CN110455420B - 波前测量设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种波前测量设备，包括激光器、光处理模块、检测模块、哈特曼波前测量模块和干涉波前测量模块；光处理模块用于接收激光器发射的光线，并将光线分别反射形成参考光和待测光，且参考光和待测光相叠加形成叠加光；检测模块用于接收叠加光并检测参考光与待测光的光路重合度；哈特曼波前测量模块用于接收叠加光并通过哈特曼波前处理算法得出叠加光的波前误差；干涉波前测量模块用于接收叠加光并对叠加光的干涉条纹图进行处理得出叠加光的波前误差。在使用时，哈特曼波前测量模块能够测量出叠加光较大的波前误差范围，干涉波前测量模块能够测量出叠加光较高的波前精度，具有能测量大范围的波前误差同时获得高精度结果的有益效果。

Description

波前测量设备
【技术领域】
本申请涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种波前测量设备。
【背景技术】
波前是指波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点构成的面，我们把波动过程中,介质中振动相位相同的点连成的面称为波阵面,而波阵面中走在最前面的那个波阵面即为波前。
随着现代工业和科学技术的飞速发展，高精密波前测量技术也在不断创新。现有技术中的波前测量方法主要有干涉波前测试法和哈特曼波前测试法，其中，干涉波前测试法的测量精度较高，但是波前误差测量范围较小；哈特曼波前测试法的波前误差测量范围较大，但测量精度较低。
【发明内容】
有鉴于此，本申请实施例提供了一种波前测量设备，用以解决现有技术中的干涉波前测试法波前误差测量范围小或哈特曼波前测试法测量精度低的问题。
本申请提供了一种波前测量设备，包括激光器、光处理模块、检测模块哈特曼波前测量模块和干涉波前测量模块；
光处理模块用于接收所述激光器发射的光线，并将所述光线分别反射形成参考光和待测光，且所述参考光和所述待测光相叠加形成叠加光；
检测模块用于接收所述叠加光，并检测所述参考光与所述待测光的光路重合度；
哈特曼波前测量模块用于接收所述叠加光，并通过哈特曼波前处理算法得出所述叠加光的波前误差；
干涉波前测量模块用于接收所述叠加光，并对所述叠加光的干涉条纹图进行处理得出所述叠加光的波前误差。
进一步地，所述波前测量设备还包括第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜；
所述第一分光镜与所述激光器发射的光线呈锐角设置，用于将所述激光器发射的光线反射于所述第二分光镜，或将所述第二分光镜反射的光线透射于所述第三分光镜；
所述第二分光镜与所述第一分光镜反射的光线呈锐角设置，用于将所述第一分光镜反射的光线反射于所述光处理模块，或将所述光处理模块反射的光线部分反射于所述第一分光镜和部分透射于所述检测模块；
所述第三分光镜与所述第一分光镜透射的光线呈锐角设置，用于将所述第一分光镜透射的光线部分反射于所述哈特曼波前测量模块和部分透射于所述干涉波前测量模块。
进一步地，所述光处理模块包括沿光线入射所述光处理模块的方向依次设置的标准镜和待测镜；
所述标准镜用于将所述第二分光镜反射的光线部分反射形成所述参考光，和将所述第二分光镜反射的光线部分透射于所述待测镜；
所述待测镜用于将所述标准镜透射过来的光线反射形成所述待测光，且所述待测光和所述参考光相叠加形成叠加光。
进一步地，所述待测镜与所述标准镜之间形成自准直光路，且所述待测镜能够调整与所述标准镜之间的相对位置关系，以调节所述参考光与所述待测光的光路重合度。
进一步地，所述光处理模块还包括准直镜；
沿光线入射所述光处理模块的方向，所述准直镜设置于所述标准镜的前方，用于将所述第二分光镜反射的光线准直并透射于所述标准镜。
进一步地，所述检测模块包括沿光线入射所述检测模块的方向依次设置的凸透镜和第一探测器；
所述凸透镜用于将所述叠加光会聚透射于所述第一探测器；
所述第一探测器用于检测所述参考光与所述待测光的光路重合度。
进一步地，所述波前测量设备还包括反光镜；
沿光线入射所述检测模块的方向，所述反光镜设置于所述凸透镜的前方并与所述第二分光镜透射的光线呈锐角设置，用于将所述第二分光镜透射的光线反射于所述凸透镜。
进一步地，所述哈特曼波前测量模块包括沿光线入射所述哈特曼波前测量模块的方向依次设置的微透镜阵列、第二探测器和第一图像处理系统；
所述微透镜阵列用于将所述第三分光镜反射的光线处理生成焦点阵列图；
所述第二探测器设置于所述微透镜阵列的焦面处，用于探测采集所述焦点阵列图的图像信息，并输送至所述第一图像处理系统；
所述第一图像处理系统用于接收并处理所述图像信息得出波前误差。
进一步地，所述哈特曼波前测量模块还包括透镜组；
沿光线入射所述哈特曼波前测量模块的方向，所述透镜组设置于所述微透镜阵列的前方，用于将所述第三分光镜反射的光线准直并透射于所述微透镜阵列。
进一步地，所述干涉波前测量模块包括沿光线入射所述干涉波前测量模块的方向依次设置的成像系统、第三探测器和第二图像处理系统；
所述成像系统用于将所述第三分光镜透射的光线处理生成干涉条纹图；
所述第三探测器设置于所述成像系统的像面处，用于探测采集所述干涉条纹图的图像信息，并输送至所述第二图像处理系统；
所述第二图像处理系统用于接收并处理所述图像信息得出波前误差。
结合以上技术方案，本申请的有益效果分析如下：
本申请提供的波前测量设备包括激光器、光处理模块、检测模块、哈特曼波前测量模块和干涉波前测量模块。在使用时，光处理模块将激光器发出的光线反射形成参考光和待测光，且参考光和待测光形成叠加光，同时通过哈特曼波前测量模块和干涉波前测量模块处理叠加光，哈特曼波前测量模块能够测量出叠加光较大的波前误差范围，然后通过干涉波前测量模块可以对特定误差范围内的波前测量，从而能够得出较大的波前误差范围中的波前的高精度测量结果，因此，本申请提供的波前测量设备具有能测量大范围的波前误差同时获得高精度结果的有益效果。
本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点在说明书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请提供的波前测量设备的结构示意图。
附图标记：
1-激光器；
2-光处理模块；
21-标准镜21；
22-待测镜22；
23-准直镜；
3-检测模块；
31-凸透镜31；
32-第一探测器；
4-哈特曼波前测量模块；
41-微透镜阵列；
42-第二探测器；
43-第一图像处理系统；
44-透镜组；
5-干涉波前测量模块；
51-成像系统；
52-第三探测器；
53-第二图像处理系统；
6-第一分光镜；
7-第二分光镜；
8-第三分光镜；
9-反光镜。
【具体实施方式】
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
下面根据本申请实施例提供的波前测量设备的结构，对其具体实施例进行说明。
图1为本申请提供的波前测量设备的结构示意图。
如图1所示，本申请实施例提供了一种波前测量设备，包括激光器1、光处理模块2、检测模块3哈特曼波前测量模块4和干涉波前测量模块5；
光处理模块2用于接收激光器1发射的光线，并将光线分别反射形成参考光和待测光，且参考光和待测光相叠加形成叠加光；
检测模块3用于接收叠加光，并检测参考光与待测光的光路重合度；
哈特曼波前测量模块4用于接收叠加光，并通过哈特曼波前处理算法得出叠加光的波前误差；
干涉波前测量模块5用于接收叠加光，并对叠加光的干涉条纹图进行处理得出叠加光的波前误差。
该波前测量设备在使用时，光处理模块2将激光器1发出的光线反射形成参考光和待测光，且参考光和待测光形成叠加光，同时通过哈特曼波前测量模块4和干涉波前测量模块5处理得出叠加光的波前误差，哈特曼波前测量模块能够测量出叠加光较大的波前误差范围，然后通过干涉波前测量模块可以对特定误差范围内的波前测量，从而能够得出较大的波前误差范围中的波前的高精度测量结果，因此，本申请提供的波前测量设备具有能测量大范围的波前误差同时获得高精度结果的有益效果。
本实施例的可选方案中，较为优选地，波前测量设备还包括第一分光镜6、第二分光镜7和第三分光镜8；
第一分光镜6与激光器1发射的光线呈锐角设置，用于将激光器1发射的光线反射于第二分光镜7，或将第二分光镜7反射的光线透射于第三分光镜8；
第二分光镜7与第一分光镜6反射的光线呈锐角设置，用于将第一分光镜6反射的光线反射于光处理模块2，或将光处理模块2反射的光线部分反射于第一分光镜6和部分透射于检测模块3；
第三分光镜8与第一分光镜6透射的光线呈锐角设置，用于将第一分光镜6透射的光线部分反射于哈特曼波前测量模块4和部分透射于干涉波前测量模块5。
具体的，如图1所示，第一分光镜6、第二分光镜7和第三分光镜8沿同一直线布置，这样的结构能够使哈特曼波前测量模块4和干涉波前测量模块5公用一条光路，有效减小该波前测量设备的体积。
具体的，第一分光镜6与激光器1发射的光线优选设置但不限于呈45度角，第二分光镜7与第一分光镜6反射的光线优选设置但不限于呈45度角，第三分光镜8与第一分光镜6透射的光线优选设置但不限于呈45度角。将各个分光镜优选设置成斜45度角，能够使各个分光镜的入射光线和反射光线垂直，能够进一步简化光路，更便于布置哈特曼波前测量模块4和干涉波前测量模块5。
本实施例的可选方案中，较为优选地，光处理模块2包括沿光线入射光处理模块2的方向依次设置的标准镜21和待测镜22；标准镜21用于将第二分光镜7反射的光线部分反射形成参考光，和将第二分光镜7反射的光线部分透射于待测镜22；待测镜22用于将标准镜21透射过来的光线反射形成待测光，且待测光和参考光相叠加形成叠加光。
具体的，如图1所示，将光处理模块2设置成标准镜21和待测镜22即可实现将第二分光镜7反射的光线分别反射形成相互叠加的参考光和待测光，结构简单、能有效减小光处理模块2的体积。哈特曼波前测量模块4在进行波前误差测量时，能够对标准镜21反射的参考光处理形成参考焦点阵列图，与待测镜22反射的待测光形成的待测焦点阵列图参照对比，以使哈特曼波前测量模块4测得二者的波前误差；干涉波前测量模块5在进行波前测量时，能够对标准镜21反射的参考光和待测镜22反射的待测光形成干涉条纹，测特定波前误差范围内的波前。
在使用，先单独设置标准镜21，此时光处理模块2仅产生参考光，哈特曼波前测量模块4将参考光处理形成参考焦点阵列图；再设置待测镜22，此时光处理模块2产生叠加光，并经检测模块3检测，调整叠加光的重合度，最后再通过哈特曼波前测量模块4、干涉波前测量模块5对叠加光的波前进行检测。光处理模块2中的标准镜21巧妙的作为公用的哈特曼波前测量模块4和干涉波前测量模块5的公用镜，简化了光路。
标准镜21的标准面可设置成球面或平面，当标准面为球面时，其反射的参考光和透射光均为球面波；当反射标准面为平面时，其反射的参考光和透射光均为平面波。
本实施例的可选方案中，较为优选地，待测镜22与标准镜21之间形成自准直光路，且待测镜22能够调整与标准镜21之间的相对位置关系，以调节叠加光的光路重合度。
待测镜22与标准镜21之间形成自准直光路，能够保证待测镜22反射的待测光和从标准镜21透射过来的参考光重合，确保参考光和待测光相叠加形成叠加光；检测模块3能够检测待测光与参考光的光路重合度，根据检测结果调整待测镜22与标准镜21之间的相对位置关系，确保待测光与参考光的光路重合度符合干涉波前测量模块5的要求。
本实施例的可选方案中，较为优选地，光处理模块2还包括准直镜23；沿光线入射光处理模块2的方向，准直镜23设置于标准镜21的前方，用于将第二分光镜7反射的光线准直并透射于标准镜21。
准直镜23能够将入射于标准镜21的光线进行准直，确保光线平行入射于标准镜21。
本实施例的可选方案中，较为优选地，检测模块3包括沿光线入射检测模块3的方向依次设置的凸透镜31和第一探测器32；凸透镜31用于将叠加光会聚透射于第一探测器32；第一探测器32用于检测叠加光的光路重合度。
凸透镜31能够将光线更好的地会聚于第一探测器32的探测头处，便于第一探测器32更好的检测待测光与参考光的光路重合度。
本实施例的可选方案中，较为优选地，波前测量设备还包括反光镜9；
沿光线入射检测模块3的方向，反光镜9设置于凸透镜31的前方并与第二分光镜7透射的光线呈锐角设置，用于将第二分光镜7透射的光线反射于凸透镜31。
反光镜9能够改变第二分光镜7透射的光线的照射方向，这样能够改变检测模块3的分布位置，能够进一步精简波前测量设备的体积。
本实施例的可选方案中，较为优选地，哈特曼波前测量模块4包括沿光线入射哈特曼波前测量模块4的方向依次设置的微透镜阵列41、第二探测器42和第一图像处理系统43。
微透镜阵列41用于将第三分光镜8反射的光线处理生成焦点阵列图；第二探测器42设置于微透镜阵列41的焦面处，用于探测采集焦点阵列图的图像信息，并输送至第一图像处理系统43；第一图像处理系统43用于接收并处理图像信息得出波前误差。
微透镜阵列41可以将参考光处理生成参考焦点阵列图、将待测光处理生成待测焦点阵列图，并通过第二探测器42采集焦点阵列图的图像信息并输送至第一图像处理系统43，通过第一图像处理系统43的处理算法即可侧得到待测镜22与标准镜21的波前误差范围。
本实施例的可选方案中，较为优选地，哈特曼波前测量模块4还包括透镜组44；沿光线入射哈特曼波前测量模块4的方向，透镜组44设置于微透镜阵列41的前方，用于将第三分光镜8反射的光线准直并透射于微透镜阵列41。透镜组44能够确保入射到哈特曼波前测量模块4的叠加光为平行光，便于微透镜阵列41处理叠加光生成焦点阵列图。
本实施例的可选方案中，较为优选地，干涉波前测量模块5包括沿光线入射干涉波前测量模块5的方向依次设置的成像系统51、第三探测器52和第二图像处理系统53。
成像系统51用于将第三分光镜8透射的光线处理生成干涉条纹图；第三探测器52设置于成像系统51的像面处，用于探测采集干涉条纹图的图像信息，并输送至第二图像处理系统53；第二图像处理系统53用于接收并处理图像信息得出波前误差。
成像系统51将入射到干涉波前测量模块5的叠加光处理生成干涉条纹图，并经第三探测器52采集输送至第二图像处理系统53计算处理，得出待测镜22的高精度波前结果。
值得说明的是，上述中的第一探测器32、第二探测器42和第三探测器52可设置成CCD图像传感器或CMOS图像传感器；上述中的第一图像处理系统43和第二图像处理系统53可设置成SPIDERⅡ通用图像处理系统。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种波前测量设备，其特征在于，包括：
激光器；
光处理模块，用于接收所述激光器发射的光线，并将所述光线分别反射形成参考光和待测光，且所述参考光和所述待测光相叠加形成叠加光；
检测模块，用于接收所述叠加光，并检测所述参考光与所述待测光的光路重合度；
哈特曼波前测量模块，用于接收所述叠加光，并通过哈特曼波前处理算法处理得出所述叠加光的波前误差；
干涉波前测量模块，用于接收所述叠加光，并对所述叠加光的干涉条纹图进行处理得出所述叠加光的波前误差；
其中，所述哈特曼波前测量模块用于测量出叠加光较大的波前误差范围，所述干涉波前测量模块用于测量特定误差范围内的波前，以得出较大的波前误差范围中的波前的高精度测量结果；
所述波前测量设备还包括第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜；
所述第一分光镜与所述激光器发射的光线呈锐角设置，用于将所述激光器发射的光线反射于所述第二分光镜，或将所述第二分光镜反射的光线透射于所述第三分光镜；
所述第二分光镜与所述第一分光镜反射的光线呈锐角设置，用于将所述第一分光镜反射的光线反射于所述光处理模块，或将所述光处理模块反射的光线部分反射于所述第一分光镜和部分透射于所述检测模块；
所述第三分光镜与所述第一分光镜透射的光线呈锐角设置，用于将所述第一分光镜透射的光线部分反射于所述哈特曼波前测量模块和部分透射于所述干涉波前测量模块；
所述光处理模块包括沿光线入射所述光处理模块的方向依次设置的标准镜和待测镜；
所述标准镜用于将所述第二分光镜反射的光线部分反射形成所述参考光，和将所述第二分光镜反射的光线部分透射于所述待测镜；
所述待测镜用于将所述标准镜透射过来的光线反射形成所述待测光，且所述待测光和所述参考光相叠加形成叠加光。
2.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述待测镜与所述标准镜之间形成自准直光路，且所述待测镜能够调整与所述标准镜的相对位置关系，以调节所述参考光与所述待测光的光路重合度。
3.根据权利要求2所述的波前测量设备，其特征在于，所述光处理模块还包括准直镜；
沿光线入射所述光处理模块的方向，所述准直镜设置于所述标准镜的前方，用于将所述第二分光镜反射的光线准直并透射于所述标准镜。
4.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述检测模块包括沿光线入射所述检测模块的方向依次设置的凸透镜和第一探测器；
所述凸透镜用于将所述叠加光会聚透射于所述第一探测器；
所述第一探测器用于检测所述参考光与所述待测光的光路重合度。
5.根据权利要求4所述的波前测量设备，其特征在于，所述波前测量设备还包括反光镜；
沿光线入射所述检测模块的方向，所述反光镜设置于所述凸透镜的前方并与所述第二分光镜透射的光线呈锐角设置，用于将所述第二分光镜透射的光线反射于所述凸透镜。
6.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述哈特曼波前测量模块包括沿光线入射所述哈特曼波前测量模块的方向依次设置的微透镜阵列、第二探测器和第一图像处理系统；
所述微透镜阵列用于将所述第三分光镜反射的光线处理生成焦点阵列图；
所述第二探测器设置于所述微透镜阵列的焦面处，用于探测采集所述焦点阵列图的图像信息，并输送至所述第一图像处理系统；
所述第一图像处理系统用于接收并处理所述图像信息得出波前误差。
7.根据权利要求6所述的波前测量设备，其特征在于，所述哈特曼波前测量模块还包括透镜组；
沿光线入射所述哈特曼波前测量模块的方向，所述透镜组设置于所述微透镜阵列的前方，用于将所述第三分光镜反射的光线准直并透射于所述微透镜阵列。
8.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述干涉波前测量模块包括沿光线入射所述干涉波前测量模块的方向依次设置的成像系统、第三探测器和第二图像处理系统；
所述成像系统用于将所述第三分光镜透射的光线处理生成干涉条纹图；
所述第三探测器设置于所述成像系统的像面处，用于探测采集所述干涉条纹图的图像信息，并输送至所述第二图像处理系统；
所述第二图像处理系统用于接收并处理所述图像信息得出波前误差。
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