CN102865932B - 由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器 - Google Patents

Abstract

由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器属于光学测试仪器技术领域。现有哈特曼传感器扩大动态范围会降低测量精度。在本发明中，光路缩束系统与微透镜阵列同轴分布，光电探测器的感光面位于微透镜阵列的焦平面处，光电探测器与波前处理机电连接，所述微透镜阵列为球面布置微透镜阵列，所述光电探测器为球面探测器，球面布置微透镜阵列、球面探测器球面同心并位于点O，球面布置微透镜阵列中的每一个微透镜的光轴均与点O相交，并且，球面布置微透镜阵列的曲率半径r₁和球面探测器的曲率半径r₂的耦合关系为：

，式中：n为微透镜的折射率，θ为与球面布置微透镜阵列同轴的微透镜和与其相邻的一个微透镜二者光轴夹角，f′为微透镜的焦距。

Description

由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器

技术领域

本发明涉及一种由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器，属于光学测试仪器技术领域。

背景技术

哈特曼传感器是一种可动态测量、对环境要求低、测量精度高的传感器，主要用于各种波前测量仪器。现有哈特曼传感器是由光路缩束系统、微透镜阵列、光电探测器以及波前处理机组成。光路缩束系统与微透镜阵列同轴分布，光电探测器的感光面位于微透镜阵列的焦平面处，由光电探测器输出的信号传输给波前处理机，由波前处理机处理后得到实时波前复原数据。动态范围是设计和使用哈特曼传感器的一个非常重要的特征参数。哈特曼传感器动态范围的含义为，不使被测波前经过微透镜阵列聚焦后的焦点溢出它所对应的子孔径时所能测量得到的被测波前最大局部波前斜率。扩大哈特曼传感器动态范围的措施是通过减少哈特曼传感器的子孔径数目，或者使用短焦距微透镜阵列和大靶面光电探测器，不过这些措施会降低哈特曼传感器的测量精度。在实际设计哈特曼传感器时，为了获得大的动态范围，不得不牺牲测量精度。另外，短焦距微透镜阵列加工和装调难度较大，大靶面光电探测器价格较高。

发明内容

本发明其目的在于扩大哈特曼传感器动态范围，同时保证哈特曼传感器测量精度并不因此而降低，为此我们发明了一种由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器，由球面布置微透镜阵列及球面探测器取代现有哈特曼传感器中的平面微透镜阵列和平面CCD探测器，相对增大了探测器的面积，从而扩大哈特曼传感器测量波面的动态范围。

本发明之由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器由光路缩束系统1、微透镜阵列、光电探测器以及波前处理机2组成，光路缩束系统1与微透镜阵列同轴分布，光电探测器的感光面位于微透镜阵列的焦平面处，光电探测器与波前处理机2电连接，其特征在于，所述微透镜阵列为球面布置微透镜阵列3，所述光电探测器为球面探测器4，见图1所示，球面布置微透镜阵列3、球面探测器4球面同心并位于点O，球面布置微透镜阵列3中的每一个微透镜的光轴均与点O相交，并且，球面布置微透镜阵列3的曲率半径r₁和球面探测器的曲率半径r₂的耦合关系为：

$r_2=r_1+f^{\′}\frac{1-\frac{\cos \mathrm{\θ}}{n}\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}+\frac{1}{n}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{1-\cos \mathrm{\θ}}$ ，

式中：n为微透镜的折射率，θ为与球面布置微透镜阵列3同轴的微透镜和与其相邻的一个微透镜二者光轴夹角，f′为微透镜的焦距，见图2所示。

本发明其技术效果在于，与平面微透镜阵列相比，球面布置微透镜阵列3的焦距短、靶面面积大，在测量精度相同的前提下，哈特曼传感器的动态范围扩大。并且，球面探测器4的曲率与球面布置微透镜阵列3曲率相耦合，能够减小畸变，提高弥散斑的均匀性。一个附带的效果是，与平面微透镜阵列相比，球面布置微透镜阵列3具有收集光信息视角大、时间分辨率高等昆虫复眼的光学特性，这使得本发明之哈特曼传感器特别适合军事、医疗和航天技术等领域。

附图说明

图1是本发明之由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器结构示意图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器中的球面布置微透镜阵列与球面探测器的耦合关系示意图。

具体实施方式

本发明之由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器由光路缩束系统1、微透镜阵列、光电探测器以及波前处理机2组成，光路缩束系统1与微透镜阵列同轴分布，光电探测器的感光面位于微透镜阵列的焦平面处，光电探测器与波前处理机2电连接，波前处理机2由一台计算机担当。所述微透镜阵列为球面布置微透镜阵列3，所述光电探测器为球面探测器4，见图1所示，球面布置微透镜阵列3、球面探测器4球面同心并位于点O，球面布置微透镜阵列3中的每一个微透镜的光轴均与点O相交，并且，球面布置微透镜阵列3的曲率半径r₁和球面探测器的曲率半径r₂的耦合关系为：

$r_2=r_1+f^{\′}\frac{1-\frac{\cos \mathrm{\θ}}{n}\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}+\frac{1}{n}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{1-\cos \mathrm{\θ}}$ ，

式中：n为微透镜的折射率，θ为与球面布置微透镜阵列3同轴的微透镜和与其相邻的一个微透镜二者光轴夹角，f′为微透镜的焦距，见图2所示。

所述由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器的工作过程如下：被测波前经过光路缩束系统1成为平行光，该平行光由球面布置微透镜阵列3聚焦到与球面布置微透镜阵列3的球面基片曲率相配合的球面探测器4上，也就是由球面布置微透镜阵列3将波面分割成很多小的子波面，并聚焦到位于球面布置微透镜阵列3的焦平面处的球面探测器4上，根据球面探测器4上的靶面能量的分布情况计算质心位置，由波前处理机2将球面探测器4测得的信号进行波前重构，得到实时波前。

Claims (1)

1.一种由球面布置微透镜阵列及球面探测器构成的哈特曼传感器，由光路缩束系统（1）、微透镜阵列、光电探测器以及波前处理机（2）组成，光路缩束系统（1）与微透镜阵列同轴分布，光电探测器的感光面位于微透镜阵列的焦平面处，光电探测器与波前处理机（2）电连接，其特征在于，所述微透镜阵列为球面布置微透镜阵列（3），所述光电探测器为球面探测器（4），球面布置微透镜阵列（3）、球面探测器（4）球面同心并位于点O，球面布置微透镜阵列（3）中的每一个微透镜的光轴均与点O相交，并且，球面布置微透镜阵列（3）的曲率半径r₁和球面探测器的曲率半径r₂的耦合关系为：

$r_2=r_1+f^{\text{'}}\frac{1-\frac{\cos \mathrm{\θ}}{n}\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}+\frac{1}{n}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{1-\cos \mathrm{\θ}},$

式中：n为微透镜的折射率，θ为与球面布置微透镜阵列（3）同轴的微透镜和与其相邻的一个微透镜二者光轴的夹角，f′为微透镜的焦距。

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