CN106959207A - 自聚焦透镜透射波前测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学领域，涉及一种自聚焦透镜透射波前测量装置及方法，该自聚焦透镜透射波前测量装置包括光源、汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构、夏克‑哈特曼波前传感器以及控制计算机；汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构以及夏克‑哈特曼波前传感器依次设置在光源的出射光路上；夏克‑哈特曼波前传感器与控制计算机相连；待测自聚焦透镜置于第一显微物镜与第二显微物镜之间。本发明提供了一种不受外界环境影响以及能够保证测试精度的基于夏克‑哈特曼波前传感器实现自聚焦透镜透射波前测量的装置及方法。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种自聚焦透镜透射波前测量装置及方法，尤其涉及一种基于夏克-哈特曼波前传感器实现自聚焦透镜透射波前测量的装置及方法。
背景技术
自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。其能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点。由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，不仅成功地应用于成像领域(复印机、传真机、内窥镜和光盘透镜等)，而且在光纤通信中，广泛应用于光隔离器、光环形器、波分复用器和光滤波等无源器件以及有源耦合器件中。
对自聚焦透镜透射波前进行动态高精度测量，从而直观得到自聚焦透镜像差与其折射率分布的关系。这将对自聚焦透镜生产工艺的改进，从而提高其成像性能，具有重要的工程价值。
目前，多采用激光干涉仪法测量光学透射波前。由于自聚焦透镜工作波段为可见光，数值孔径大，外形尺寸小，且两端面为平行平面，采用干涉法测量自聚焦透镜透射波前存在如下缺点：1)激光干涉仪单波长工作，无法实现白光透射波前测量；2)压电陶瓷驱动的静态相移式激光干涉仪易受空气气流扰动和振动的影响，动态激光干涉仪只在特定波段工作，且测试效率和经济性差；3)由于自聚焦透镜两端面反射，使得干涉条纹相互叠加，严重影响透射波前测量结果。因此，采用激光干涉仪无法满足自聚焦透镜透射波前测试需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种不受外界环境影响以及能够保证测试精度的基于夏克-哈特曼波前传感器实现自聚焦透镜透射波前测量的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述自聚焦透镜透射波前测量装置包括光源、汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构、夏克-哈特曼波前传感器以及计算机；所述汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构以及夏克-哈特曼波前传感器依次设置在光源的出射光路上；所述夏克-哈特曼波前传感器与计算机相连；待测自聚焦透镜置于第一显微物镜与第二显微物镜之间。
上述靶板置于准直镜的焦点位置；所述靶板上设置有透光孔；所述透光孔的直径满足如下关系：
d＝2.44λf/D
其中：
λ为光源的中心波长；
f为准直镜的焦距；
D为准直镜的通光口径；
d是靶板上透光孔的直径。
上述第一显微物镜与第二显微物镜的数值孔径均大于待测自聚焦透镜的数值孔径。
上述定位基准结构置于夏克-哈特曼波前传感器的前端。
上述定位基准结构是一金属板，该金属板上设置有锥形透光孔；所述锥形透光孔的中心与夏克-哈特曼波前传感器的靶面中心重合。
上述准直镜是消色差准直镜。
上述光阑是消杂光光阑。
上述光源是可见光波段范围内的单色光源或白光源。
一种自聚焦透镜透射波前测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)搭建自聚焦透镜透射波前测量系统并对自聚焦透镜透射波前测量系统的波前误差进行标定；
2)根据自聚焦透镜透射波前测量系统对待测自聚焦透镜的波前进行测量。
上述步骤1)的具体实施方式是：
1.1)搭建自聚焦透镜透射波前测量系统，所述自聚焦透镜透射波前测量系统包括光源、汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构、夏克-哈特曼波前传感器以及控制计算机；所述汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构以及夏克-哈特曼波前传感器依次设置在光源的出射光路上；所述夏克-哈特曼波前传感器与控制计算机相连；待测自聚焦透镜置于第一显微物镜与第二显微物镜之间；
1.2)对自聚焦透镜透射波前测量系统的波前误差进行标定：光源输出发散光经会聚镜会聚到靶板的透光孔上，再经准直镜准直输出，通过光阑以及第一显微物镜会聚，再通过第二显微物镜，入射至夏克-哈特曼波前传感器上，通过控制计算机并分析后得到扣除离焦的波前为W0；然后，将定位基准结构固定到夏克-哈特曼波前传感器前端，记录光斑的质心位置，此位置为透射波前测量基准位置；
所述步骤2)的具体实现方式是：
将待测自聚焦透镜置于测试光路中；光源输出发散光经会聚镜会聚到靶板的透光孔上，再经准直镜准直输出，通过光阑和第一显微物镜会聚到待测自聚焦透镜的物方位置，经待测自聚焦透镜和第二显微物镜准直成平行光，通过定位基准机构入射至夏克-哈特曼波前传感器上；调节待测自聚焦透镜的姿态，通过控制计算机实时监测，保证光斑位置与系统波前误差标定的基准位置重合；此时，取下定位基准机构，计算得到测量波前为W1，则待测自聚焦透镜的透射波前W测为：
W测＝W1-W0。
本发明的优点是：
本发明提供了一种自聚焦透镜透射波前测量装置及方法，该自聚焦透镜透射波前测量装置包括光源、汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构、夏克-哈特曼波前传感器以及控制计算机；汇聚镜、靶板、准直镜、光阑、第一显微物镜、第二显微物镜、定位基准结构以及夏克-哈特曼波前传感器依次设置在光源的出射光路上；夏克-哈特曼波前传感器与控制计算机相连；待测自聚焦透镜置于第一显微物镜与第二显微物镜之间。本发明所提供的自聚焦透镜透射波前测量装置是基于夏克-哈特曼波前传感器实现了动态高精度自聚焦透镜的透射波前测量，弥补了传统激光干涉仪无法测量的缺点；采用大数值孔径双显微物镜实现了自聚焦透镜的透射波前测量，不受自聚焦透镜数值孔径的限制，不受外界环境(空气气流扰动、振动等)的影响；通过事先对测量系统波前误差标定，实际测量结果将扣除系统波前误差，从而提高了自聚焦透镜透射波前测量精度；结构简单、稳定性高、重复性好，测量结果置信度高。
附图说明
图1是本发明所提供的自聚焦透镜透射波前测量装置的结构示意图；
其中：
1-光源；2-汇聚镜；3-靶板；4-准直镜；5-光阑；6-第一显微物镜；7-待测自聚焦透镜；8-第二显微物镜；9-定位基准结构；10-夏克-哈特曼波前传感器；11-计算机。
具体实施方式
参见图1，本发明提供了一种自聚焦透镜透射波前测量装置，该自聚焦透镜透射波前测量装置包括光源1、汇聚镜2、靶板3、准直镜4、光阑5、第一显微物镜6、第二显微物镜8、定位基准结构9、夏克-哈特曼波前传感器10以及计算机11；汇聚镜2、靶板3、准直镜4、光阑5、第一显微物镜6、第二显微物镜8、定位基准结构9以及夏克-哈特曼波前传感器10依次设置在光源1的出射光路上；夏克-哈特曼波前传感器10与计算机11相连；待测自聚焦透镜7置于第一显微物镜6与第二显微物镜8之间。图1中，黑实线为固定装置，虚线为测试区域。
其中，靶板3置于准直镜4的焦点位置；靶板3上设置有透光孔；透光孔的直径满足如下关系：
d＝2.44λf/D
其中：
λ为光源1的中心波长；
f为准直镜4的焦距；
D为准直镜4的通光口径；
d是靶板3上透光孔的直径。
第一显微物镜6与第二显微物镜8的数值孔径均大于待测自聚焦透镜7的数值孔径；定位基准结构9置于夏克-哈特曼波前传感器10的前端，可方便拆除；定位基准结构9上设置有锥形透光孔；锥形透光孔的中心与夏克-哈特曼波前传感器10的靶面中心重合；准直镜4是消色差准直镜，保证可见光波段范围内不同波长光准直性一致；光阑5是消杂光光阑，可消除背景杂光对测量结果的影响；光源1是可见光波段范围内的单色光源或白光源。待测自聚焦透镜7固定在五维调整机构上。
本发明在提供一种自聚焦透镜透射波前测量装置的同时，还提供了一种自聚焦透镜透射波前测量方法，该方法包括以下步骤：
1)搭建自聚焦透镜透射波前测量系统并对自聚焦透镜透射波前测量系统的波前误差进行标定：
1.1)搭建自聚焦透镜透射波前测量系统，自聚焦透镜透射波前测量系统包括光源1、汇聚镜2、靶板3、准直镜4、光阑5、第一显微物镜6、第二显微物镜8、定位基准结构9、夏克-哈特曼波前传感器10以及控制计算机11；汇聚镜2、靶板3、准直镜4、光阑5、第一显微物镜6、第二显微物镜8、定位基准结构9以及夏克-哈特曼波前传感器10依次设置在光源1的出射光路上；夏克-哈特曼波前传感器10与计算机11相连；待测自聚焦透镜7置于第一显微物镜6与第二显微物镜8之间；
1.2)对自聚焦透镜透射波前测量系统的波前误差进行标定：光源1输出发散光经会聚镜2会聚到靶板3的透光孔上，再经准直镜4准直输出，通过光阑5以及第一显微物镜6会聚，再通过第二显微物镜8，入射至夏克-哈特曼波前传感器10上，通过计算机11及波前采集及分析软件得到扣除离焦的波前为W0；然后，将定位基准结构9固定到夏克-哈特曼波前传感器10前端，记录光斑的中心位置，此位置为透射波前测量基准位置；
2)根据自聚焦透镜透射波前测量系统对待测自聚焦透镜7的波前进行测量。
将待测自聚焦透镜7置于测试光路中；光源1输出发散光经会聚镜2会聚到靶板3的透光孔上，再经准直镜4准直输出，通过光阑5和第一显微物镜6会聚到待测自聚焦透镜7的物方位置，经待测自聚焦透镜7和第二显微物镜8准直成平行光，通过定位基准机构9入射至夏克-哈特曼波前传感器10上；调节待测自聚焦透镜7的姿态，通过计算机11及波前采集分析软件实时监测，保证光斑位置与系统波前误差标定的基准位置重合；此时，取下定位基准机构9，通过波前分析软件计算得到测量波前为W1，扣除系统的波前误差W0，得到待测自聚焦透镜7的透射波前W测为：
W测＝W1-W0。
Claims (10)
1.一种自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述自聚焦透镜透射波前测量装置包括光源(1)、汇聚镜(2)、靶板(3)、准直镜(4)、光阑(5)、第一显微物镜(6)、第二显微物镜(8)、定位基准结构(9)、夏克-哈特曼波前传感器(10)以及控制计算机(11)；所述汇聚镜(2)、靶板(3)、准直镜(4)、光阑(5)、第一显微物镜(6)、第二显微物镜(8)、定位基准结构(9)以及夏克-哈特曼波前传感器(10)依次设置在光源(1)的出射光路上；所述夏克-哈特曼波前传感器(10)与控制计算机(11)相连；待测自聚焦透镜(7)置于第一显微物镜(6)与第二显微物镜(8)之间。
2.根据权利要求1所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述靶板(3)置于准直镜(4)的焦点位置；所述靶板(3)上设置有透光孔；所述透光孔的直径满足如下关系：
d＝2.44λf/D (1)
其中：
λ为光源(1)的中心波长；
f为准直镜(4)的焦距；
D为准直镜(4)的通光口径；
d是靶板(3)上透光孔的直径。
3.根据权利要求2所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述第一显微物镜(6)与第二显微物镜(8)的数值孔径均大于待测自聚焦透镜(7)的数值孔径。
4.根据权利要求1或2或3所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述定位基准结构(9)置于夏克-哈特曼波前传感器(10)的前端。
5.根据权利要求4所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述定位基准结构(9)是金属板，所述金属板上设置有锥形透光孔；所述锥形透光孔的中心与夏克-哈特曼波前传感器(10)的靶面中心重合。
6.根据权利要求5所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述准直镜(4)是消色差准直镜。
7.根据权利要求6所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述光阑(5)是消杂光光阑。
8.根据权利要求7所述的自聚焦透镜透射波前测量装置，其特征在于：所述光源(1)是可见光波段范围内的单色光源或白光源。
9.一种自聚焦透镜透射波前测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)搭建自聚焦透镜透射波前测量系统并对自聚焦透镜透射波前测量系统的波前误差进行标定；
2)根据自聚焦透镜透射波前测量系统对待测自聚焦透镜(7)的波前进行测量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实施方式是：
1.1)搭建自聚焦透镜透射波前测量系统，所述自聚焦透镜透射波前测量系统包括光源(1)、汇聚镜(2)、靶板(3)、准直镜(4)、光阑(5)、第一显微物镜(6)、第二显微物镜(8)、定位基准结构(9)、夏克-哈特曼波前传感器(10)以及控制计算机(11)；所述汇聚镜(2)、靶板(3)、准直镜(4)、光阑(5)、第一显微物镜(6)、第二显微物镜(8)、定位基准结构(9)以及夏克-哈特曼波前传感器(10)依次设置在光源(1)的出射光路上；所述夏克-哈特曼波前传感器(10)与控制计算机(11)相连；待测自聚焦透镜(7)置于第一显微物镜(6)与第二显微物镜(8)之间；
1.2)对自聚焦透镜透射波前测量系统的波前误差进行标定：光源(1)输出发散光经会聚镜(2)会聚到靶板(3)的透光孔上，再经准直镜(4)准直输出，通过光阑(5)以及第一显微物镜(6)会聚，再通过第二显微物镜(8)，入射至夏克-哈特曼波前传感器(10)上，通过控制计算机(11)并分析后得到扣除离焦的波前为W0；然后，将定位基准结构(9)固定到夏克-哈特曼波前传感器(10)前端，记录光斑的中心位置，此位置为透射波前测量基准位置；
所述步骤2)的具体实现方式是：
将待测自聚焦透镜(7)置于测试光路中；光源(1)输出发散光经会聚镜(2)会聚到靶板(3)的透光孔上，再经准直镜(4)准直输出，通过光阑(5)和第一显微物镜(6)会聚到待测自聚焦透镜(7)的物方位置，经待测自聚焦透镜(7)和第二显微物镜(8)准直成平行光，通过定位基准机构(9)入射至夏克-哈特曼波前传感器(10)上；调节待测自聚焦透镜(7)的姿态，通过控制计算机(11)实时监测，保证光斑位置与系统波前误差标定的基准位置重合；此时，取下定位基准机构(9)，计算得到测量波前为W1，则待测自聚焦透镜(7)的透射波前W测为：
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