CN1188674C - 波前传感器及用它的透镜检查仪和主动反射式光学望远镜 - Google Patents

Abstract

一种波前传感器包括多个透镜和一个面传感器。诸透镜位于同一平面上，并都包括多个焦距不同的同心区。面传感器用于接收经每个透镜会聚成光点的一束光，并且基本上位于第一位置和第二位置之间的一半距离，其中第一位置是平面波穿过同心区中焦距最小区域后成像的位置，第二位置是平面波穿过焦距最大区域后成像的位置。利用此波前传感器，无论入射光束的波前形状如何，总能高精度测量，并没有明显的模糊光点。

Description

波前传感器及用它的透镜检查仪 和主动反射式光学望远镜

本发明涉及一种用于测量光束波前形状的波前传感器，以及使用该波前传感器的透镜检查仪和主动反射式光学望远镜。

传统上，已知Hartmann波前传感器是一种用于测量光束波前形状的波前传感器。Hartmann波前传感器包括一个称为Hartmann板的板状构件，构件中按恒定间距有规律地形成多个小孔；还包括一个与Hartmann板平行放置的面传感器。光束从面传感器的背面射到Hartmann板上。当入射光束穿过小孔时，形成一束细光线，并根据小孔数目在面传感器上产生多个光点。

当入射光束是平面波时，Hartmann板中小孔之间的间距和面传感器上光点之间的间距相等。即使小孔间距和光点间距不等，也可以根据各光点在面传感器上的位置计算发射光线的方向，因为Hartmann板与面传感器之间的距离以及Hartmann板中小孔的位置是已知的。由于此方向等于入射光束波平面的法向，所以可以根据光的多个方向测量出入射光束的波前形状。

另一方面，为了提高信噪比(S/N比)，通常为Hartmann板的每个小孔配备具有相同规格的单一聚焦透镜，并且将面传感器放在每个透镜的焦点上。

但是，传统的波前传感器存在一个问题，即当入射光束是平面波时，通常使用单个聚焦透镜并将面传感器放在单个聚焦透镜之焦点上可以充分提高S/N比，但是如果入射光束不是平面波，那么面传感器上的光点会变模糊，并且S/N比明显下降。

如图12(a)所示，当入射到Hartmann板1中透镜2上的光束P是平面波时，透过透镜2的光会聚在面传感器3上的一点，并产生光点Q1。光点Q1具有图13中实线表示的光能分布。但是，如图12(b)和12(c)所示，当入射光束P是发散光或会聚光时，透过透镜2的光不会收敛在面传感器3上，而是在面传感器3上产生一个相当大的光点Q2或Q3。这些光点Q2和Q3具有图13中虚线表示的光能分布，由于不象光点Q所显示的那样相对周围具有明显的光能差异，所以它们是模糊的。因此，当面传感器接收到的光能因透镜上存在灰尘或划痕而降低时，很容易影响光点Q2和Q3，最坏的情况是，这些点不能被辨别为光点。

另外，由于模糊光点周边不清楚，并且从光点中心向外延伸，所以面传感器3上的相邻光点会彼此接触或重叠。为了避免这种情况，必须缩短Hartmann板1和面传感器3之间的距离，或者加大Hartmann板1中小孔的间距。但是，在前一种情况下，对于非平面的入射光，光点的位移变小，这会降低对位移的灵敏度。在后一种情况下，光点的密度变小，这会减小测量点。因此，两者情况都会损失对波前形状的测量精度。

特别是，当测量明显非平面的波前(诸如通过透镜射出的光束)时，不能忽略上述问题，并且绝对有必要避免光点发生明显模糊，以便提高测量精度。

根据上述观点，本发明的一个目的是提供一种波前传感器，无论入射光束的波前形状如何，它都能避免产生明显模糊的光点，进行高精度测量。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述波前传感器的透镜检查仪和反射式望远镜。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种波前传感器，它包括多个透镜，它们位于同一平面上；和面传感器，它接收经每个透镜会聚成光点的一束光，其中波前传感器根据光点在面传感器上的位置测量入射到透镜上的光束的波前形状。每个透镜都包括多个焦距不同的同心区，并且面传感器基本上位于第一位置和第二位置之间的一半距离，其中第一位置是在平面波穿过同心区中焦距最小的区域后成像的位置，而第二位置是在平面波穿过焦距最大的另一区域后成像的位置。

在本发明的另一种较佳形式中，诸同心区的各自焦距从每个透镜的中心部分向周边部分作阶跃型变化。另一种情况是，诸同心区的各自焦距从每个透镜的中心部分向周边部分作连续变化。

从制造角度看，最好每个透镜的中心部分具有最大焦距，而每个透镜的周边部分具有最小焦距。

诸透镜最好包括一衍射光学元件。

在本发明的另一方面，提供了一种透镜检测仪，它包括具有上述结构的波前传感器。

在本发明的又一方面，提供了一种主动反射式光学望远镜，它使用具有上述结构的波前传感器。

图1是一透视示意图，示出了依照本发明的波前传感器的一般结构；

图2是一平面图，示出了适于安装在波前传感器上的透镜。

图3是一放大图，示出了构成透镜的衍射光学元件的截面轮廓；

图4是一示意图，示出了当本发明的波前传感器应用于透镜检查仪时所用的结构；

图5是一示意图，示出了包含本发明波前传感器的透镜检查仪的一般结构；

图6(a)示出了当会聚光束入射到波前传感器上时的成像方式；

图6(b)示出了当平行光束入射到波前传感器上时的成像方式；

图6(c)示出了当发散光束入射到波前传感器上时的成像方式；

图7(a)是一放大图，示出了图6(a)中包括面传感器的一部分；

图7(b)是一放大图，示出了图6(b)中包括面传感器的一部分；

图7(c)是一放大图，示出了图6(c)中包括面传感器的一部分；

图8是一曲线图，示出了图6(a)-6(c)所示波前传感器中面传感器上的光能分布；

图9示出了透镜焦距连续变化的方式；

图10是局部平面图，示出了在同一平面内构成一体的多个透镜形成的透镜阵列；

图11是一示意图，示出了包含本发明波前传感器的主动反射式光学望远镜的一般结构；

图12(a)示出了当平行光束入射到传统波前传感器上时的成像方式；

图12(b)示出了当会聚光束入射到传统波前传感器上时的成像方式；

图12(c)示出了当发散光束入射到传统波前传感器上时的成像方式；

图13是一曲线图，示出了图12(a)-12(c)所示波前传感器中面传感器上的光能分布。

以下描述仅仅是例举性的，并不限制本发明或者其应用或使用。

参照附图，特别是图1，该图示出了依照本发明一实施例的Hartmann波前传感器的一般结构。波前传感器4一般包括Hartmann板6和面传感器7，其中Hartmann板6上按恒定间距有规律地形成多个小孔5，而面传感器7与Hartmann板6平行放置。入射光束P从面传感器7对面的方向射到Hartmann板6上。当入射光束P穿过小孔5时，形成一束细光线，并在面传感器上产生数量与小孔数对应的多个光点。

Hartmann板6上的每个小孔5都具有一个透镜8。透镜8的焦距经设置随其各部分变化。如图2所示，在例示的实施例中，透镜8具有三个同心环区8a、8b和8c，它们分别具有不同的焦距，并且从透镜8的中心部分(区域8a)向周边部分(区域8c)逐渐变小或者阶跃型变小。从制造的角度看，透镜8最好包含图3所示的衍射光学元件。

面传感器7基本上位于第一位置和第二位置之间的一半距离，这里第一位置是当平面波穿过具有最小焦距f3的区域8c时成像的位置，而第二位置是当平面波穿过具有最大焦距f1的区域8a时成像的位置。假设从Hartmann板6至面传感器7的距离是L，那么f3＜L＜f1。

将波前传感器应用于透镜检查仪

图4是一示意图，示出了当在透镜检查仪中包含图1的波前传感器时所采用的结构。在图4中，用相同的标号表示波前传感器9中与波前传感器4相同或相应的各部分，因此不再作进一步的描述。图5是一示意图，示出了包含波前传感器9的透镜检查仪10的一般结构。

在波前传感器9中，Hartmann板6的中心和面传感器7的中心与透镜检查仪10的光轴对准。Hartmann板6具有四个小孔5，它们相对中心(光轴)具有相等的角度间隔(相差90°)。当考虑测量精度时，如本实施例中所用的，小孔5的数目最好是4或更多。但是，当待测透镜的特性是球光焦度、圆柱光焦度、圆柱轴线角或偏心度时，三个小孔就够了。

透镜检查仪10包括光源11、针孔12、准直透镜13、透镜保持器14和波前传感器9。针孔12位于准直透镜13的目标焦点上。透镜保持器14用于支撑待测透镜TL(以下称“测试透镜”)。图5中的WF表示光束P的波前。

光源11发出的光通过针孔12，形成点光源。然后，来自点光源的光束通过准直透镜13，产生平面波(准直光)。当待测透镜TL没有放在透镜保持器14上时，平面波直接射到透镜8上，并被面传感器7接收。在该情况下，在面传感器7上产生的光点的间距与Hartmann板6中小孔5的间距相等。

当把待测透镜TL放在透镜保持器14上时，入射透镜TL的平面波根据透镜TL的特性被转换成球面波，然后通过Hartmann板6中的小孔5。当测试透镜TL是正透镜或者是具有正光焦度的透镜时，在面传感器7上产生的光点的间距会小于Hartmann6中小孔的间距。相反，当测试透镜TL是负透镜或者是具有负光焦度的透镜时，在面传感器7上产生的光点的间距会大于Hartmann6中小孔的间距。因此，根据面传感器7上各光点的间距，可以计算出插入光路中的待测透镜TL的光学特性。例如，假设测试透镜TL背面顶点与Hartmann板6之间的距离是△L，Hartmann板6中小孔的间距为d，以及面传感器7上光点相对放入测试透镜TL前光点的位移为△d，那么应该用下式计算测试透镜TL的后焦距Bf：

Bf＝ΔL·L·d/Δd

为了比较，以下结合一比较例描述本发明的一个更具体的例子。

比较例

在比较例中，透镜检查仪10用图12(a)-12(c)所示的传统波前传感器代替波前传感器9。传统波前传感器中的Hartmann板1和面传感器3分别类似于波前传感器9的Hartmann板6和面传感器7，所不同的是Hartmann板1中使用的透镜2包括单个聚焦透镜。

当测试透镜TL的折射率大致为0D时，由于类似平面波的波前入射到Hartmann板1上，所以形成点光源的针孔12将光聚焦到面传感器3上，形成清晰或明显的光点Q1(图12(a))。在此例中，由于光点Q1具有较高的光能(如图13的实线所示)，并且S/N比优良，所以可以高精度地检测光点Q1的位置。另外，测试透镜TL表面上的任何划痕或污染都不会明显影响测量结果。

另一方面，当测试TL的折射率较大时，入射Hartmann板1的光束P的波前形成一个曲率较小的球面波。当测试透镜TL具有较高的正光焦度时，成像于面传感器3之前较远处(图12(b))，而当测试透镜TL具有较高的负光焦度时，成像于面传感器3之后较远处(图12(c))。相应地，形成于面传感器3上的光点Q2和Q3变得相当模糊。这些模糊的光点Q2和Q3具有较低的峰值光能(如图13中虚线所示)和较低的S/N比，由此大大劣化光点Q2和Q3的位置检测精度。另外，测试透镜TL表面上的划痕或污染会给测量结果带来误差。

可以使Hartmann板1上的小孔变小，从而加深焦距的深度，获得模糊程度改善的光点。但是，由于这种方法会减少面传感器3上的光能，所以不希望用这种方法。还可以根据测试透镜TL的光焦度移动或位移面传感器3，使得焦点总是保持在面传感器3上。但是，这需要附加的面传感器移动装置；会因光学系统的复杂性而增大透镜检查仪；增加附加成本，以及延伸测量时间。

本发明举例

在本发明的例子中，分别设置波前传感器9之同心区8a、8b和8c的焦距f1、f2和f3，使得光焦度分别为+10D、0D和-10D的测试透镜TL位于透镜检查仪10上时，成像于面传感器7上。例如，当△L＝5mm，L＝15mm时，焦距f1、f2和f3应该分别为+17.8mm、+15mm和+13.1mm。

如图6(a)和图7(a)所示，当+10D测试透镜TL产生的球面波入射透镜8时，通过区域8a的光P1成像在面传感器7上。这时，通过区域8b的光P2成像于面传感器7之前的某一点，而通过区域8c的光P3成像于面传感器7之前的更远点。

如图6(b)和图7(b)所示，当0D测试透镜TL产生的平面波入射透镜8时，通过区域8b的光P2成像在面传感器7上。在该情况下，通过区域8a的光P2成像于面传感器7之后(实际上，由于面传感器7阻挡了光线，所以不会产生像)，而通过区域8c的光P3成像于面传感器7之前。

如图6(c)和图7(c)所示，当-10D测试透镜TL产生的球面波入射透镜8时，通过区域8c的光P3成像在面传感器7上。在该情况下，通过区域8b的光P2成像于面传感器7之后，而通过区域8a的光P1仍成像于面传感器7之后较远处。

在图7(a)-7(c)中，R1、R2和R3分别表示光P1、P2和P3的成像点。

在本发明的例子中，无论入射光束P的波前形状如何，在光束P通过透镜8的任何区域8a、8b或8c之后，都会有一部分成像在面传感器7上，或者面传感器7的附近。因此，即使光束P的剩余部分入射到不匹配的区域(诸如，对于平面波来说，是区域8a或8b)中，也可以获得图8所示的光能分布。与OD周围获得的能适当聚焦的光能分布(如图13中的实线所示)相比，如此获得的光能分布具有较低的峰值，并且形成一模糊的光点。但是，此模糊图像不会明显影响面传感器7对光点的检测精度。相反，当与折射率较高的测试透镜TL所获得的不能适当聚焦的光能分布(如图13中虚线所示)相比，本发明的例子中的光能分布具有较高的峰值，并且形成直径较小的光点，从而改善测量精度。

比较例中的波前传感器很难保持恒定的测量精度，因为根据入射光束P的波前形状，光能和直径都会有较大差异。但是，在本发明的例子中，不管入射光束P的波前形状如何，波前传感器9总能使光点保持恒定的光能和直径，从而获得较高的测量精度。

尽管在本发明的例子中，透镜8的焦距f1、f2的f3逐渐变化，或者呈阶跃型变化，但是如图9中球面像差所示的，透镜的焦距可以从透镜中心部分向周边部分连续变化。例如，假设当+25测试透镜射出的光通过透镜8中包含光轴的中心部分时，成像在面传感器7上，并且当-25D测试透镜射出的光通过透镜8的最外围部分时，成像于面传感器7上，那么应该将中心部分的焦距设置为26.3mm，将最外围部分的焦距设置为11.3mm(最外围部分的球面像差为-15mm)，并且将位于中心部分和最外围部分之间的中间部分的焦距设置成从26.3mm连续变化到11.3mm。

透镜8的焦距如此从透镜8的中心部分向周边部分逐渐或连续地变小是为了便于制造透镜。结构布置决不局限于此，还可以包括一个焦距从周边部分向中心部分逐渐变化的透镜。另外，焦距沿透镜径向连续或逐渐变化不是本发明的基本要求。

由于非球面透镜很难仅通过研磨来制造，所以希望将透镜制作成上述的衍射光学元件。另外，还可以将诸透镜整体构成一个二维的透镜阵列。

波前传感器应用于反射式望远镜

图11是一示意图，示出了包含本发明波前传感器的主动反射式光学望远镜的一般结构。在反射式望远镜15中，凹面镜将来自远点的光束P反射至凸面镜17。经凸面镜17反射的光束通过凹面镜16中心部分的孔18，然后通过分束器19达到观察平面20。分束器19反射一部分光束，经反射的光束部分通过准直透镜21变成平行光。然后，平行光被引入由带透镜8(参见图1)的Hartmann板6和面传感器7组成的波前传感器22。

将多个致动器23放在凹面镜16的背后，用于使反射镜16变形。驱动致动器23，使镜面变形，从而将畸变波前WF变换成形状良好的球面波波前WF′。在此情况下，为了补偿波前畸变，必须获得入射波前WF的畸变量以及镜面的变形量，并且必须根据所需的镜面变形确定致动器23的移动量。用波前传感器22检测波前畸变。将运算电路24与波前传感器22相连，用于检测检测到的波前畸变确定致动器23的必要移动量。根据运算电路24确定的移动量驱动致动器23。

如上所述，由于依照本发明通过每个透镜中具有不同焦距的任何同心区的光都成像于面传感器上或者附近，所以无论波前形状如何，总能实现高精度的测量，不会包含明显的模糊光点。

显然，在上述教导下可以对本发明进行各种变化和修改。因此应该理解，本发明可以在后附权利要求书的范围内，超出具体描述的内容进行实施。

Claims (8)

1.一种波前传感器，它包括：

多个透镜，它们位于同一平面上；和

面传感器，它接收经每个所述透镜会聚成光点的一束光，其中波前传感器根据光点在所述面传感器上的位置测量入射到所述透镜上的光束的波前形状，其特征在于，

每个所述透镜都包括多个焦距不同的同心区，并且所述面传感器位于第一位置和第二位置之间的一半距离，其中第一位置是在平面波穿过所述同心区中焦距最小的区域后成像的位置，而第二位置是在平面波穿过焦距最大的另一区域后成像的位置。

2.如权利要求1所述的波前传感器，其特征在于，所述多个同心区的各自焦距从每个所述透镜的中心部分向周边部分呈阶跃型变化。

3.如权利要求1所述的波前传感器，其特征在于，所述多个同心区的各自焦距从每个所述透镜的中心部分向周边部分呈连续变化。

4.如权利要求2所述的波前传感器，其特征在于，每个所述透镜的中心部分具有最大焦距，而每个所述透镜的周边部分具有最小焦距。

5.如权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，每个所述透镜的中心部分具有最大焦距，而每个所述透镜的周边部分具有最小焦距。

6.如权利要求1至5中任何一项所述的波前传感器，其特征在于，每个所述透镜都包含一衍射光学元件。

7.一种透镜检测仪，其特征在于，它使用如权利要求1至6中任何一项所述的波前传感器。

8.一种主动反射式光学望远镜，其特征在于，它使用如权利要求1至6中任何一项所述的波前传感器。

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