CN1212508C - 一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器 - Google Patents
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Abstract
一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器由光学匹配系统、波面分割取样阵列元件、测量子孔径选通控制元件和CCD探测器组成，测量子孔径选通控制元件位于波面分割取样阵列的前面或后面，或光学匹配系统中与波面分割取样阵列的共轭位置，测量子孔径选通控制元件的采样通光子孔径与波面分割取样阵列子孔径的相同，通过控制测量子孔径的采样通光子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整波前传感器测量精度和动态范围的目的。本通过采样分辨率的选择，既可以测量低频、P-V值大的像差，又可测高频、P-V值小的像差，具有结构简单、应用适应性强的优点，可广泛应用于光学加工的粗、精像差测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学动态波前传感器，尤其涉及一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器。
背景技术
哈特曼波前传感器是一种光学动态波前检测仪器。哈特曼波前传感器采用孔径分割元件和聚焦元件将入射波前分割为子孔径，再将其聚焦于CCD探测器光敏靶面，形成光斑阵列，通过计算机对CCD探测器接收的光斑信号进行处理，获得入射波前的波面误差信号。
现有的哈特曼波前传感器通常采用微透镜阵列与CCD探测器耦合的结构。中国专利申请公开说明书(申请号98112210.8，公开号CN1245904A)公开了一种哈特曼光学波前传感器，即采用这种结构，它由微透镜阵列和CCD探测器通过机械机构耦合在一起构成。但这种哈特曼的空间分辨率由微透镜阵列的子孔径数确定，其缺陷在于：哈特曼的结构参数一旦确定，其空间分辨率、测量精度、动态范围也随之确定，不能根据测量的需要进行调整。
而在光学测量应用中，光学元件的面形误差的幅值较大，需要哈特曼有较大的测量动态范围，空间采样分辨率可以较低；而光学元件的中、高频像差幅值较小，测量动态范围要求较小，但空间采样分辨和测量精度率要求较高。现有的哈特曼测量系统光学参数无法根据测量对象的变化进行调整。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足而提供一种结构简单，空间分辨率、测量精度和动态范围可调的哈特曼波前传感器。
本发明的技术解决方案是：一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，由光学匹配系统、波面分割取样阵列和CCD探测器组成，其特点在于：在波面分割取样阵列的前面或后面，或光学匹配系统中与波面分割取样阵列的共轭位置加入测量子孔径选通控制元件，测量子孔径选通控制元件的采样通光子孔径与波面分割取样阵列子孔径的相同，通过控制测量子孔径的采样通光子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整哈特曼的测量动态范围的目的。
测量子孔径选通控制元件可以采用小孔阵列光阑系列、电-光或磁-光光开关阵列或电寻址强度调制的液晶空间光调制器。
当测量子孔径选通控制元件选择小孔阵列光阑系列时，光阑每一小通光孔的口径与波面分割取样阵列子孔径相同，光阑通光孔之间的距离是波面分割取样阵列子孔径间距的整数倍，将光阑置于波面分割取样阵列前或后面，通过改变光阑通光孔的周期有选择地遮拦、选通波面分割取样阵列的子孔径，实现其空间采样周期的改变，随着采样周期的增加，分割取样阵列采样周期相应增加，光阑选通的采样子孔径由于其相邻的子孔径被遮拦，从而在CCD探测器靶面的动态范围增加，因此增加哈特曼的测量动态范围。光阑还可置于哈特曼的光学匹配系统中波面分割取样阵列的共轭位置，每一子通光孔的有效通光孔径与波面分割取样阵列子孔径的相匹配。
当测量子孔径选通控制元件采用电-光或磁-光光开关阵列时，变采样同期的光阑用电-光或磁-光光开关阵列代替，光开关阵列的每一子开关的有效通光孔径与波面分割取样阵列子孔径的相同，将光开关阵列置于波面分割取样阵列前面或后面，或哈特曼的光学匹配系统中波面分割取样阵列的共轭位置，通过控制光开关阵列子开关的导通、截止选择波面分割取样阵列的采样周期，调整哈特曼的测量动态范围。
当测量子孔径选通控制元件采用电寻址强度调制的液晶空间光调制器时，变采样周期的光阑用电寻址强度调制的液晶空间光调制器代替，将电寻址强度调制的液晶空间光调制器置于波面分割取样阵列前面或后面，或哈特曼的光学匹配系统中波面分割取样阵列的共轭位置，通过控制液晶空间光调制器的导通、截止选择波面分割取样阵列的采样周期，调整哈特曼的测量动态范围。
本发明与现有技术相比有如下优点：由于本发明采用不同的小孔阵列光阑系列、光开关阵列或电寻址强度调制液晶空间光调制器作为测量子孔径选通控制元件来改变波面分割取样阵列的空间采样频率和采样光斑在CCD靶面的动态范围，因此在一台高分辨率的哈特曼传感器上通过采样分辨率的选择，既可以测量低频、P-V值大的像差，又可测高频、P-V值小的像差，具有结构简单、应用适应性强的优点，可广泛应用于光学加工的粗、精像差测量。
附图说明
图1为本发明实施例一小孔阵列光阑哈特曼波前传感器的结构示意图；
图2为波面分割取样阵列；
图3为变采样分辨率的光阑；
图4为未加光阑的波面分割取样阵列在CCD靶面的光斑阵列；
图5为加光阑的波面分割取样阵列在CCD靶面的光斑阵列；
图6为本发明实施例二光开关阵列哈特曼波前传感器的结构示意图；
图7为本发明实施例三液晶空间光调制器哈特曼波前传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例一为测量子孔径选通控制元件采用可更换小孔阵列光阑3，它包括光学匹配系统1、波面分割取样阵列2、可更换光阑3和CCD探测器4，波面分割取样阵列2的焦面与CCD探测器4的光敏靶面重合，可更换光阑3位于波面分割取样阵列2后面，其中波面分割取样阵列2采用二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列，或二元菲涅尔微棱镜阵列，或连续表面微棱镜阵列，或梯度折射率的微棱镜阵列。
如图2所示，波面分割取样阵列2是由33×33个子孔径单元组成，如图3所示，变采样分辨率的光阑由8×8个子孔径单元组成，采样周期是波面分割取样阵列的4倍，图4、图5为波面分割取样阵列未加光阑3和加光阑3后在CCD探测器4靶面上的光斑阵列。比较两图可以看出加光阑3后波前探测的分辨率降低，但子光斑的动态范围增加，波前斜率随之增加，所以波前测量的动态范围比未加光阑3前增加。
如图6所示，本发明实施例二为测量子孔径选通控制元件采用的光开关阵列3’，它包括光学匹配系统1、波面分割取样阵列2、电-光或磁-光光开关阵列3’和CCD探测器4，波面分割取样阵列2的焦面与CCD探测器4的光敏靶面重合，光开关阵列3’位于光学匹配系统1中与波面分割取样阵列2的共轭面位置。
如图7所示，本发明实施例三为测量子孔径选通控制元件采用电寻址强度调制的液晶空间光调制器3”，它包括光学匹配系统1、波面分割取样阵列2、电寻址强度调制的液晶空间光调制器3”和CCD探测器4，波面分割取样阵列2的焦面与CCD探测器4的光敏靶面重合，电寻址强度调制的液晶空间光调制器3”位于波面分割取样阵列2前面。
Claims (4)
1、一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，由光学匹配系统、波面分割取样阵列和CCD探测器组成，其特点在于：在波面分割取样阵列的前面或后面，或光学匹配系统中与波面分割取样阵列的共轭位置加入测量子孔径选通控制元件，测量子孔径选通控制元件的采样通光子孔径与波面分割取样阵列子孔径的相同，通过控制测量子孔径的采样通光子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整哈特曼的测量动态范围的目的。
2、根据权利要求1所述的一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，其特征在于：测量子孔径选通控制元件采用小孔阵列光阑系列，或电-光或磁-光光开关阵列，或电寻址强度调制的液晶空间光调制器。
3、根据权利要求1或2所述的一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的测量子孔径选通控制元件的通光孔与波面分割取样阵列子孔径口径相同，且通光孔之间的距离是波面分割取样阵列子孔径间距的整数倍。
4、根据权利要求1所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：波面分割取样阵列采用二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列，或二元菲涅尔微棱镜阵列，或连续表面微棱镜阵列，或梯度折射率的微棱镜阵列。
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