shè)置空間濾波器接收到環(huán)形光源，空間濾波器可以由涂有不透光膜的環(huán)帶玻璃平板構(gòu)成。變焦光學(xué)系統(tǒng)106主要是通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡組的焦距從而調(diào)節(jié)空間濾波器107上的環(huán)形光源的半徑，環(huán)半徑隨著變焦光學(xué)系統(tǒng)透鏡組焦距的增大而增大。如圖2所示，二元相位光柵是等間距相位光柵，刻蝕深度滿足條件2h(n-l) = λ， h為相位光柵刻槽深度，η為相位光柵元件的折射率，λ為入射光的波長(zhǎng)。相位光柵的凹槽面都凸面均為透光，光柵的偶數(shù)級(jí)次光衍射效率幾乎為零，奇數(shù)級(jí)次光主要集中在正負(fù)一級(jí)上，衍射效率為40%左右。對(duì)二元相位光柵的安裝要求如圖3或圖4所示，旋轉(zhuǎn)軸的中心位于相位光柵的幾何中心，旋轉(zhuǎn)軸與光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合，避免在相位光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)兩級(jí)次衍射光引入相位改變。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于包括激光光源 (101)、擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)(102)、可變光闌(104)、二元相位光柵(105)、變焦光學(xué)系統(tǒng) (106)和空間濾波器(107)；激光光源(101)經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(102)后變成平行光，再經(jīng)過(guò)可變光闌(104)對(duì)光束的直徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制垂直入射到二元相位光柵(105) 上的光束直徑大??；光束經(jīng)過(guò)可變光闌(104)調(diào)節(jié)直徑大小后垂直入射到二元相位光柵 (105)上，二元相位光柵(105)后為變焦光學(xué)系統(tǒng)(106)，在變焦光學(xué)系統(tǒng)(106)的后焦面上放置空間濾波器(107)接收環(huán)形光源，通過(guò)調(diào)節(jié)變焦系統(tǒng)(106)的焦距fl的大小分別改變環(huán)形光源的環(huán)厚度和環(huán)半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于 所述二元相位光柵(105)是等間距二元相位光柵，其刻蝕深度滿足2h(n-l) = λ，其中h為相位光柵刻槽深度，η為相位光柵元件的折射率，λ為入射光的波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于 所述二元相位光柵(105)安裝時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸須與光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合；旋轉(zhuǎn)軸的中心位于光柵柵節(jié)的幾何中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于 所述的光源采用激光光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于 所述變焦光學(xué)系統(tǒng)(106)可以是固定變焦和連續(xù)變焦兩種模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于 所述空間濾波器(107)由涂有不透光膜的環(huán)帶玻璃平板構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)，其特征在于 所述空間濾波器(107)位于變焦光學(xué)系統(tǒng)(106)和后面準(zhǔn)直透鏡(108)的共同焦面上。
全文摘要
一種環(huán)半徑和環(huán)厚度可調(diào)的干涉儀環(huán)形光源系統(tǒng)包括激光光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、可變光闌、二元相位光柵、變焦光學(xué)系統(tǒng)和空間濾波器；激光光源經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后變成平行光，再經(jīng)過(guò)可變光闌對(duì)光束的直徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制垂直入射到二元相位光柵上的光束直徑大?。还馐?jīng)過(guò)可變光闌調(diào)節(jié)直徑大小后垂直入射到二元相位光柵上，二元相位光柵后為變焦光學(xué)系統(tǒng)，在變焦光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上放置空間濾波器接收環(huán)形光源，通過(guò)調(diào)節(jié)變焦系統(tǒng)的焦距f1的大小分別改變環(huán)形光源的環(huán)厚度和環(huán)半徑。本發(fā)明可以為高精度干涉儀提供照明，能有效降低干涉儀系統(tǒng)的相干噪聲，提高干涉儀的信噪比和測(cè)量精度。
文檔編號(hào)F21V14/06GK102410500SQ201110211500
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者萬(wàn)勇建, 吳永前, 徐燕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所