專利名稱：波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波前傳感器，尤其涉及一種哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件。
哈特曼波前傳感器基于改進(jìn)的哈特曼測試法。哈特曼測試法是哈特曼1900年發(fā)明的用于檢測天文望遠(yuǎn)鏡鏡面質(zhì)量的方法，該方法在1900年出版的《儀器雜志》20期47頁“分光鏡的制作和檢測評述”中公開(參考文獻(xiàn)“Bemerkungen underden Bau und die Justirung von Spektrogaphen”Zeit.f.Instrument20，P47，1900)。哈特曼波前傳感器是對哈特曼測試法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，于1971年出版的《美國光學(xué)學(xué)會雜志》61期，656頁“雙凸透鏡式哈特曼板的制作和應(yīng)用”中公開。(參考文獻(xiàn)“production and use of alenticular Hartmann screen”J.Opt.Soc.Am 61，P656，1971)。經(jīng)典哈特曼法的測量原理是在被測物鏡(或反射鏡)入射孔徑上放置哈特曼光闌，使入射光線通過哈特曼光闌的小孔后被分為細(xì)光束，通過探測細(xì)光束形成的光斑位置信號，計(jì)算被測物鏡的像差。哈特曼波前傳感器則在此基礎(chǔ)上采用孔徑分割元件和聚焦光學(xué)元件分割入射波前的被測孔徑，并將其聚焦到CCD探測器上，形成光斑；通過計(jì)算機(jī)對CCD探測到的光斑信號進(jìn)行處理，計(jì)算光斑的重心位置，獲得被測入射波前的波面誤差信息。由此哈特曼波前傳感器常被應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
現(xiàn)有的哈特曼波前傳感器，通常采用微透鏡陣列作為孔徑分割元件分割光束孔徑，并將入射光聚焦到CCD探測器的光敏靶面，或者通過一轉(zhuǎn)像系統(tǒng)將微透鏡的焦面光斑圖象成像于CCD探測器光敏靶面。這種哈特曼波前傳感器在1997年《國際光學(xué)工程學(xué)會會議錄》314卷，398頁“用于光學(xué)檢測的哈特曼波前傳感器”的文章中公開，(參考文獻(xiàn)“Hartmann Sensers for Optical Testing”SPIE Vol.314，P398，1997)。這類哈特曼傳感器的缺陷在于其孔徑分割元件微透鏡陣列與CCD探測器的耦合技術(shù)比較復(fù)雜，微透鏡陣列的微透鏡單元的焦距誤差不一致導(dǎo)致影響傳感器精度，對微透鏡陣列制作技術(shù)的要求很高，安裝、調(diào)試?yán)щy，不適宜大批量制造。我們曾提出和制作過一種帶有不同楔角的棱鏡(本文中“棱鏡”一律指光楔或楔板，下同)組成的分割鏡分割光束孔徑，并用物鏡聚焦于CCD光敏靶面的哈特曼傳感器，可以克服孔徑分割元件與CCD探測器耦合的困難。這種哈特曼傳感器在1995年《光電工程》22卷1期38～45頁“37單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)”中公開(參考文獻(xiàn)“37單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)”，光電工程，22卷1期38～45頁，1995年)。但用單個(gè)子棱鏡拼裝成孔徑分割元件的制造技術(shù)復(fù)雜而昂貴，也不適宜于批量生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種適宜于工業(yè)化批量生產(chǎn)的哈特曼波前傳感器。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施實(shí)現(xiàn)哈特曼波前傳感器包括孔徑分割元件、聚焦光學(xué)元件和CCD探測器，聚焦光學(xué)元件聚焦透鏡的焦平面與CCD探測器的光敏靶面重合；孔徑分割元件是由多個(gè)子棱鏡組成的一維或者二維的微棱鏡陣列，棱鏡是光楔或楔板，微棱鏡陣列和子棱鏡可根據(jù)需要制造成各種孔徑的形狀，子棱鏡的數(shù)量只受限于制作技術(shù)，相鄰子棱鏡的楔角或等效楔角可以不同，入射波前經(jīng)過微棱鏡陣列和聚焦透鏡會聚于CCD探測器的光敏靶面。
本發(fā)明的目的也可以通過以下措施實(shí)現(xiàn)哈特曼波前傳感器包括孔徑分割元件、聚焦光學(xué)元件和CCD探測器，聚焦光學(xué)元件的焦平面與CCD探測器的光敏靶面重合；孔徑分割元件和聚焦光學(xué)元件是微棱鏡陣列和聚焦透鏡制作于同一光學(xué)基板的集成式孔徑分割-聚焦元件，光學(xué)基板的兩個(gè)側(cè)面分別是微棱鏡陣列和聚焦透鏡，入射波前通過集成式孔徑分割-聚焦元件分割會聚于CCD探測器的光敏靶面。
本發(fā)明的目的還可通過以下措施實(shí)現(xiàn)哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件可以是二元菲涅爾微棱鏡陣列，也可以是連續(xù)表面微棱鏡陣列，還可以是梯度折射率的微棱鏡陣列。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所公開的哈特曼波前傳感器，其孔徑分割元件是采用微光學(xué)技術(shù)或二元光學(xué)技術(shù)制作的微光學(xué)元件一集成式微棱鏡陣列，較之于用單個(gè)子棱鏡拼裝的孔徑分割元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。微棱鏡陣列是由多個(gè)子棱鏡相鄰排列組成的一維或者二維陣列。微棱鏡陣列和子棱鏡可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)并制作成為各種形狀，故能適應(yīng)入射波前各種形狀的孔徑。微棱鏡陣列包含的子棱鏡是采用微光學(xué)技術(shù)或二元光學(xué)技術(shù)制造的微棱鏡。子棱鏡的楔角可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)制作，精度較易控制，故能保證入射波前的各個(gè)子孔徑焦點(diǎn)光斑會聚在CCD光敏靶面的所需位置。
本發(fā)明所公開的哈特曼波前傳感器，采用聚焦透鏡作為聚焦元件，所有子波前通過公共的聚焦透鏡會聚到CCD探測器光敏靶面，克服了現(xiàn)有技術(shù)中微透鏡陣列的微透鏡單元焦距不一致對哈特曼波前傳感器精度產(chǎn)生的影響。
本發(fā)明所公開的這種波前傳感器避免了分別加工單個(gè)子棱鏡，然后進(jìn)行子棱鏡拼裝的復(fù)雜、繁瑣、昂貴的工藝；并且制作時(shí)只要保證聚焦透鏡焦面與CCD探測器光敏靶面重合，所需的自由度遠(yuǎn)少于現(xiàn)有技術(shù)，安裝和調(diào)試比較容易，因此適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
本發(fā)明公開的另一技術(shù)方案由微棱鏡陣列和聚焦透鏡集成在一起構(gòu)成的集成式孔徑分割-聚焦元件和CCD探測器組成哈特曼波前傳感器，不僅具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且省去了微棱鏡陣列和聚焦透鏡之間的裝調(diào)機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步簡化了波前傳感器的結(jié)構(gòu)和裝調(diào)工藝。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是實(shí)施例一哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的右視圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是實(shí)施例二哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖5的右視圖。
圖7是實(shí)施例三的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是實(shí)施例三哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是圖8的左視圖(示意圖)。
圖10表示實(shí)施例三孔徑分割元件的梯度折射率子棱鏡的坐標(biāo)。
圖11是實(shí)施例四的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12是實(shí)施例四的哈特曼波前傳感器的集成式孔徑分割-聚焦元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13是圖12的左視圖。
圖14是實(shí)施例五的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例一的哈特曼波前傳感器，由分割入射波前的孔徑分割元件、聚焦光學(xué)元件和CCD探測器3組成。孔徑分割元件是采用微光學(xué)技術(shù)或二元光學(xué)技術(shù)制作的集成式二元菲涅爾微棱鏡陣列1。聚焦光學(xué)元件是聚焦透鏡2。所用的CCD探測器3(型號XC-77)是一種利用光電子效應(yīng)、輸出光電流隨入射光強(qiáng)變化的器件。聚焦透鏡2的焦面與CCD探測器3的光敏靶面4重合。被測光學(xué)系統(tǒng)的入射波前通過二元菲涅爾微棱鏡陣列1，再經(jīng)聚焦透鏡2會聚于CCD探測器3的光敏靶面4。
圖2所示為二元菲涅爾微棱鏡陣列1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是該結(jié)構(gòu)示意圖的右視圖。如圖3所示，二元菲涅爾微棱鏡陣列1的形狀為四邊形，是由九個(gè)子棱鏡5(包括子棱鏡5-1、子棱鏡5-2等)組成的二維陣列。光學(xué)系統(tǒng)的入射波前經(jīng)過二元菲涅爾微棱鏡陣列1時(shí)被子棱鏡5分割成九個(gè)子孔徑。每個(gè)子棱鏡5是具有一定的楔角6的四邊形微棱鏡。如圖2所示，相鄰的子棱鏡5-1的楔角6和子棱鏡5-2的等效楔角(子棱鏡5-2的等效楔角為零)彼此不同。
入射波前經(jīng)過二元菲涅爾微棱鏡陣列1時(shí)被子棱鏡5偏折一定角度，再經(jīng)聚焦透鏡2會聚于CCD探測器3的光敏靶面4，形成子孔徑光斑。每個(gè)子孔徑焦點(diǎn)光斑在CCD探測器3光敏靶面4上的位置因各子棱鏡5的楔角6不同而彼此相互分開，形成光斑陣列。CCD探測器3接收到的光斑信號可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，由公式①計(jì)算光斑的位置(xi，yi)，探測全孔徑的波面誤差信息xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm,yi=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm---(1)]]>(式中，m＝1~M，n＝1~N為子孔徑映射到CCD探測器3光敏靶面4上對應(yīng)的像素區(qū)域，Inm是CCD探測器3光敏靶面4上第(n，m)個(gè)像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m)個(gè)像素的x坐標(biāo)和y坐標(biāo))。再根據(jù)公式②計(jì)算入射波前的波前斜率gxi，gyigxi=xi-x0λf,gyi=yi-y0λf---(2)]]>(式中，(x0，y0)為標(biāo)準(zhǔn)平面波標(biāo)定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準(zhǔn)位置；哈特曼傳感器探測波前畸變時(shí)，光斑中心偏移到(xi，yi))，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例二的哈特曼波前傳感器，由孔徑分割元件、聚焦光學(xué)元件和CCD探測器9(型號XC-77)組成。孔徑分割元件是由微光學(xué)技術(shù)或二元光學(xué)技術(shù)制作的連續(xù)表面微棱鏡陣列7。聚焦光學(xué)元件聚焦透鏡8的焦平面與CCD探測器9的光敏靶面10重合。被測光學(xué)系統(tǒng)的入射波前通過聚焦透鏡8后，再經(jīng)過連續(xù)表面微棱鏡陣列7，被分割會聚于CCD探測器9的光敏靶面10。
圖5所示為連續(xù)表面微棱鏡陣列7的結(jié)構(gòu)示意圖。如該結(jié)構(gòu)示意圖的右視6所示，連續(xù)表面微棱鏡陣列7的形狀為四邊形，包含的二十五個(gè)子棱鏡11(包括子棱鏡11-1，子棱鏡11-2等)排列為二維陣列。子棱鏡11是由微光學(xué)技術(shù)制作的連續(xù)表面微棱鏡。如圖5所示，相鄰子棱鏡11-1的楔角12和子棱鏡11-2的楔角13彼此不同。
光學(xué)系統(tǒng)的入射波前被分割會聚于CCD探測器9的光敏靶面10，形成光斑陣列。CCD探測器9接收到的光斑陣列信號通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，由實(shí)施例一中所述的公式①計(jì)算像素信號重心的位置，再利用實(shí)施例一中所述的公式②計(jì)算波前斜率，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖7所示，本發(fā)明實(shí)施例三的波前傳感器，由微光學(xué)技術(shù)或二元光學(xué)技術(shù)制作的集成式梯度折射率微棱鏡陣列14、聚焦透鏡15和CCD探測器16(型號XC-77)組成。聚焦透鏡15的焦平面與CCD探測器16的光敏靶面17重合。
圖8所示為梯度折射率微棱鏡陣列14的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8的左視9所示，梯度折射率微棱鏡陣列14是一維的陣列，由五個(gè)子棱鏡18(包括子棱鏡18-1、子棱鏡18-2等)集成在一起構(gòu)成。子棱鏡18是具有梯度折射率的六邊形微棱鏡。子棱鏡18-2的梯度折射率為零。其余子棱鏡的梯度折射率由下式表示n(x,y)=F(x,y)=1fδ(Δx·|x|+Δy·|y|)---(3)]]>(式中，f為聚焦透鏡15的焦距，δ為子棱鏡18的基板厚度，x、y為子棱鏡18的坐標(biāo)值；子棱鏡18、18-1、18-3、18-4的坐標(biāo)位置如圖10所示；圖10中，橫坐標(biāo)為x，縱坐標(biāo)為y；Δx、Δy為子棱鏡18形成的子孔徑光斑在聚焦透鏡15焦平面的偏移量)。
被測入射波前經(jīng)過梯度折射率微棱鏡陣列14，由于子棱鏡18具有梯度折射率而被偏折一定角度，再經(jīng)聚焦透鏡15會聚于CCD探測器16的光敏靶面17，形成子孔徑光斑。每個(gè)子孔徑焦點(diǎn)光斑在CCD探測器16的光敏靶面17上的位置因各個(gè)子棱鏡18的梯度折射率不同而彼此相互分開，形成光斑陣列。CCD探測器16接收到的光斑信號通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，由實(shí)施例一中所述公式①計(jì)算像素信號重心的位置；再利用實(shí)施例一中所述公式②計(jì)算波前斜率，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖11所示，本發(fā)明實(shí)施例四的哈特曼波前傳感器，由集成式孔徑分割-聚焦元件19和CCD探測器20(型號XC-77)組成。被測光學(xué)系統(tǒng)的入射波前經(jīng)集成式孔徑分割-聚焦元件19分割會聚于CCD探測器20的光敏靶面21。
圖12所示為集成式孔徑分割-聚焦元件19的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖12所示，集成式孔徑分割-聚焦元件19是由微光學(xué)技術(shù)或二元光學(xué)技術(shù)將連續(xù)表面微棱鏡陣列22和聚焦透鏡23集成在同一光學(xué)基板上構(gòu)成。連續(xù)表面微棱鏡陣列22和聚焦透鏡23分別是同一光學(xué)基板的兩個(gè)側(cè)面。聚焦透鏡23的焦平面與CCD探測器20的光敏靶面21重合。
實(shí)施例四中，連續(xù)表面微棱鏡陣列22是集成式孔徑分割-聚焦元件19的入射面，聚焦透鏡23是集成式孔徑分割-聚焦元件19的出射面。(聚焦透鏡和微棱鏡陣也可以分別作為集成式孔徑分割-聚焦元件的入射面和出射面。如圖14所示的實(shí)施例五中的哈特曼波前傳感器，由集成式孔徑分割-聚焦元件27和CCD探測器28(型號XC-77)組成，集成式孔徑分割-聚焦元件27的入射面是聚焦透鏡30，出射面為微棱鏡陣列31，聚焦透鏡30的焦平面與CCD探測器28的光敏靶面29重合；被測入射波前經(jīng)過集成式孔徑分割-聚焦元件27的聚焦透鏡30，再經(jīng)微棱鏡陣列31，分割、會聚于CCD探測器28的光敏靶面29。)如圖13所示，實(shí)施例四的集成式孔徑分割-聚焦元件19的連續(xù)表面微棱鏡陣列22是圓形形狀，包含二十一個(gè)子棱鏡24(包括子棱鏡24-1、子棱鏡24-2等)。子棱鏡24是采用微光學(xué)技術(shù)制作的連續(xù)表面微棱鏡。如圖12所示，子棱鏡24具有一定的楔角。相鄰子棱鏡24-1的楔角25和子棱鏡24-2的楔角26彼此不同。
被測光束入射到集成式孔徑分割-聚焦元件19，被連續(xù)表面微棱鏡陣列22分割為多個(gè)子孔徑，再經(jīng)集成式孔徑分割-聚焦元件19的聚焦透鏡23會聚于CCD探測器20光敏靶面21的不同位置，形成光斑陣列。CCD探測器20接收到的光斑信號通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，由實(shí)施例一中所述的公式①計(jì)算像素信號重心的位置，即可探測全孔徑的波面誤差信息；再利用實(shí)施例一中所述的公式②計(jì)算波前斜率，實(shí)現(xiàn)哈特曼波前傳感器檢測信號的功能。
權(quán)利要求
1.一種哈特曼波前傳感器，包括孔徑分割元件、聚焦光學(xué)元件和CCD探測器(3)，聚焦光學(xué)元件聚焦透鏡(2)的焦平面與CCD探測器(3)的光敏靶面(4)重合；其特征在于孔徑分割元件是由多個(gè)子棱鏡(5)組成的一維或者二維的微棱鏡陣列(1)，棱鏡是光楔或楔板，微棱鏡陣列(1)和子棱鏡(5)可根據(jù)需要制造成各種孔徑的形狀，子棱鏡(5)的數(shù)量只受限于制作技術(shù)，相鄰子棱鏡(5)的楔角或等效楔角(6)可以不同；入射波前通過微棱鏡陣列(1)和聚焦透鏡(2)分割會聚于CCD探測器(3)的光敏靶面(4)。
2.一種哈特曼波前傳感器，包括孔徑分割元件、聚焦光學(xué)元件和CCD探測器(20)，聚焦光學(xué)元件的焦平面與CCD探測器(20)的光敏靶面(21)重合；其特征在于孔徑分割元件和聚焦光學(xué)元件是微棱鏡陣列(22)和聚焦透鏡(23)制作于同一光學(xué)基板的集成式孔徑分割-聚焦元件(19)，光學(xué)基板的兩個(gè)側(cè)面分別是微棱鏡陣列(22)和聚焦透鏡(23)，入射波前通過集成式孔徑分割-聚焦元件(19)分割會聚于CCD探測器(20)的光敏靶面(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的哈特曼波前傳感器，其特征在于孔徑分割元件可以是二元菲涅爾微棱鏡陣列(1)，也可以是連續(xù)表面微棱鏡陣列(7)，還可以是梯度折射率微棱鏡陣列(14)。
全文摘要
本發(fā)明公開的用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前傳感器,由包含多個(gè)子棱鏡(即光楔或楔板,下同)的集成式微棱鏡陣列構(gòu)成的孔徑分割元件、聚焦透鏡和CCD探測器組成;或者由微棱鏡陣列和聚焦透鏡集成于同一光學(xué)基板構(gòu)成集成式孔徑分割－聚焦元件。被測入射波前通過孔徑分割元件和聚焦光學(xué)元件分割會聚于CCD探測器。集成式微棱鏡陣列是一種微光學(xué)元件。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定,精度較高,容易安裝調(diào)試,適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
文檔編號G01D5/26GK1385675SQ01108430
公開日2002年12月18日 申請日期2001年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月16日
發(fā)明者張雨東, 凌寧, 姜文漢 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所