CN101285714A - 一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器 - Google Patents

Abstract

一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：本发明所述的哈特曼传感器在传统哈特曼的基础上做了两个改变，第一，缩束后透镜变为可以连续变焦的透镜组；第二，在缩束系统中间加入一个光源系统；通过调节缩束后透镜的焦距，可以使得入射的不同孔径的光束均以相同的出射孔径输出到微透镜阵列。从而，使得不同入射孔径的光束可以以相同的空间采样频率采样。本发明将哈特曼传感器的应用范围扩大到了对光束口径连续变化的测量领域，而且对于不同的入射口径均可以有相同的空间采样频率，从而可以在不降低测量精度的前提下测量不同口径的光束；并且增强了哈特曼传感器的通用性，使得一台哈特曼传感器可以用于不同口径，节约了使用成本。

Description

一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器

技术领域

本发明涉及一种哈特曼传感器，特别涉及一种可以连续变焦的哈特曼传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器是是一种能够检测波面形状的仪器，它在自适应光学、光学镜面检测、医疗仪器和天体目标成像中得到了广泛的应用。传统的哈特曼传感器通常由缩束系统、微透镜阵列、光电探测器以及波前处理机组成，如图2所示。在哈特曼传感器的使用中，往往根据使用场合的使用要求设计出哈特曼传感器的参数，包括缩束比、子孔径数目、子孔径大小等。这种情况下设计出的哈特曼传感器具有唯一性，只适用于特定的通光口径中，外界环境的改变将使得该哈特曼传感器的技术指标达不到设计要求。另外，还有一些场合通光口径不唯一，由于哈特曼传感器设计时的缩束比已经固定，这将导致出射到微透镜阵列的光束口径发生变化，在不更换哈特曼传感器的情况下，不同光束口径的光在哈特曼上的空间分辨率就会不同，对哈特曼的测量精度影响较大。

由于以上问题的存在，如何能够设计出连续变焦的哈特曼传感器，使得哈特曼传感器的对于不同测量口径的光都有相同的空间采样频率，从而进一步扩大哈特曼传感器的应用范围，就成为哈特曼传感器应用研究的新的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服原有哈特曼传感器只能应用于特定通光口径的局限性，提供了一种只需要简单的调整就可以应用于不同通光口径的哈特曼传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，包含有缩束系统，微透镜阵列，光电探测器；其特征在于：缩束系统的后透镜采用变焦缩束后透镜；在缩束系统的缩束前透镜和变焦缩束后透镜中间加入了用于标定哈特曼传感器系统误差的由内置点光源和分光镜组成的内部标定分系统。

所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：变焦缩束后透镜的变焦范围由使用场合通光口径变化范围决定。

所述变焦缩束后透镜的成像质量要求变焦的范围内小于3倍的衍射极限。

所述内部标定分系统中分光镜也可以是分光棱镜。

为了保证用于标定的内置点光源尽量接近几何点，其光斑的直径＜100um。

所述的内置点光源与缩束前透镜的焦点分别位于分光镜的两侧，并且它们的位置关系是以分光镜沿竖直方向的投影线段为轴互相对称。

所述变焦缩束后透镜在变焦过程中，其焦点的位置始终保持在与缩束前透镜焦点重合的固定位置上。

如上所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器的标定方法，其特征在于：其标定方式通过分解系统误差来完成的，标定工作分成两部分来完成：首先，把变焦后透镜的焦距调节到最短的位置上，而后对整个系统满口径照射标准平行光，曝光光电传感器采集下一组图像作为第一组标定图像；而后关闭外界光源，而后开启内置点光源再次曝光光电传感器采集下一组图像作为第二组标定图像，根据两组图像可以计算出系统由聚焦前透镜和分光镜组成的固定部分的系统误差，当变焦缩束后透镜变焦以后，开启内置点光源再一次曝光光电探测器得到第三组标定图像，从中可以得到变焦后由变焦缩束后透镜组成的可变部分的系统误差，将固定部分系统误差和可变部分的系统误差相加可以得到整个系统的系统误差。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明所涉及哈特曼传感器使用变焦透镜代替原有哈特曼传感器中定焦的缩束后透镜，通过调节变焦透镜的焦距来改变缩束系统的缩束比，使得输出到微透镜阵列上的光束口径保持固定，从而使得该哈特曼传感器可以应用于不同通光孔径的场合；而且本发明将系统的误差分成了两部分分别标定，一部分是固定器件产生的固定误差，另一部分是内部变焦透镜变焦带来的动态误差；对于固定误差部分，通过外置标准平面波的方式标定；而对于动态误差部分，使用了内置点光源对每次变焦都做一次标定，而后将两部分误差叠加得到系统整体的误差；这种标定方式避免了每次变焦后都须经过外部标准平面波标定的复杂程序，使得该哈特曼传感器经过一次标定后，在变焦后无需其他设备通过自身就可以完成标定。

附图说明

图1为本发明的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器结构示意图；图1a变焦透镜变焦前示意图；图1b变焦透镜变焦后示意图。

图2为普通哈特曼传感器示意图；

图中，1为缩束前透镜，2为分光镜，3为点光源，4为变焦缩束后透镜，5为微透镜阵列，6为光电探测器，7为缩束后透镜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图2所示，普通的自适应光学哈特曼波前传感器主要包括缩束系统的缩束前透镜1和缩束后透镜7，微透镜阵列5，光电探测器6，改进后将缩束后透镜7变为变焦缩束后透镜4，它利用微透镜阵列5对入射到微透镜阵列上的信号波前进行子孔径分割，每个子孔径内光信号聚焦在其后的光电探测器6上，利用光电探测器6靶面能量的分布情况进行质心位置计算。

哈特曼波前传感器主要是根据下面的公式(1)计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到光电探测器12光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是光电探测器光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据下面的公式(2)计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}---\left(2\right)$

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测，再由波前处理机进行波前处理。

如图1所示，本发明与普通的哈特曼传感器相比有两个不同之处：第一，缩束后透镜7变成了可以连续变焦的变焦缩束后透镜4；第二，在缩束系统的缩束前透镜1和变焦缩束后透镜4中间加入了用于标定哈特曼传感器系统误差的由分光镜2和点光源3组成的内部标定分系统；内部标定分系统中分光镜2也可以是分光棱镜，为了保证用于标定的点光源3尽量接近几何点，其光斑的直径＜100um；其中点光源3与缩束前透镜1的焦点分别位于分光镜2的两侧，并且它们的位置关系是以分光镜2沿竖直方向的投影线段为轴互相对称；变焦缩束后透镜4在变焦过程中，其焦点的位置始终保持在与缩束前透镜1焦点重合的固定位置上；变焦缩束后透镜4的变焦范围由使用场合通光口径变化范围决定；如图1a所示，哈特曼传感器按照固定缩束比设计，当入射光束口径小于设计口径时(如图中虚线所示)，经过缩束系统之后出射到微透镜阵列5的口径也随之变小，结果光束便不能充满哈特曼传感器的整个孔径。本发明解决这种状况出现的办法是将缩束后透镜7更换成变焦缩束后透镜4，其工作过程如图1b所示，当入射光束口径变小时，相应的变焦缩束后透镜4的焦距变大，从而使缩束系统的缩束比变小，出射光束的口径将随之变大。所以在已知通光孔径和缩束前透镜1的情况，通过调节变焦缩束后透镜4的焦距就可以实现出射光束口径的大小固定不变了。

下一步就是标定，本发明使用的是两步标定法。为了完成标定在缩束系统中间焦点的右边放置一块分光镜2，并且在中间焦点关于分光镜镜像的位置上放置一个点光源3，如图1所示。标定的具体步骤如下：

第一：将缩束后透镜的焦距调到满口径通光时的焦距上，如图1a中实线所示，而后用标准平面波照射该系统，曝光光电探测器6，得到第一组标定图像，以此图像作为系统误差的标准。因为这一组图像被定义为标定图像则此时整个系统的误差δ可以看作是0。假设缩束前透镜1带来的系统误差为δ₁，变焦缩束后透镜4、微透镜阵列5以及光电探测器6带来的系统误差为δ₂，那么有等式：

δ＝δ₁+δ₂＝0(3)

第二：关闭外界光源，开启内部点光源3，而后曝光光电探测器6得到第二组标定图像。实际上，第二次曝光得到的标定图像实际上就是在测量δ₂导致的图像相对于第一组图像偏移。以第一组标定图像作为标准，通过对比两幅图像可以计算得到误差δ₂，由等式(3)可以得到聚焦前透镜全孔径通光时的带来误差δ₁。

第三：聚焦前透镜全口径通光时的误差δ₁是以误差在透镜通光半径上的分布的形式给出的，所以δ₁中包含着任何通光孔径小于全口径的误差情况。那么δ₁可以写成通光半径的函数形式δ₁(r)，其中r是通光半径。

第四：变焦后误差的计算。当变焦缩束后透镜4变焦后系统整体误差将发生改变，设此时的整体误差为δ’；聚焦前透镜位置和形状都没有改变，仅仅是通光口径变小，设此时其通光半径为R，则由聚焦前透镜的产生的误差为δ₁(R)；聚焦后透镜位置和形状都发生了改变，通过点光源3再一次曝光采集一组图像可以测量出变焦后透镜变焦后带来的误差δ₂’。那么，δ’＝δ₁(R)+δ₂’。式中δ₁(R)和δ₂’均已知，那么系统的整体误差δ’可以得到，标定至此完成。

Claims (8)

1、一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，包含有缩束系统，微透镜阵列(5)，光电探测器(6)；其特征在于：缩束系统的后透镜采用变焦缩束后透镜(4)；在缩束系统的缩束前透镜(1)和变焦缩束后透镜(4)中间加入了用于标定哈特曼传感器系统误差的由内置点光源(3)和分光镜(2)组成的内部标定分系统。

2、根据权利1的要求所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：变焦缩束后透镜(4)的变焦范围由使用场合通光口径变化范围决定。

3、根据权利1的要求所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：变焦缩束后透镜(4)的成像质量要求变焦的范围内小于3倍的衍射极限。

4、根据权利1的要求所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：内部标定分系统中分光镜(2)也可以是分光棱镜。

5、根据权利1的要求所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：为了保证用于标定的内置点光源(3)尽量接近几何点，其光斑的直径＜100um。

6、根据权利1的要求所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：内置点光源(3)与缩束前透镜(1)的焦点分别位于分光镜(2)的两侧，并且它们的位置关系是以分光镜(2)沿竖直方向的投影线段为轴互相对称。

7、根据权利1的要求所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器，其特征在于：变焦缩束后透镜(4)在变焦过程中，其焦点的位置始终保持在与缩束前透镜(1)焦点重合的固定位置上。

8、如权利要求1所述的一种利用点光源标定的连续变焦哈特曼传感器的标定方法，其特征在于：其标定方式通过分解系统误差来完成的，标定工作分成两部分来完成：首先，把变焦后透镜(4)的焦距调节到最短的位置上，而后对整个系统满口径照射标准平行光，曝光光电传感器(6)采集下一组图像作为第一组标定图像；而后关闭外界光源，而后开启的内置点光源(3)再次曝光光电传感器(6)采集下一组图像作为第二组标定图像，根据两组图像可以计算出系统由聚焦前透镜(1)和分光镜(2)组成的固定部分的系统误差，当变焦缩束后透镜(4)变焦以后，开启内置点光源(3)再一次曝光光电探测器(6)得到第三组标定图像，从中可以得到变焦后由变焦缩束后透镜(4)组成的可变部分的系统误差，将固定部分系统误差和可变部分的系统误差相加可以得到整个系统的系统误差。

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