CN113624456A - 多波长激光干涉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多波长激光干涉装置，其特征在于，包括：激光产生单元，用于产生多种不同波长的激光光源；光源转换单元，用于将激光光源转换为点光源；分光单元，用于对点光源的进行部分折射形成分光光束，导轨机构，长度方向与分光光束的光路方向一致，准直单元，可移动地设置在导轨机构上并且能够沿导轨机构的长度方向移动，用于使分光光束形成平行光束并射入光学***，从而反射形成参考光束以及测试光束；成像单元，用于对滤波后的参考光束以及测试光束进行干涉成像，其中，准直单元以及成像单元均采用消色差结构，不同波长至少包括一个可见光波长以及一个近红外波长，准直单元被调整为使得可见光波长和近红外波长的激光光源共聚焦。

Description

多波长激光干涉装置

技术领域

本发明属于光学干涉检测领域，涉及激光干涉装置，具体涉及一种多波长激光干涉装置。

背景技术

透射波前是光学***重要的性能评价指标，因此对于透射波前的检测非常重要。而传统的透射波前检测技术只能对特定的波长波前进行检测。最新的多波长波前检测技术利用波前随波长的变化规律，只需要对特定的波长波前进行检测，然后再利用波前与波长的函数关系就能预测出一定波段范围内任意波长波前，间接实现多波长透射波前的检测。

虽然在理论上多波长透射波前检测可以实现，并且也通过了实验验证。但由于没有完善的检测仪器，导致目前多波长透射波前检测技术还停留在实验验证阶段。并且在实验中使用的多波长波前检测装置存在着以下几个方面的问题：

1、测量不同波长的波前时都需要人工更换激光器，并进行重新调整，大大的延长了测量时间，导致测量效率较低；

2、由于准直***是单色***，存在较大的色差，在进行多波长波前测量过程中，焦点随波长而变化，并且准直镜头是不便调节的，导致影响参考光束的准直度，进而影响测量结果；如果在原有的实验基础上调整准直镜头，则会引起较大的光轴偏移误差，也会对测量结果有较大的影响。因此实验仅证明了多波长波前检测方法的可行性，实际测量结果是有较大误差的(主要含有***的色差)。

3、成像镜头同样是单色***，在多波长波前检测过程中，干涉图像的焦面位置会随不同波长而变化，而成像镜头在测量的过程中也不易调整，否则也会引起较大的光轴偏移误差，虽然不调整成像镜头的不会对测量结果有较大的影响，但导致所成像的边缘不清晰，因此经常需要使用掩膜去掉不清晰的边缘，导致测量范围变小。

综上所述，实验装置并不是完整的仪器，仅适用于实验验证，且在测量过程中存在效率较低和误差较大等问题，导致无法在实际中普及和推广多波长波前检测技术。

发明内容

为解决上述问题，提供一种多波长激光干涉装置，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种多波长激光干涉装置，用于检测光学***的透射波前，其特征在于，包括：激光产生单元，用于产生至少四种不同波长的激光光源；光源转换单元，用于将激光光源转换为点光源；分光单元，用于对点光源的进行部分折射形成分光光束，导轨机构，长度方向与分光光束的光路方向一致，准直单元，可移动地设置在导轨机构上并且能够沿导轨机构的长度方向移动，用于使分光光束形成平行光束并射入光学***，从而反射形成参考光束以及测试光束；光阑机构，用于对参考光束以及测试光束进行滤波；成像单元，用于对滤波后的参考光束以及测试光束进行干涉成像，其中，准直单元以及成像单元均采用消色差***，四种不同波长包括至少一种可见光波长以及至少一种近红外波长，消色差***对可见光波长中的一种和近红外波长中的一种进行消色差，所述准直单元被调整为使得被消色差的可见光波长和近红外波长的激光光源共聚焦。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，其中，当激光产生单元调整产生的激光光源的波长时，准直单元在导轨机构上的位置被调整至使得参考光束以及测试光束的焦点位于光阑机构处。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，还包括：控制单元，其中，导轨机构包括用于对准直单元的移动进行控制的准直驱动件，控制单元包括移动信息存储部以及准直控制部，移动信息存储部至少存储有各个波长以及与该波长一一对应的准直单元的位置信息，准直控制部根据与当前波长相对应的位置信息控制准直驱动件将准直单元移动到相应位置。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，还包括：传感器，可移动地设置在导轨组件上，用于接收干涉成像得到干涉条纹图像，其中，当激光产生单元调整产生的激光光源的波长时，传感器在导轨机构上的位置被调整至使得干涉条纹图像的边缘呈清晰状态。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，还包括：控制单元，其中，导轨机构包括用于对传感器的移动进行控制的传感器驱动件，控制单元包括传感器控制部，传感器控制部控制传感器驱动件将所述传感器移动到使得所述干涉条纹图像的边缘成清晰状态的位置。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，其中，消色差***为双胶合结构、三胶合结构、双分离结构、胶合与分离结构、分离与胶合结构、三分离结构中的任意一种。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，其中，被消色差的可见光波长和近红外波长分别为473nm和1064nm。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，其中，激光产生单元包括多个激光器以及与激光器一一对应的多个分光棱镜，分光棱镜用于将激光器出射的光束折转至光源转换单元。

本发明提供的多波长激光干涉装置，还可以具有这样的技术特征，其中，激光产生单元还包括将用于接入其他波长的激光的光源入射位。

发明作用与效果

根据本发明的多波长激光干涉装置，由于激光产生单元可以产生多种不同波长的激光光源，因此在进行透射波前的检测时可以方便地切换不同的波长。还由于在分光单元将转变为点光源的激光光源进行折射后，使其射入采用消色差***的准直单元中，并且该准直单元被调整为使得可见光波长和近红外波长的激光光源共聚焦，因此，多波长激光干涉装置在使用时，不需要调整对应的红外激光，直接调整好与其对应的可见光波长即可，并且，这样的设计可以使得准直单元的镜头随这几个波长进行调整时，镜头移动的距离较短，因此产生光轴偏移误差最小，测量的结果也就越准确。另外，还由于成像镜头同样采用消色差***，这样的结构设计可以有效的减小在更换波长后导致成像位置发生改变所引起的干涉图像边缘模糊。

附图说明

图1是本发明实施例一中多波长激光干涉装置的结构图

图2是本发明实施例一中准直单元与成像单元的结构示意图；

图3是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的结构示意图；

图4是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的色焦移曲线；

图5是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的焦点处点列图；

图6是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的473nm点列图；

图7是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的532nm点列图；

图8是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的632.8nm点列图；

图9是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的721nm点列图；

图10是本发明实施例一中1英寸多波长激光干涉仪的1064nm点列图；

图11是本发明实施例二中多波长激光干涉装置的结构图；

图12是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪的色焦移曲线；

图13是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪的焦点处点列图；

图14是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪473nm点列图；

图15是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪532nm点列图；

图16是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪632.8nm点列图；

图17是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪721nm点列图；

图18是本发明实施例二中2英寸多波长激光干涉仪1064nm点列图；。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的多波长激光干涉装置作具体阐述。

<实施例一>

图1是本发明实施例一中多波长激光干涉装置的结构示意图。

如图1所示，多波长激光干涉装置100包括激光产生单元11、光源转换单元12、分光单元13、导轨机构14、准直单元15、光阑机构16、成像单元17以及传感器18。

激光产生单元11用于产生多种不同波长的激光光源。本实施例中，激光产生单元11一共产生五种波长的激光，依次是473nm、532nm、632.8nm、721nm、1064nm波长的激光(其中，473nm、532nm、632.8nm、721nm为可见光波长，1064nm为近红外波长)。这些波长光源的激光器单频性好，相干长度长，且这几个波长相隔较远。

如图1所示，激光产生单元11包括五个激光器111以及与各激光器111一一对应的五个分光棱镜112。其中，各个激光器111的排列顺序根据激光器111的能量强弱来定，分光棱镜112则用于将相应激光器111出射的光束折转至光源转换单元12。

另外，激光产生单元11还包括一个预留的光源入射位113，用于接入其他波长的激光。

光源转换单元12为点光源生成器，用于使激光器111出射的细光束形成具有一定数值孔径的点光源。

分光单元13为一个薄膜分光镜，用于使点光源发出的光束转折一部分形成分光光束，并射入准直单元15。

导轨机构14至少包括一个平行导轨141，该平行导轨141的长度方向与分光光束的光路方向一致。

准直单元15为准直镜头，用于使分光光源形成平行光束。该准直单元15可移动地设置在平行导轨141上，能够沿平行导轨的长度方向移动。

本实施例中，从准直单元15射出的平行光束会射入到待检测的光学***中，该光学***会根据平行光束反射回相应的参考光束以及测试光束。接下来，该参考光束以及测试光束会依次通过准直单元15、分光单元13、光阑机构16以及成像单元17，最终由传感器18进行接收。

光阑机构16为孔径光阑，用于阻挡杂散光，起到滤波的作用。

成像单元17用于将参考光束与测试光束干涉成像至传感器上产生干涉条纹图像。

另外，上述准直单元15以及成像单元17均采用消色差***，如图2所示，该消色差***包括但不限于双胶合结构、三胶合结构、双分离结构、胶合与分离结构、分离与胶合结构、三分离结构中的任意一种，最多使用3片透镜即可。

本实施例中，准直单元15以及成像单元17均为473nm和1064nm消色差，即使得473nm和1064nm两个波长共聚焦。

传感器18为高分辨率CCD，用于接收干涉成像得到干涉条纹图像，并将该干涉条纹图像传送到计算机中进行计算分析从而得出待检测的光学***对应波长的透射波前。

本实施例中，光阑机构16以及成像单元17固定设置在导轨机构14上，两者在实际使用时不可移动。而准直单元15和传感器18则可移动地设置在导轨机构14的平行导轨141，导轨机构14还包括两个分别与准直单元15和传感器18对应设置的移动调整机构142，用户可以通过该移动调整机构142手动调整准直单元15和传感器18在平行导轨上的位置。

当激光产生单元11产生的激光光源的波长发生变化(即激光产生单元11切换了工作的激光器111)时，仅需调整准直单元15的位置。由于多波长激光干涉装置100事先被设计为使得473nm和1064nm共聚焦，因此，当准直单元15的位置被调整为适应波长为473nm的激光光源时，则波长为1064nm时准直单元15的位置也就相应地调整好了。

当调整为其它波长时，对准直单元15的位置进行调整直到参考光束准直度达到最好的状态(使用剪切干涉仪观测条纹即可)，。成像单元17被设计在固定位置，即在波长变化时只调整准直元15，而不调整成像单元17的情况下仍然能够保证每个波长的成像位置清晰(这种情况是因为本实施例设计小口径干涉***，成像镜的最佳焦点位移量很小，因此选取一个综合的成像位置，每个波长的最佳焦点位置距离这个成像位置都很近，像质仍然能够接受，在衍射极限以内，因此不需要调整CCD)。并且准直单元15和成像单元17采用双远心结构设计，使得每个波长的干涉图的放大倍率在波长改变时的变化非常小。即在多波长测量过程中仅调整准直单元15，各波长的干涉图像清晰且图像大小基本一致。

虽然在测量同一个被测***时，不需要调整传感器18的位置，但测量其它被测***、且物距改变时，仍需调整传感器18的位置(调至干涉图像边缘清晰的位置)。

接下来，本实施例一以多波长激光干涉装置100为1英寸多波长激光干涉仪为例做具体说明，如图3所示，为便于描述，该图中仅示出了准直单元15和成像单元17。

本实施例中，由于将473nm和1064nm消色差，因此准直单元15从473nm到1064nm调整的过程中使用需要移动的距离最短，可以减小在测量时的***的光轴偏移误差。当光源发生更换后，准直单元15总共需要调整0.626mm。各个波长下准直单元15的后截距如下表1所示：

表1 1英寸多波长激光干涉仪的准直单元在5种波长下的后截距

波长(nm)	473	532	632.8	721	1064
						后截距(mm)	146.564	146.169	145.941	145.938	146.564

图4及图5分别为准直单元15的色焦移曲线以及焦点处的点列图，从图中可以看出准直单元15的473nm和1064nm的焦点聚焦在同一位置，因此在测量过程中5个波长对应只需调整4个位置(在473nm调好准直后，对应1064nm也是准直的)。从点列图可以看出所有波长在对应的位置焦点的聚焦都非常好，在对应的位置参考光束准直度非常好。

图6至图10是物距在1000mm时，多波长激光干涉装置100(1英寸多波长激光干涉仪)在波长改变时只调整准直单元15，不调整传感器18(即CCD)的点列图，可以看出在每个波长下，传感器18的成像都非常清晰。并且准直单元15和成像单元17采用了双远心设计，使传感器18在不同波长下边缘视场(像高)仅由1.669mm变为1.7mm(更多是有衍射所引起，波长越大，艾里斑越大)。这样在多波长波前测量过程中，产生的***误差非常小，可以更快速准确的测量多波长波前结果。

<实施例二>

本实施例二中，对于与实施例一相同的结构，采用相同的符号并省略相应的说明。

与实施例一的区别在于，本实施例二的多波长激光干涉装置通过电动驱动件来控制准直单元以及传感器的移动，并且本实施例二中以2英寸多波长激光干涉仪为例做具体说明。

图11是本发明实施例二中多波长激光干涉装置的结构示意图。

如图11所示，如图1所示，多波长激光干涉装置100’包括激光产生单元11、光源转换单元12、分光单元13、导轨机构14’、准直单元15、光阑机构16、成像单元17、传感器18以及控制单元(图中未示出)。

本实施例二中，导轨机构14’包括平行导轨141、准直驱动件143以及传感器驱动件144。

准直驱动件143以及传感器驱动件144均为电动驱动件(如驱动电机)，能够在控制单元的控制下分别驱动准直单元15以及传感器18沿平行导轨141移动。

控制单元包括移动信息存储部、准直控制部以及传感器控制部。

移动信息存储部存储有激光产生单元11能够产生的激光光源的波长以及与各个波长相对应的准直单元15的位置信息。

其中，位置信息为准直单元15在对应波长下需要被调整的位置，本实施例二中该位置信息为准直单元的后截距，如下表2所示：

表2.2英寸多波长激光干涉仪准直***在5种波长下的后截距

波长(nm)	473	532	632.8	721	1064
						后截距(mm)	290.413	289.628	289.174	289.168	290.413

当激光产生单元11调整激光光源的波长时，准直驱动件143根据上述位置信息来控制准直单元15移动至相应位置，同时，传感器驱动件144由人工根据干涉图像清晰度进行控制，即使得传感器18移动至能够使得干涉条纹图像的边缘成清晰状态的位置。

本实施例二中，传感器18与成像单元17之间的距离(不同物距对应的位置不一样，更换物距同样调整CCD即可)如下表3及表4所示：

表3.2英寸多波长激光干涉仪在5种波长下成像物镜与CCD的距离(物距500mm)

波长(nm)	473	532	632.8	721	1064
						后截距(mm)	15.176	15.116	15.082	15.082	15.176

表4.2英寸多波长激光干涉仪在5种波长下成像物镜与CCD的距离(物距200mm)

波长(nm)	473	532	632.8	721	1064
						后截距(mm)	16.424	16.365	16.333	16.332	16.424

图12及图13分别为准直单元15的色焦移曲线以及焦点处的点列图，从图中可以看出准直单元15的473nm和1064nm的焦点聚焦在同一位置，因此在测量过程中5个波长对应只需调整4个位置(在473nm调好准直后，对应1064nm也是准直的)。从点列图可以看出所有波长在对应的位置焦点的聚焦都非常好，在对应的位置参考光束准直度非常好。

图14至图18是物距在500mm时，多波长激光干涉装置100(2英寸多波长激光干涉仪)在波长改变时调整准直单元15，且调整传感器18(即CCD)的点列图，可以看出在每个波长下，传感器18的成像都非常清晰。并且从表2、表3和表4可以看出，准直单元15和成像单元17，在调整过程中，变换波长的过程中，成像单元17的也采用消色差设计，但成像单元17不是单独设计，而是和准直单元15一同设计，在准直单元15对应的调整距离的情况下，成像单元17在473nm和1064nm共同聚焦(如果是单独设计的，是不能改变准直单元15的位置，使473nm和1064nm共同聚焦)，这样设计传感器18在改变波长时所需调整距离最短，同样有助于减小***光轴偏移误差。同样从图14至图18可以看出不仅传感器18的成像都非常清晰，而且干涉图像的最大边缘都为1.7mm，这样保证在每个波长下测量相同口径的波前，以上几个因素都能减小***误差，提高多波长波前测量精度。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的多波长激光干涉装置，由于激光产生单元可以产生多种不同波长的激光光源，因此在进行透射波前的检测时可以方便地切换不同的波长，大大提高了多波长波前及其它多波长参数检测的效率。还由于在分光单元将转变为点光源的激光光源进行折射后，使其射入采用消色差***的准直单元中，并且该准直单元被调整为使得可见光波长和近红外波长的激光光源共聚焦，因此，多波长激光干涉装置在使用时，不需要调整对应的红外激光，直接调整好与其对应的可见光波长即可，并且，这样的设计可以使得准直单元的镜头随这几个波长进行调整时，镜头移动的距离较短，因此产生***光轴偏移误差最小，测量的结果也就越准确(其原因是，即使调整得再好，在移动时因为镜头的加工和装调误差不可能保证准直物镜在延Z轴移动，导致会有极小的误差(偏心误差)，相当于测量***发生了变化，即测量不同波长波前的干涉***发生了改变，而尽可能小的位移会减少这种误差的产生)。另外，还由于成像镜头同样采用消色差***，这样的结构设计可以有效的减小在更换波长后导致成像位置发生改变所引起的干涉图像边缘模糊。

在实施例中，还由于针对多波长干涉仪中最短和最长的两个波长进行消色差，即473nm和1064nm消色差，因此，当激光光源从473nm到1064nm这个范围变化时，准直单元的焦点位移距离范围是最小的，即，准直单元所需调整的位移距离也最小，进一步地减小了测量时***误差。

另外，成像***消色差也是473nm和1064nm消色差，即这两个波长共同聚焦。主要原因与准直***相似，一是与准直***对应，二是如果需要调整CCD，也可以使CCD的调整量最小，减小***误差。

在实施例中，还由于激光产生单元中设有用于接入其他波长的激光的光源入射位，因此可以方便地加装其他波长激光器。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

例如，在上述实施例中，对473nm和1064nm的波长进行了消色差。在本发明的其他方案中，也可使用4个可见光波长中任意一个波长与1064nm消色差，这样虽然会导致准直单元从473nm到1064nm调整的过程中使用需要移动的距离增加，但仍然能够保证效果。

Claims (9)

1.一种多波长激光干涉装置，用于检测光学***的透射波前，其特征在于，包括：

激光产生单元，用于产生至少四种不同波长的激光光源；

光源转换单元，用于将所述激光光源转换为点光源；

分光单元，用于对所述点光源的进行部分折射形成分光光束，

导轨机构，长度方向与所述分光光束的光路方向一致，

准直单元，可移动地设置在所述导轨机构上并且能够沿所述导轨机构的长度方向移动，用于使所述分光光束形成平行光束并射入所述光学***，从而反射形成参考光束以及测试光束；

光阑机构，用于对所述参考光束以及所述测试光束进行滤波；

成像单元，用于对滤波后的所述参考光束以及所述测试光束进行干涉成像，

其中，所述准直单元以及所述成像单元均采用消色差***，

所述四种不同波长包括至少一种可见光波长以及至少一种近红外波长，

所述消色差***对所述可见光波长中的一种和所述近红外波长中的一种进行消色差，

所述准直单元被调整为使得被消色差的所述可见光波长和所述近红外波长的所述激光光源共聚焦。

2.根据权利要求1所述的多波长激光干涉装置，其特征在于：

其中，当所述激光产生单元调整产生的所述激光光源的波长时，所述准直单元在所述导轨机构上的位置被调整至使得所述参考光束以及所述测试光束的焦点位于所述光阑机构处。

3.根据权利要求2所述的多波长激光干涉装置，其特征在于，还包括：

控制单元，

其中，所述导轨机构包括用于对所述准直单元的移动进行控制的准直驱动件，

所述控制单元包括移动信息存储部以及准直控制部，

所述移动信息存储部至少存储有各个所述波长以及与该波长一一对应的所述准直单元的位置信息，

所述准直控制部根据与当前波长相对应的所述位置信息控制所述准直驱动件将所述准直单元移动到相应位置。

4.根据权利要求2所述的多波长激光干涉装置，其特征在于，还包括：

传感器，可移动地设置在所述导轨组件上，用于接收所述干涉成像得到干涉条纹图像，

其中，当所述激光产生单元调整产生的所述激光光源的波长时，所述传感器在所述导轨机构上的位置被调整至使得所述干涉条纹图像的边缘呈清晰状态。

5.根据权利要求4所述的多波长激光干涉装置，其特征在于，还包括：

控制单元，

其中，所述导轨机构包括用于对所述传感器的移动进行控制的传感器驱动件，

所述控制单元包括移动信息存储部以及传感器控制部，

所述传感器控制部控制所述传感器驱动件将所述传感器移动到使得所述干涉条纹图像的边缘成清晰状态的位置。

6.根据权利要求1所述的多波长激光干涉装置，其特征在于：

其中，所述消色差***为双胶合结构、三胶合结构、双分离结构、胶合与分离结构、分离与胶合结构、三分离结构中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的多波长激光干涉装置，其特征在于：

其中，被消色差的所述可见光波长和所述近红外波长分别为473nm和1064nm。

8.根据权利要求1所述的多波长激光干涉装置，其特征在于：

其中，所述激光产生单元包括多个激光器以及与所述激光器一一对应的多个分光棱镜，

所述分光棱镜用于将所述激光器出射的光束折转至所述光源转换单元。

9.根据权利要求8所述的多波长激光干涉装置，其特征在于：

其中，所述激光产生单元还包括将用于接入其他波长的激光的光源入射位。

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