CN102483358B - 具有可拆卸的小透镜阵列的夏克哈特曼传感器 - Google Patents

Abstract

一种夏克哈特曼(“SH”)波前传感器，包括诸如波前析象管的光学装置、光学系统和可拆卸的运动学支架，光学装置包括小透镜阵列，例如用于透射、分析和聚焦入射光波，光学系统包括例如光学传感器，用于接收透射的入射光波，可拆卸的运动学支架用于将光学装置可重复地精密安装到光学系统。

Description

具有可拆卸的小透镜阵列的夏克哈特曼传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月20日提交的美国专利申请61/226,821的优先权，其内容通过引用被结合在本文中。

技术领域

本发明大体上涉及传感器，并且更特别地，涉及具有可拆卸的小透镜阵列的夏克哈特曼(“SH”)波前传感器。更特别地，本发明涉及一种装置，该装置相对于传感器可拆卸地以及可替换地安装波前析象管，以致析象管不被永久地相对于传感器固定在适当位置上，同时维持析象管和传感器之间的精确的相关对准，以致用于组合的析象管和传感器的测量波前的精确度和准确度相对于波前传感器不降低，该波前传感器永久地相对于传感器固定析象管。

背景技术

在自由空间中的本体具有六个独立的自由度，三个平移的和三个转动的，所有都相对于具有沿着笛卡尔(Cartesian)坐标系统的三个垂直轴产生的三个平移自由度的笛卡尔坐标系统被典型地定义，并且三个角度自由度被定义为关于相同系统的轴的转动自由度。本体在空间中的运动可以被称作这些坐标的线性组合。通常，每个自由度可以被限制具有在本体上的点限制的适当布局。使用压在抛光蓝宝石板上的高质量的淬火钢球轴承，可以实现接近理想的点限制，抛光蓝宝石板是被附接到要被制约的本体的光学上的平面(超过0.25微米)。在光学机械设计的领域内，“运动设计(kinematical design)”的概念是众所周知的，这时，设计师挑战对本体在自由空间中具有的六个自由度中的每一个仅仅提供一个接近理想的制约。另外，成功的运动学设计典型地考虑到相对独立于被构造的结构，但依赖于使用便宜的大量生产的部件，诸如精密的淬火钢球轴承和小型的光学上抛光的蓝宝石板，来形成移动或接合部件之间的运动学界面。约翰·H·摩尔(John H.Moore)等人的书“构造科学设备(Building Scientific Apparatus)”描述了对运动学设计实现合理的近似法的细节，参见例如第43页第三附录的第1.6.1和1.6.2节。这里，作者描述了如何实现运动学设计，以致产生的装置可以被用于光学组件的非常需要的应用，在光学组件中，一小部分光的波长的部件之间的运动可能对装置的操作是有害的。摩尔等人在图1.44中提供了一个这种实例，其中图示了双板的运动学装置，该装置被设计成允许两个板稳定地会合，以致两个板在被组合和被稍微加载的时候在它们之间一起呈现非外来的运动。许多公司销售基于摩尔等人思考的原理的光学机械装置，一个这种公司是新泽西州牛顿市(Newton NJ)的索雷博股份有限公司(Thorlabs Inc)，他们的运动学基板(Kinematic Base Plate)的部件号KB3X3在索雷博产品目录的第19卷版本中找到。

该KB3X3装置被宣传为在重复去除和替换两部件装置的顶部之后，提供其转动自由度中的微弧度级可重复性。假定装置的底部部件被可靠地固定到整体刚性结构，典型地，同样由索雷博销售的光学平台。索雷博装置的典型的使用是允许用户构造灵活的光学系统，具有一个用途是在光学平台上从一个实验设备到另一个实验设备以高的可重复度来重定向激光光束。为了实现这个功能，KB3X3沿着激光光束路径被定位，对于这个实例，假定现有实验仪器在激光光束源的前面存在小距离。利用与适当的反射镜一起的例如索雷博KS1的运动学镜架(kinematic mirror mount)，使用在光学科学领域内众所周知的并且同样由索雷博提供的光学机械的支持架，反射镜被安装到KB3X3的顶板。一旦反射镜被适当地附着到KB3X3以使激光光束改变方向，用户于是将使用镜架控制器使光束完全地偏转离开连续的光束路径到光学平台的不使用的部分。现在，通过将KB3X3的顶板放置到其基座上，光束沿着期望的路径被精确地偏转到可以构造第二实验仪器的光学平台的不使用的部分，用户可以使得该激光对两个实验仪器可用。并且，通过去除KB3X3的顶板，未偏转的光束自由地行进经过KB3X3，以用于第一应用。

各种光学仪器需要如上讨论的至少一个光学元件相对于另一个光学元件的精确的对准，对准公差确定了仪器测量的准确度和精确度。这种仪器的一个实例是SH波前传感器。通过例如经由小透镜阵列或微透镜阵列分析光点(光点区域)的位置和强度，SH波前传感器能够精密测量光学波前的形状和强度分布，通过将入射光场成像到CCD(电荷耦合装置)照相机上形成光点(光点区域)。为了实现足够的测量精确度和准确度，小透镜阵列必须相对于CCD传感器被非常精确地对准。典型地，小透镜阵列相对于CCD被永久地固定，以确保随着时间的过去的精确的对准。这限制了对最大波前斜率的测量，最大波前斜率主要通过微透镜阵列的节距和微透镜阵列的有效焦距来确定。能够改变区域中的微透镜阵列而不需要用户执行校准过程，同时维持具有“固定的”微透镜阵列的SH传感器的测量准确度和精确度，将有极大的益处。

发明内容

揭示了系统的一个实施例，用于相对于诸如CCD阵列或其他光学子系统的第二元件，重复地精确定位诸如小透镜阵列的一个元件，以致在维持对准的六个自由度的足够的对准的同时，一个元件是可拆卸的并且可替换的，因此不需要随后的对准或校准。

附图说明

图1是在基于CCD的SH传感器中的用于小透镜阵列的精密支架的一个实施例的前等距的分解图，基于CCD的SH传感器包括安装到传感器的基座安装板，中间板和波前析象管板。

图2是图1的精密支架的实施例的后等距的分解图。

图3是中间板被安装到波前析象管板的图1的精密支架的实施例的前等距的局部分解图。

图4是图3的精密支架的实施例的后等距的局部分解图。

图5是在基于CCD的SH传感器(传感器未显示)中用于小透镜阵列的精密支架的一个实施例的前等距的分解图，基于CCD的SH传感器包括基座安装板，中间板和波前析象管板。

图6图示成套部件的一个实施例，成套部件包括SH传感器、多个微透镜阵列和工具。

图7图示组装的SH传感器系统的一个实施例。

图8图示SH波前传感器是如何工作的。

图9图示SH波前传感器中的波前畸变和光点位移。

具体实施方式

这个揭示内容描述了目前设想的实践本发明的最佳方式或多个最佳方式。该描述不意欲以限制的意义被理解，但提供了仅仅为了说明性的目的，通过参考附图呈现的本发明的实例，以告知本领域中的一个普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，同样的参考字符指示同样的或相似的部件。

图1图示本发明的SH传感器系统的一个实施例的分解图，本发明的SH传感器系统包括三个分开的板，即基座安装板1、中间板2和波前析象管板3。被定位成与CCD传感器等等4邻接并且较佳地被安装到CCD传感器等等4的基座安装板1较佳地包括三个参考对准区域5，每个参考对准区域5由一对径向布置的、间隔开的并且较佳地平行的合销6形成。每个平行的合销对的机械轴被限定为在由每个合销6的机械轴建立的平面中，并且与每个合销的机械轴等距。在本实施例中的合销6的机械轴是在共用平面中，并且每个合销对的机械轴以相等的角度被配置。合销6被压成机械制造的凹槽7，机械制造的凹槽7的间距公差较佳地在近似0.001英寸内(虽然设想其他值)，并且机械制造的7的深度是使得合销轴被设定到基板1的表面8以下的规定距离，以保证合销6被可靠地固定在适当位置上并且不需要粘合剂或其他机械紧固件的需求。

在本实施例中，在基板1中的磁体9对被定位成在每个合销对的每侧上有一个磁体9。磁体9被定向成它们的磁极在相同方向上被对准，并且吸引在中间板2上被相反配置的磁体10(图2、4)。定位销11从基板1向外延伸，以便与中间板2中的定位孔12紧密配合，从而在基板1与中间板2接合期间确保转动对准，同时磁体9、10的相互作用将如下所述的使得板1、2吸引在一起。在替代的实施例(未显示)中，通过操纵磁体对9、10的极性，可能出现基板1与中间板2的转动对准，以致磁体的极性沿着基板1可能不同，例如，以致板1、2将只能依据板1、2的某一角取向，同轴地和转动地接合，否则，板将不能接合和/或将彼此排斥。

图2是图1的支架的后等距视图。配置在兜孔14(同样参见图1)内的三个硬化球13坐落在中间板2的配合表面15上，以致球13的位置与基板1上的参考对准区域5对应。使用制造固定物，将球13较佳地压到板2中的精确定位的安装孔或兜孔14中，以致它们以精确的距离从配合表面15向外延伸。替代的实施例(未显示)将允许每个球位置的单独的可调整性，诸如在被固定于适当位置上之前，通过使用成一体的调整螺杆。这些配合球13和合销对6形成运动学安装座，使得基板1和中间板2能够重复地接合和脱离，以致每当板被接合时，一个板相对于另一个板的位置改变，从一个接合到下一个接合，是可以忽略的。另外，当前配置的实施例允许用户在希望例如依据特定环境或操作条件改变析象管板和传感器之间的距离的情况下，相对于传感器变更、改变和互换析象管板。因此，可以提供给用户一种系统，该系统例如包括安装到基板的单个传感器和多个可互换的析象管支架，每个可互换的析象管支架被安装到中间板(例如，如图3和4中所示)，中间板如此处描述的被设计成与基板紧密配合。在这种实例中，较佳的是每个可互换的析象管支架与基板校准，这种校准可以发生在制造商所在地。在这个校准期间，测量并保存析象管相对于传感器的各种光学参数，诸如焦距和内透镜距离，但不局限于此，因此可以通过软件应用程序来使用这些参数，软件应用程序使用传感器数据以计算析象管上的波前入射。

三对压制的合销对6和三个硬化球13是运动学座的一个实施例，其中每个球与每个合销对6构成两点接触，总共六个制约点，每个自由度是一个。参考约翰·H·摩尔等人的名称为构造科学设备的书。当然，很清楚，虽然图示的实施例显示了在基板1上的合销对6和在中间板2上的硬化球13，但是将理解，视情况而定，合销对6可以在中间板2上，并且硬化球13可以在基板1上。替代地，只要在两个板之间的运动学安装关系被维持，基板1可以具有合销对和球的混合，该合销对和球的混合与中间板上的类似的混合协作地紧密配合。此外，将理解，除了本实施例中显示的运动学配置以外的各种运动学配置被设想，诸如标准的运动学支架，其中一个球接触圆锥的或棱锥体形状的孔，另一个球接触V型槽，以及第三个球放在平面上。

为了相对于基板1可靠地将中间板2保持在适当位置上，如上面开头讨论到，磁体9、10被策略性地安装在板中。选择磁体的尺寸和强度，以确保在正常的处理和使用期间，接合的板相对于彼此不移动。但是，较佳地，相对磁体之间的组合力足够强大，以致仅仅利用手指力量不难从中间板2去除基板1。在图1和2中显示的实施例中，例如，中间板2中的螺纹孔16允许任何人使用诸如螺杆的工具(未显示)来帮助接合的板3和2与基板1的脱离，从而难以得到板2、3上的手指支点。更具体地，通孔17被策略性地位于波前析象管板3中，通孔17提供经过板3到达中间板2中的螺纹孔16等等的通道。诸如螺杆(未显示)的工具被插入经过通孔17并且进入到螺纹孔16中，此后，起到把手的作用以及进一步起到杠杆的作用，该把手用于经过工具与螺纹孔16的接合来夹住板2和3，该杠杆用于帮助基板与中间板2的分离。该工具可以在板1、2脱离之后被去除，或者该工具可以存在于螺纹孔16中，为板2、3与基板1或另一个系统(未显示)中的不同基板(未显示)的再接合做准备。在替代的实施例(未显示)中，两个以上的孔可以被定位在板2、3上，以帮助板1、2的脱离。

中间板2和波前析象管板3与基板1分开地被对准。精确度制造固定物被用于如图3和4所示的永久地将板2和3固定在一起。

在图1-4的实施例中，较佳地，利用粘合剂或其他本领域中已知的装置，将波前析象管18永久地安装在板3中，以确保析象管18相对于析象管支架的适当对准。板3被设计成使对于本实施例被规定为正方形的波前析象管18坐落于矩形井19中。中间板2和析象管板3与基板1分开地被对准。更具体地，精确度制造固定物被用于永久地将板2和3固定在一起。

制造固定物的设计和组装显著地有助于使得可拆卸的分组件(元件2、10、13、3、18)的组件与基板分组件(元件1、6、9、11)适当地紧密配合。一个制造固定物被用于精确地对准基板分组件的基准面相对于传感器4的六个自由度，并且在传感器和基板分组件被永久地固定的同时维持该对准，基板分组件的参考平面被限定为包括合销6的机械轴的平面。分开的制造固定物被用于对准和设定相对于波前析象管18的表面的可拆卸的分组件的参考平面，以及相对于球13的方向的波前析象管18的角对准，可拆卸的分组件的参考平面被限定为由球13的中心建立的平面。

替代地，在不需要配合平面的绝对对准的情况下，基板1对诸如CCD阵列的传感器4的精密的六轴对准可以被简化为单个转动的调整，并且当中间板2已经利用制造固定物与基板1紧密配合时，析象管板3被对准。

在图1到4的实施例中，较佳地，基板1被永久地固定到诸如CCD阵列的传感器4。这可以利用粘合剂或本领域中已知的其他手段来完成。图5图示图1的组件的一个实施例，未显示的传感器被附接到基板1。凹槽20被用于在它被固定到基板1之前相对于传感器4(图5中未显示)对准基板1，在图5的实施例中显示的凹槽20仅仅在定位销11的下面，不过这个位置不是关键性的。例如，杆(未显示)或其他这种直的元件可以被设定在凹槽20中，以便将影子投射在传感器4上，可以利用传感器4主动地传感该影子。就CCD传感器来说，凹槽20将被设计成在基板1中，以致杆或其他直的元件的影子与传感器4的行或列对准，允许基板1相对于传感器4的精密的转动对准。较佳地，凹槽20也被定位在基板1上，以致使用的直的元件不妨碍对准区域5。

因此，这里描述的是用于在传感器4的前面精确定位波前析象管的装置的一个实施例，波前析象管诸如是小透镜阵列18，传感器4诸如是CCD传感器。这个用于定位的装置处理对准调整的六个等级：通过使用球13的两个横向对准(在传感器的平面中)，通过使用球的几何结构和在销对内的合销的相对定向的纵向校准(与传感器正交)，通过球和合销对的相互作用的关于与传感器正交的轴的转动对准，以及通过球和合销对的相互作用的关于两个正交轴的转动对准，两个正交轴中的每一个再与前一个转动轴正交。另外，该定位装置没有相对于传感器永久地安装析象管，而是允许用户要用另一个析象管来替换或互换析象管，同时相对于传感器精确地保持一体化的析象管的位置，以致与由相对于传感器永久地安装析象管的波前传感器做出的测量相比，不降低波前测量的准确度和精确度。

例如，图6图示了成套部件30的一个实施例，成套部件30包括由与传感器36(例如，诸如CCD摄像机)结合的基板34定义的SH传感器系统32，中间板44，以及容纳在例如波前析象管板42中的诸如微透镜阵列的波前析象管40。例如，另外的波前析象管50和60可以被设置在成套部件30中和/或被分开出售，用于供SH传感器系统32使用，其中每个波前析象管在与SH传感器系统32结合的时候可以相对于传感器36呈现不同的光学特性，包括但不限于焦距或透镜节距。例如，与波前析象管40相对于中间板44的位置相比较，波前析象管50远离与基板34接合的中间板54被定位，因此与波前析象管40或波前析象管60的焦距相比较，波前析象管50呈现更大的焦距。同样地，虽然波前析象管40和60可以具有相同的焦距，但是一个波前析象管可以具有不同的透镜节距。因此，各种波前析象管可以被设置成呈现在给定环境或应用中将是有益的不同的光学特性或特征。

同样被设置在图6的成套部件30中的是工具70，工具70具有接合端72，用于帮助各种微透镜阵列40、50和60与基板34的接合和脱离。具体地，工具70的接合端72能够与设置在中间板44、54和64中的开口46、56和66可靠地接合，以便经由设置在系统32的表面上的支架38操纵这种具有中间板的波前析象管，中间板44、54和64分别与波前析象管40、50和60结合(同样参见例如图1和3中显示的具有通孔16和17的工具的接合的以上论述)。图7图示了具有安装到基板34的波前析象管40和析象管板42的SH传感器系统32。较佳地，支架38带螺纹以容纳滤光器(未显示)，以便帮助防止设置在传感器36和透镜筒中的传感器像素的饱和，从而减少散射光，以及允许另外的光学部件(未显示)的安装。根据空间分辨率(小透镜节距)、焦距、波前灵敏度和动态范围，诸如微透镜阵列的波前析象管的更换允许对于不同应用的经济的切换，不同的应用需要不同的波前传感器规格。安装在波前析象管板中的每个微透镜阵列可以与相同的基板34和传感器36连接。在一个实例中，一个微透镜阵列可以包括铬掩模微透镜阵列，铬掩模微透镜阵列防止光经过微透镜之间。铬掩模显著地增大来自微透镜阵列的表面的背反射的强度，但是，它可以被使用在广泛的工作波长的范围内(300-1100nm)。其他微透镜阵列可以被涂布AR(400-900nm)，并且适合于对背反射敏感的应用。其他微透镜阵列是可能的。每个微透镜阵列可以被预先安装到析象管板，并且相对于传感器被校准，或者它可以被设置成不被安装，以及可以要求对析象管板的安装和相对于传感器的校准。

图8和9图示了SH传感器后面的一般的功能原理，SH传感器基本上由诸如CCD摄像机的光学传感器组成，光学传感器具有被安装在传感器芯片的前面的规定距离中的微透镜阵列。每个微透镜产生光点到传感器上，而光点重心位置取决于透镜区域前面的波前斜度。小透镜阵列的每个微透镜聚集落到其孔径上的光，并在位于小透镜后面的焦距的检测器平面(CCD摄像机)上产生单个光点。仅仅在发射的波前是平面的并且平行于小透镜的平面的情况下，在光轴或每个透镜上，光点位置在透镜的后面是直的。这些被称为参考光点位置(Reference Spot Positions)或参考光点区域(Reference Spot field)。但是，在常用情况下，当前的光点位置将在X和/或Y方向上被偏离，即，每个光点将远离其相关微透镜的光轴Z，分开角度α。

参照图9，可以表明，这是由入射波前与参考波前相比具有相同的平均角α造成的。

tanα＝Δz/Δy＝δy/f_ML

当W(x，y)描述波前的形状时，所以其相对于x和y的部分推导分别由光点变换δx和δy确定，以及由通常作为微透镜f_ML的焦距的微透镜和检测器之间的距离确定。

$\∂/\∂x\·W(x,y)=\mathrm{\δx}/f_{\mathrm{ML}}$ $\∂/\∂y\·W(x,y)=\mathrm{\δy}/f_{\mathrm{ML}}$

通过计算所有可检测的光点的质心坐标并且之后减去相应的参考坐标，确定光点偏差δx和δy。这些光点偏差被合并在给出波前W(x，y)的2维整合处理内。

虽然已经关于几个描述的实施例，很详尽具体地描述了本发明，但是不意欲将本发明局限于任何这种细节或实施例或任何具体的实施例，而是参照附加的权利要求书被解释，以便考虑到现有技术，提供这种权利要求的广泛的可能的解释，并且因此有效地拥有本发明想要的范围。此外，上文描述了根据发明人预见的实施例的本发明，开放的描述对于发明人是可用的，尽管目前没有预见的本发明的无实体的变形例可以仍然表示其同等物。

Claims (12)

1.一种夏克哈特曼波前传感器，其特征在于，包括：

a）用于分析入射光波的光波前析象管；

b）用于检测分析的入射光波的光学系统；和

c）可拆卸的运动学支架，用于将所述光波前析象管可重复地精密安装到所述光学系统；

其中所述可拆卸的运动学支架进一步包括：

安装到所述光学系统的基座构件；

安装到所述光波前析象管的配合构件；

在所述基座构件和所述配合构件中的一个构件上的多个球；

在所述基座构件和所述配合构件中的另一个构件上的多个球座；

其中每个球座进一步包括形成合销对的多个间隔开的、径向延伸的合销；

配置在每个合销对之间的凹进的球兜孔；

其中每个合销对在所述基座构件和所述配合构件中的一个构件的外表面之内被局部地凹进，并且每个球在所述基座构件和所述配合构件中的另一个构件之内被局部地凹进；

配置在所述基座构件和所述配合构件的每一个上的多个磁体，所述多个磁体将所述基座和配合构件吸引在一起；

配置在每个合销对周围的一对磁体；

其中所述基座构件上的至少两个磁体具有相反的极性。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述基座构件上的每个磁体具有相同的极性，并且所述配合构件上的每个磁体具有与所述基座构件上的磁体的极性相反的极性。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光学系统是CCD（电荷耦合器件）照相机。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光波前析象管进一步包括小透镜阵列。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，进一步包括从所述基座构件和所述配合构件中的一个构件向外延伸的正交对准构件。

6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，进一步包括在所述基座构件和所述配合构件中的另一个构件中适合于容纳所述正交对准构件的对准口。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，进一步包括配置在所述基座构件中的用于容纳校准构件的凹槽，所述校准构件用于所述基座构件与所述光学系统的转动对准。

8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述配合构件进一步包括用于容纳工具的工具通道，所述工具用于在所述基座构件和所述配合构件被接合时，使所述配合构件脱离所述基座构件。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光波前析象管被安装到光学装置支持器，所述光学装置支持器被进一步安装到所述配合构件。

10.一种夏克哈特曼波前传感器系统，其特征在于，包括：

a）用于分析入射光波的第一波前析象管；

b）用于接收分析的入射光波的光学系统；

c）限定在所述第一波前析象管和所述光学系统之间的第一光学特性；和

d）可与所述第一波前析象管互换的至少一个其他波前析象管，用于分析入射光波并且限定在所述至少一个其他波前析象管和所述光学系统之间的第二光学特性；

e）每个波前析象管通过可拆卸的运动学支架可拆卸地安装以及可运动学地安装到所述光学系统；

其中所述可拆卸的运动学支架进一步包括：

安装到所述光学系统的基座构件；

安装到所述光波前析象管的配合构件；

在所述基座构件和所述配合构件中的一个构件上的多个球；

在所述基座构件和所述配合构件中的另一个构件上的多个球座；

其中每个球座进一步包括形成合销对的多个间隔开的、径向延伸的合销；

配置在每个合销对之间的凹进的球兜孔；

其中每个合销对在所述基座构件和所述配合构件中的一个构件的外表面之内被局部地凹进，并且每个球在所述基座构件和所述配合构件中的另一个构件之内被局部地凹进；

配置在所述基座构件和所述配合构件的每一个上的多个磁体，所述多个磁体将所述基座和配合构件吸引在一起；

配置在每个合销对周围的一对磁体；

其中所述基座构件上的至少两个磁体具有相反的极性。

11.如权利要求10所述的传感器系统，其特征在于，所述第一光学特性和所述第二光学特性是不同的焦距。

12.如权利要求10所述的传感器系统，其特征在于，所述第一波前析象管和所述至少一个其他波前析象管中的每一个包括小透镜阵列，并且所述第一光学特性和所述第二光学特性是与每个波前析象管结合的每个小透镜阵列的不同的透镜节距。

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