Способ измерения аберраций волнового фронта излучения

)5 0 01 ) 9/02 АРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОМСТВО СССРАТЕНТ СССР) ГОС ВЕД (ГОС(57) ла интернийченизго фер ом регистрируемне ФК) прямверхности коволновой абеЙедостаткВф вляется тряде важней ои интерфер о отображае нтролируем ррации.ом такого сп о, что его не ших случаев,енционной картит топографию поого Вф, т,е, его соба измерения зя применить в именно: когда ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 833375/250,05,907.02,93, Бюл, В 5осударственйый оптический институт/Под ред, Д,Малакарн. М.; Машиноние, 1985; с, 23-29, 42-63.вторское свидетельство СССР44473, кл. 6 01 В 9/02, 1983.СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АБЕРРАЦИЙНОВОГО ФРОЙТА ИЗЛУЧЕНИЯспользовэйие в прикладной оптикеонтроле искажений волнового фронтаного излучения и точности йзготовлезобретение относится к технической ке, преимущественно к оптике. Оно моыть использовано при решении задачиферометрического контроля искажеолнового фронта (ВФ) лазерного излуя, а также для контроля точности овления оптических деталей. аиболее эффективный способ интер- метрического контроля Вф основан на чении интерференции измеряемогокогерентным ему эталонным ВФ, Тапособ реализуется, например, в интеретрах Физо и Тваймана-Грина, Приформа интерференционных полос на ния оптических деталей. Сущность; получают сдвиговую интерференционную картину измеряемого -волнового фронта наложением в плоскости регистрации 2-х его изображений, отличающихся взаимным увеличением в одном направлении иразвернутых на угол,отличный от Ыг, где и - 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,использование когерейтного измеряемому излучения с эталонным Вф практически исключено, либо получение которого связано с большими техйическими трудностями, Такая ситуация, в частности, имеет место при контроле Вф собственного лазерного излучения, когда источник когерентного емуэталонного лазерного излучения попросту отсутствует. В таких случаях для измерения Вф используют так называемые методы сдвигОвой интерферометрии, в которых используется интерференция измеряемого В Ф 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 измеряемогоВФ, отличающихся лишь взаимным увеличением размеров их апертур В одном заданном направлении в плоскости регистрациии не имеющих взаимного сдвига в ортогональном направлении.Способ позволяет с высокой точностьюизмерять форму и ориентацию профилей Вфв его сечениях, параллельных заданному направлению относительно увеличения интерферирующих фронтов. Это в совокупности спростотой реализации способа остигаемой прииспользовании в интерференционной схеме диспергирующих оптических элементов), безусловно, является достоинством способа.Целью предлагаемого изобретения является повышеййе информэтивйости изме: рений,Поставленная цель достигается тем; чтов способе измерения аберраций волновогофронта излучения, в котором формируютсдвиговую ИФК положением 2-х изображений измеряемого ВФ, отличающихся взаимным увеличением размеров в плоскостирегистрации интерферограммы в одном направлении, и производят расшифровкуИФК, интерферирующие волновые фронтыв нем взаимно разворачивают в плоскостирегистрации на угой, отличный от пл, где и- целые числа, а наложение волновых фронтов осуществляется при совмещении одной изпар соответственных точек в пределах ИФК,На фиг, 1 показан пример формирования по предложенному способу интерферограммы ВФ с прямоугольной апертуройпри относительном увеличении интерфери рующйх фронтов а х = 2 и угле взаимного ихразворота у= 90, гдевнешний контур мейьшего интерферирующего ВФ 1,внешний контур большего интерферирующего Вф, увеличенного по сравнению сВФ 1 в ех =. 2 раз в направлений и развернутого на угол у,внешний контур большего ВФ до егоразворота на угол у 3;оси ортогональной системы координат,принадлежащей Вф 1 ОХ, ОУ;оси координат, принадлежащие ВФ 2 исоответственные осям ОХ и ОУ ВФ 1 ОХ. ОУ;точка интерферограммы, где единственная дара соответственных точек волновых фронтов 1 и 2 совмещена и для удобствавыбрана в качестве начала системы координата ХУ и ХУ О;точки, принадлежащие соответственноволновым фронтам 2 и 3 и соответственныеточка А волнового фронта 1 А 0, Ао,часть группы точек интерферрограммы, поочередно соответственных точек А (пунк тирные контуры в пределах интерферограммы обозначают границы поочередно соответственных ей зон интерферирующих Волновых фронтОВ) А 2, Аз,5На фиг, 2 изображен вариант интерференционной схемы, формирующей ИФК по предложенному способу, гдейзмеряемый пучок излучения 1;дифракционная решетка 2;"0 дифрагированные решеткой 2 пучки излучения, используемые для получения индругого лишь масштабом относительного увеличения вх Ф 1 в одном заданном направлении х в плоскости регистрации.Указанные фронты взаимно наложены для интерференции с относительным разворотом в плоскости регистрации нэ угол у Ф и 30 ж, где и = 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 пэр соответственных точек обоих интерферирующих фронтов в пределах ИФК, На фиг. 1 этой "0 точкой является точка 0 начала ортогональных и соответственных систем координат ХУ и Х У принадлежащих соответственноменьшему 1 и большему 2 интерферирующим фронтам. (Соответственными точками 45 интерферирующих фронтов в сдвиговой интерферометрии принято называть точки, соответствующие одной и той же точке измеряемого Вф. Например. точка А, волнового фронта 2 является соответственной 50 точке А 0 волнового фронта 1),Полученная таким образом сдвиговаяИФК позволяет при ее расшифровке найти значение фазы в любой точке Вф, т.е. полностью определить форму Вф, э 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 терференции 3,4;плоские зеркала, осуществляющие разворот пучка излучения вокруг его оси нэ 15 заданный угол 5,6;плоское зеркало 7;светоделитель (границы сечений пучковизлучения условно показаны пунктирным линиями, а область интерференции заштри хована) 8.Для измерения аберраций Вф предложенным способом в плоскости регистрации формируют сдвиговую Иф К наложением 2-х волновых фронтов 1 и 2, являющихся изо бражениями измеряемого ВФ, Оба интерферирующих Вф 1 и 2 отличаются один от1793273 оннои фероме ма сле обязарии, ует, что лновая 4 жений я функа из иск являетс нной по всей плопоследующая - найденной на уча ряда которых пбрными линиями в твенной предыдусти фаэ, найд К, а каждая аэности фаэ, ИФК (границь фиг, 1 пункти ФК), соответс ц 1 еи разнои 1 ади иФфункциейске (зоне)казаны напределах И 55 Фо бре аберраций волново котором формирую Способ измеренго фронта излучения интерференционных картин. Однако изветные алгоритмы расшифровки сдвиговых 4 ФК сложны, поскольку основным этапом в них является разложение функции дополнительной разности фаз интерферирующихВф в ряд простейших функций, что является трудоемкой операцией, требующей применения вычислительной техники, Известен акже простой алгоритм расшифровки сдвиовых ИФК, изложенный в способе-прототипе, однако в том виде, в котором последний изложен, он не пригоден для расшифровки интерферограмм предложенного типа.На основе указанного алгоритма автоом разработан простой метод расшифровки ЙФК предложенного типа, справедливость оторого была проверена им как теоретйчеки, так и экспериментально,Алгоритм формулируется следующим образом; величина волновой аберрации Й/(А) в заданной точке А измеряемого Вф 1 авна сумме измеренных по ИФК значений ополнительных разностей фаз(А) интерерирующих фронтов в последовательноти точек Аь первая из которых Ао оответствует расположению на ИФК за. анной точки А измеряемого ВФ, а каждая оследующая точка интерферограммы явяется соответственной предыдущей точке, считая предыдущую точку принадлежащей большему интерферирующему Вф, а послеующую - меньшему, То есть для нахождеия фазы ВФ в любой точке не требуется выполнение сложных математических преЙразований, а лишь выполнение операций фммированйя, что позволяет существенно .укорить процесс расшифровки ИФК, в част ости при использовании алгоритма и выслительной технике. Само же определениеополнительной разности фаз в заданнойчи ке ИФК является традициьной процедурой в интерИз изложенного алгориткажения функции фазы ВФберация) складываетсянкций, первая из которых щей зоне, а затем увеличенных и развернутых до совпадения с размером аггертуры измеряемого ВФ, Поскольку размеры таких поочередно соответственных зон с ростом 5 их номера 1 сокращаются вокруг центра 0относительного разворота интерферирующих фронтов 1 и 2, то и относительные искажения функции разности фаз р с ростом ее номера убывают, Поэтому, начиная с неко торого = К, вкладом искажений остаточныхчленов ряда можно пренебречь, тем самым разумно ограничить число суммируемых членов, чем еще более упростить расшифровку интерферограммы.15 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 20 увеличением номера точки) к указаннойединственной точке (центру) Иф К, А значит, фаза В ф всегда определяется относительно .указанной центральной точки Вф, т.е, определяется и вся поверхность Вф. Несоблю дение укаэанного 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.30 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 35 обоих способах практически одинакова. Однако при использовании предложенного способа следует помнить, что чувствительность способа к неосесимметричным аберрациям (например, к астигматизму) зависит 40 от угла у(максимальна при у=.7 г/2+ и лиуменьшается с приближением у К пк ),Необходимо отметить также, что предложенный способ допускает использование в качестве интерферирующих фронтов как 5 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 - двугран- О ный уголковый отражатель, отраженный откоторого пучок, как известно, кроме разворота приобретает и зеркальную симметрию сдвиговую интерференционную картину наложением двух изображений волнового фронта, линейные размеры. которых по одной координате различны, и производятрасшифровку интерференционной картины, относительно другого изображения на угол, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью отличный от п й, где п - целые числа, а повышения информативностй измерений, наложение волновых фронтов осуществляодно интерферирующее изображение вол-ют при совмещении одной из пар их соотнового фронта разворачивают в плоскости 5 ветственныхточек.регистрации интерференционной картины1793273Составитель Г,Воробьева Редактор Техред М.Моргентал Корректор ЛЛукач аказ 497 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по йэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5водственно-издательский комбинат "Патент"; г. Ужгород, ул.Гагарина, 101