RU1793274C - Wave front local inclination detector - Google Patents

Abstract

Использование: дл  создани  эффективных устройств измерени  профил  волнового фронта световых пучков в реальном масштабе времени. Сущность изобретени : используетс  датчик волнового фронта на основе двухчастотной дифракционной решетки с последующим выделением ШгШР лов на двух основных частотах. При этом измерение локальных наклонов осуществл етс  одновременно по грубой и точной шкалам. 2 ил.Usage: to create effective devices for measuring the profile of the wavefront of light beams in real time. SUMMARY OF THE INVENTION: A wavefront sensor based on a two-frequency diffraction grating is used, followed by the separation of WGM fishing at two fundamental frequencies. In this case, the measurement of local slopes is carried out simultaneously on a coarse and accurate scale. 2 ill.

Description

физphysical

Лзобретение относитс  к технической ке и может быть использовано дл -с оздаь и  эффективных устройств измерени  прос ил  волнового фронта световых пучков в ре альном масштабе времени.The invention relates to the technical field and can be used for real-time and effective devices for measuring the wavefront of light beams of light beams.

Дл  измерени  переменного вр врёме- ни пэофил  волнового фронта (ВФ) используютс  датчики волнового фронта (ДВФ), основанные на измерении локальных наклонов пазового профил  световой волны. Такие датчики могут работать с некогерентным светом и в отличие от двух- и многолучевых ин- терфЬрометров не требуют опорного пучка.To measure the variable time of the wavefront peophile (WF), wavefront sensors (TWF) based on measuring the local slopes of the groove profile of the light wave are used. Such sensors can work with incoherent light and, unlike double and multipath interferometers, do not require a reference beam.

Известна конструкци  датчика Гартма- на, в которой измерение локальных наклонов ВФ производитс  с помощью линзового растра и устанавливаемых в его фокальной плоскости квадрантных (четырехсекторных) фотоприёмников 1J.A known Hartmann sensor design, in which the local inclination of the WF is measured using a lens raster and quadrant (four-sector) photodetectors 1J mounted in its focal plane.

Недостатком метода Гартмана  вл етс  чувствительность к неоднородности рас- прёд лени   ркости исследуемого светового пучка, что ухудшает точность измерени  профил  ВФ. - IA drawback of the Hartmann method is its sensitivity to inhomogeneity of the dilatation of the brightness of the studied light beam, which impairs the accuracy of measuring the WF profile. - I

Прототипом за вл емого устройства  вл етс  гетеродинный интерферометр поперечного сдвига на основе вращающейс  дифракционной решетки Ронки. Исследуемый световой пучок направл етс  на линзу (ЛО, в фокальной плоскости которой расположена вращающа с  дифракционна  решетка (Р). Изображение фокального п тна на решетке переноситс  линзой (Л2) в плоскость изображени , в которой расположен многоэлёментный фотолр иёмнйк (ФП) 2.A prototype of the claimed device is a transverse shear heterodyne interferometer based on a Ronchi rotating diffraction grating. The light beam under investigation is directed to the lens (LO, in the focal plane of which a rotating diffraction grating (P) is located. The image of the focal spot on the grating is transferred by the lens (L2) to the image plane in which the multi-element photo-emitter (FP) 2 is located).

Интенсивность света в плоскости изображени  модулируетс  частотой перекрыти  штрихами фокального п тна. При наклоне ВФ входного пучка происходит смещение фокального п тна и его перекрытие штрихом вращающейс  решетки происходит раньше или позже в зависимости от знака наклона ВФ, поэтому фазы выходных сигналов резонансных усилителей (РУ) завис т от локальных наклонов ВФ в соответствующих зонах входной апертуры датчика.The light intensity in the image plane is modulated by the frequency of overlapping focal spot strokes. When the WF of the input beam is tilted, the focal spot shifts and its overlapping by the stroke of the rotating grating occurs earlier or later depending on the sign of the WF slope; therefore, the phases of the output signals of resonant amplifiers (RUs) depend on the local slopes of the WF in the corresponding zones of the sensor input aperture.

Фазовые детекторы ФД измер ют фазы выходных сигналов РУ относительно фазыPD phase detectors measure the phases of the RU output signals relative to the phase

елate

СWITH

XJ О GJ Ю XI ЈьXJ Oh GJ Yu XI Јь

опорного сигнала, который формируетс  с помощью той же решетки, опорного источника света (ОИ) и фотоприемника опорного сигнала (ОФП). Дл  правильной работы устройства необходимо, чтобы в пространственном спектре функции пропускани  решетки отсутствовали четные гармоники основной пространственной частоты. Этому условию удовлетвор ет решетка Ронки, скважность штрихов которой равн етс  1/2.a reference signal, which is generated using the same array, a reference light source (OI), and a photodetector of a reference signal (RP). For proper operation of the device, it is necessary that the even spectrum harmonics of the fundamental spatial frequency are absent in the spatial spectrum of the transmission function of the array. This condition is satisfied by the Ronchi lattice, the stroke ratio of which is 1/2.

Недостатком прототипа  вл етс  малый диапазон измерени  локальных наклонов, величина А которого равна отношению периода решетки к фокусному рассто нию линзы Лц А d/L, так как смещение фокального п тна в плоскости решетки более чем на d вызывает скачкообразное изменение фазы выходного сигнала фотоприемника на 2 Абсол ютна  точность измерени  локальных наклонов также пропорциональна величине d и составл ет некоторую завис щую от уровн  шумов фотоприемника долю диапазона А. При посто нном уровне шумов повышение точности измерений возможно лишь при использовании решетки с меньшим периодом, что приводит к уменьшению дйапазбна. V-, -- V ... ., : : :: , . - .The disadvantage of the prototype is the small measuring range of local tilts, the value of A which is equal to the ratio of the lattice period to the focal length of the lens, Лc A d / L, since a shift of the focal spot in the plane of the lattice by more than d causes an abrupt change in the phase of the photodetector output signal by 2 The absolute accuracy of the measurement of local slopes is also proportional to the value of d and amounts to a fraction of the range A depending on the noise level of the photodetector. At a constant noise level, an increase in the measurement accuracy is possible It is possible only when using a lattice with a shorter period, which leads to a decrease in the range. V-, - V ....,:: ::,. -.

Целью изобретени   вл етс  расшире- Hnie диапазона измер емых локальных наклонов волнового фронта при одновременном сохранении точности измерений.The aim of the invention is to expand the range of the measured local wavefront tilts while maintaining the accuracy of the measurements.

С этой целью в датчике локальных наклонов волнового фронта содержащим две сбосные линзы, установленную в их общей фокальной плоскости дифракционную решетку с периодом d и скважностью 1/2, матрицу фотоприемников, установленную в задней фокальной плоскости второй линзы, резонансные усилители, фазовые детекторы , опорный источник света и фотоприемник опорного сигнала, использована двухчастотна  дифракционна  решетка с периодом D N d, где N 1 - целое число, причём одна половина периода решетки промодулирована со скважностью q, а втора  половина периода - со скважностью (1-q), где q 1/2, при этом каждый фотоприемник св зан с дополнительным резонансным усилителем и фазовым детектором, измер ющим фазу низкочастотной компоненты сигнала фотоприемника, соответствующей периоду D решетки.To this end, in the sensor of local tilt of the wavefront containing two collateral lenses, a diffraction grating with a period d and a duty cycle of 1/2, a photodetector array installed in the rear focal plane of the second lens, resonant amplifiers, phase detectors, and a reference source are installed in their common focal plane light and a photodetector of the reference signal, a two-frequency diffraction grating with a period of DN d is used, where N 1 is an integer, and one half of the grating period is modulated with a duty cycle q, and the second half period and - with a duty ratio (1-q), where q 1/2, wherein each photodetector is associated with an additional resonant amplifier and the phase detector, phase yuschim measured low-frequency component of the photodetector signal corresponding to the period D of the lattice.

На фиг. 1 представлена зависимость профил  пропускани  двухчастотной дифракционной решетки.In FIG. Figure 1 shows the transmission profile of a two-frequency diffraction grating.

На фиг. 2 приведена схема датчика локальных наклонов волнового фронта на основе двухчастотной дифракционной решетки. .In FIG. Figure 2 shows a diagram of a sensor for local slopes of the wavefront based on a two-frequency diffraction grating. .

Сущность предлагаемого устройства заключаетс  в следующем.The essence of the proposed device is as follows.

Информаци  об измер емых локальныхInformation about measured local

наклонах в датчике с двухчастотной решеткой содержитс  в фазах гармонических компонент выходного сигнала каждого фотоприемника. Измерени  фазы высокоча- .стотной компоненты, частота которой соответствует короткому периоду d, позвол ет, так же как и в схеме прототипа, определитьtilts in the dual-frequency array sensor are contained in the phases of the harmonic components of the output signal of each photodetector. Measurement of the phase of the high-frequency component, the frequency of which corresponds to a short period d, allows, as in the prototype circuit, to determine

локальный наклон В Ф с высокой точностью (пропорциональной величине d) в узком диапазоне его изменени : d/L.local slope B высокой with high accuracy (proportional to d) in a narrow range of its variation: d / L.

Дополнительный резонансный усилитель выдел ет из выходного сигнала фотоприемника низкочастотную компоненту сAn additional resonant amplifier extracts from the output signal of the photodetector a low-frequency component with

частотой, соответствующей длинному периоду D модул ции решетки. Измерени  фазы этой низкочастотной компоненты с помощью дополнительного фазового детектора позвол ют определить локальный наклон ВФ в более широком (в N раз) диапазоне его изменени : D/L Nd/L. При этом относительно низка  точность измерений в низкочастотном канале компенсируетс  высокой точностью измерений более высокочастотного канала,frequency corresponding to the long period D of modulation of the grating. Measurements of the phase of this low-frequency component using an additional phase detector make it possible to determine the local slope of the WF in a wider (N times) range of its variation: D / L Nd / L. Moreover, the relatively low accuracy of measurements in the low-frequency channel is compensated by the high accuracy of measurements of the higher-frequency channel,

Дл  предотвращени  взаимного вли ни  грубого и точного каналов за счет комбинационных частот необходимо, чтобыTo prevent the mutual influence of coarse and fine channels due to combination frequencies, it is necessary that

в спектре выходного сигнала фотоприемника отсутствовали четные гармоники высокочастотной компоненты. Дл  этого необходимо, чтобы в пространственном спектре функции пропускани  решетки отсутствовали четные гармоники пространственной частоты 1/d. Решетка с профилем, изображенным на фиг. 1, удовлетвор ет этому требованию, так как средн   за период D скважность штрихов решетки составл етin the spectrum of the output signal of the photodetector there were no even harmonics of the high-frequency component. For this, it is necessary that in the spatial spectrum of the transmission function of the grating there are no even harmonics of the spatial frequency 1 / d. The grill with the profile shown in FIG. 1 satisfies this requirement, since the average over the period D the duty cycle of the grating strokes is

(q+(1-q))/2 - 1/2 при любых значени х q. Величина скважности q вли ет лишь на соотношение амплитуд информационных компонент .(q + (1-q)) / 2 - 1/2 for any q. The magnitude of the duty cycle q affects only the ratio of the amplitudes of the information components.

По сравнению с прототипом и другими известными датчиками предлагаемое устройство позвол ет одновременно увеличивать и точность, и диапазон измерени  локальных наклонов волнового фронта световых пучков.Compared with the prototype and other known sensors, the proposed device can simultaneously increase both the accuracy and the measurement range of the local slopes of the wavefront of the light beams.

t о р м у л а и з о б р е т е н и   Датчик локальных наклонов волнового фронта, содержащий опорный источник света, две соосные линзы, установленную в их общей фокальной плоскости дифракционную решетку, фотоприемники, установленные в задней фокальной плоскости второй линзы, соединенные с первыми резонансными усилител ми, которые соединены с фазовыми детекторами, а фазовые через вторые резонансные усилите ти соединены с фотоприемнйком опорного сигнала, оптически св занным через дифракционную решётку с опорным источником света, о т л и чаю щи и с   тем, что. с цепью расширени  диапазона измер емых локальных наклонов, в него введены первые дополнительные резонансные усилители , входы которых соединены фотоприемниками , а выходы - с дополнительнымиt r a m u l u s ture a Local wavefront tilt sensor containing a reference light source, two coaxial lenses, a diffraction grating installed in their common focal plane, photodetectors installed in the rear focal plane of the second lens connected to the first resonant amplifiers, which are connected to phase detectors, and phase through the second resonant amplifiers are connected to a photodetector of the reference signal, optically coupled through a diffraction grating with a reference light source, cabbage soup and with that. with an extension circuit for the range of measured local slopes, the first additional resonant amplifiers are introduced into it, the inputs of which are connected by photodetectors, and the outputs are with additional

фазовыми детекторами, которые соединены с вторыми дополнительными резонансными усилител ми, соединенными с фотоприемником опорного сигнала, а дифракционна  решетка выполнена двухчастотной с перио0 дом D N- d, где N 1 - целое число, a d - период, соответствующий фазе высокочастотной компоненты, причем одна половина периода решетки выполнена со скважностью q дл  высокочастотной компоненты, аphase detectors, which are connected to second additional resonant amplifiers connected to the photodetector of the reference signal, and the diffraction grating is made of a two-frequency one with period D N-d, where N 1 is an integer, ad is the period corresponding to the phase of the high-frequency component, and one half the grating period is made with a duty cycle q for the high-frequency component, and

5 втора  половина периода - соответственно со скважностью 1-q, где q 1/2.5 second half of the period - respectively, with a duty cycle of 1-q, where q 1/2.

JlJl

ЧH

,-.н:.1, -. n: .1