способ голографического контроля волнового фронта

Формула изобретения

СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА, включающий запись безлинзовой голограммы Фурье путем экспонирования на светочувствительной среде оптически совмещенных опорной волны и предметной волны, сформированной при освещении размещенного параллельно светочувствительной среде диффузного рассеивателя волной с контролируемым волновым фронтом, введение фазовых изменений в регистрируемые на светочувствительной среде волны, повторное экспонирование светочувствительной среды, восстановление голограмм когерентной волной и регистрацию интерферограммы бокового сдвига, по которой судят о качестве волнового фронта, отличающийся тем, что фазовые изменения в регистрируемые на светочувствительной среде волны вводят путем совмещения объективных спекл-полей двух экспозиций при смещении светочувствительной среды в ее плоскости на величину a и изменения угла наклона контролируемого волнового фронта в плоскости матового экрана на величину =arcsin a/l, гле l - расстояние между матовым экраном и светочувствительной средой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к голографической измерительной технике, предназначено для контроля оптических систем и может найти применение в оптическом приборостроении.

Известен способ контроля волнового фронта квазисферической формы [1] по которому излучение с контролируемым волновым фронтом направляют к центру его кривизны, совмещенному с интерферометром Майкельсона. При повороте одного из его зеркал относительно поперечной оси, проходящей через центр кривизны, образуется интерферограмма бокового сдвига, по которой судят о качестве сходящейся квазисферической волны, сформированной оптической системой.

Недостаток способа состоит в том, что реальная интерферограмма представляет собой дифференциальное топографирование контролируемого волнового фронта совместно с погрешностями самого интерферометра. Из-за этого к качеству оптических деталей предъявляют жесткие требования или проводят специальную интерпретацию интерферограмм. Кроме того, дополнительные погрешности при качественных оценках возникают из-за несовмещения регистрируемой интерферограммы со зрачком оптической системы.

Ближайшим по технической сущности к заявляемому способу является способ голографического контроля волнового фронта квазисферической формы [2] по которому при записи безлинзовой голограммы Фурье экспонируют светочувствительную среду оптически совмещенными на ней опорной волны и предметной волны, сформированной при освещении размещенного параллельно светочувствительной среде диффузного рассеивателя волной с контролируемым волновым фронтом, смещают диффузный рассеиватель в его плоскости и изменяют угол наклона опорной волны, повторно экспонируют светочувствительную среду, восстанавливают голограмму и регистрируют интерферограмму бокового сдвига при проведении пространственной фильтрации в плоскости голограммы.

Недостаток способа низкая чувствительность контроля. Это объясняется тем, что в плоскости голограммы локализуется интерференциальная картина, обусловленная фазовыми искажениями опорной волны. С увеличением величины сдвига для повышения чувствительности увеличивается в ней частота интерференционных полос, что приводит к необходимости уменьшения диаметра фильтрующей диафрагмы в плоскости голограммы. Это в свою очередь снижает контрастность фильтруемой интерферограммы контроля волнового фронта вплоть до ее исчезновения.

Техническая задача увеличение чувствительности контроля волнового фронта.

Техническая задача решается тем, что при записи безлинзовой голограммы Фурье экспонируют на светочувствительной среде оптически совмещенные опорную волну и предметную волну, сформированной при освещении размещенного параллельного светочувствительной среде диффузного рассеивателя волной с контролируемым волновым фронтом, вводят фазовые изменения в регистрируемые на светочувствительной среде волны, повторно экспонируют светочувствительную среду, восстанавливают голограмму когерентной волной и регистрируют интерферограмму бокового сдвига, по которой судят о качестве волнового фронта.

В отличие от известного способа фазовые изменения в регистрируемые на светочувствительной среде волны осуществляют путем совмещения объективных спекл-полей двух экспозиций при смещении светочувствительной среды и ее плоскости на величину а и изменения угла наклона контролируемого волнового фронта в плоскости матового экрана на величину arcsin a/l, где l расстояние между матовым экраном и светочувствительной средой.

В настоящем способе возможность повышения чувствительности контроля обеспечивается созданием условий получения интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины на основе совмещения объективных спекл-полей двух экспозиций, при которых отсутствует пространственное изменение опорной волны. Это обстоятельство позволяет провести пространственную фильтрацию излучения в канале формирования опорной волны с целью получения ее безаберрационной, что в свою очередь приводит к исключению необходимости в проведении пространственной фильтрации в плоскости голограммы.

Распределение комплексной амплитуды предметного поля, соответствующей первой экспозиции, в плоскости (х₂,y₂) светочувствительной среды имеет вид

U₁(x₂, y₂) exр[ik(x₂² + y₂²)/2l]F[kx₂/l, ky₂/l] (1) где k волновое число; l расстояние между диффузным рассеивателем, находящемся в плоскости (х₂, y₁), и светочувствительной средой



где t(x₁, y₁) комплексная амплитуда прозрачности диффузного рассеивателя, являющаяся случайной функцией координат; (x₁,y₁) фазовые искажения контролируемого волнового фронта.

Для опорной волны U₁₀expik[(x₂+ +x₀)³+y₂²]/2l} где х₀ координата центра источника опорной волны.

Распределение комплексной амплитуды предметного поля, соответствующего второй экспозиции, в плоскости (х₂,y₂) определяется выражением



(2) где а величина смещения светочувствительной среды в направлении оси х; угол наклона в плоскости (x,z) контролируемого волнового фронта; b величина сдвига, обусловленная наклоном, которое при Sin a/l приводится к виду

U₂(x₂,y₂) ~ exp{ik[(x₂+a)²+y²₂]/2l}F[kx₂/l, ky₂/l] Ф(x₂,y₂)}

(3) где



Фурье-образ соответствующей функции; символ операции свертки.

Для опорной волны U₀₂(x₂,y₂) expik[(x₂ + x₀+a)²+y₂²]/2l}

При восстановлении таким образом записанной двухэкспозиционной голограммы копией опорной волны распределение дифракционного поля в ее плоскости определяется выражением



(4)

Как следует из выражения (4), в плоскости голограммы совмещены объективные спекл-поля двух экспозиций. При этом информация о фазовых искажениях контролируемого волнового фронта сосредоточена в пределах амплитудно-фазового распределения каждого индивидуального объективного спекла. В результате построения изображения матового экрана в плоскости (х₃,y₃) с помощью оптической системы с диаметром зрачка, превышающим размеры голограммы, в ней наблюдается распределение освещенности:



(5) где коэффициент масштабного преобразования;

P(x₃,y₃) P(x₂,y₂)exp[-ik(x₂x₃+y₂y₃)/l]dx₂dy₂

P(x_2,y₂)- функция, характеризующая апертуру голограммы. Из выражения (5) следует, что в плоскости (x₃,y₃) наблюдается интерференционная картина бокового сдвига в полостях бесконечной ширины, характеризующая фазовые искажения контролируемого волнового фронта.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство включает блок 1 формирования и наклона контролируемого волнового фронта, матовое стекло 2, блок 3 формирования опорной волны, включающий линзу и непрозрачный экран с точечным отверстием в ее фокусе, фотопластинку-голограмму с механизмом 5 ее смещения, линзу 6, регистратор 7 интерферограммы.

Способ реализуется следующим образом. Излучением с контролируемым волновым фронтом, сформированным в блоке 1, освещается матовое стекло 2, в плоскости которого радиус кривизны волнового фронта равен расстоянию l от матового стекла 2 до плоскости фотопластинки 4. С помощью сформированной в блоке 3 безаберрационной расходящейся сферической опорной волны радиуса кривизны l в плоскости фотопластинки 4 проводится запись безлинзовой голограммы Фурье матового стекла 2 за время первой экспозиции. Перед записью второй экспозиции смещают фотопластинку 4 в ее плоскости с помощью механизма 5 на величину а и изменяют в том же направлении угол наклона контролируемого фронта волны на величину arcSin a/l. При этом величина b сдвига волнового фронта в плоскости матового стекла должна удовлетворять условию b D/2, где D диаметр контролируемого волнового фронта. Записанная таким образом двухэкспозиционная голограмма 4 восстанавливается исходной опорной волной и с помощью линзы 6 строится изображение матового стекла 2 в плоскости регистратора 7, где и локализуется интерференционная картина бокового сдвига в полосах бесконечной ширины, характеризующая фазовые искажения контролируемого волнового фронта.

По сравнению с прототипом в предлагаемом способе созданием условий получения интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины на основе совмещения объективных спекл-полей двух экспозиций исключается необходимость в проведении пространственной фильтрации в плоскости голограмм, что позволяет увеличить чувствительность контроля при сохранении контрастности интерференцион- ной картины.

Таким образом, предлагаемый способ голографического контроля волнового фронта позволяет увеличить чувствительность контроля, что подтвердили результаты проведенных испытаний.