CN1385675A - 波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于自适应光学系统的波前传感器,由包含多个子棱镜(即光楔或楔板,下同)的集成式微棱镜阵列构成的孔径分割元件、聚焦透镜和CCD探测器组成;或者由微棱镜阵列和聚焦透镜集成于同一光学基板构成集成式孔径分割－聚焦元件。被测入射波前通过孔径分割元件和聚焦光学元件分割会聚于CCD探测器。集成式微棱镜阵列是一种微光学元件。本发明结构简单、稳定,精度较高,容易安装调试,适合于工业化批量生产。

Description

波前传感器

本发明涉及一种波前传感器，尤其涉及一种哈特曼波前传感器的孔径分割元件。

哈特曼波前传感器基于改进的哈特曼测试法。哈特曼测试法是哈特曼1900年发明的用于检测天文望远镜镜面质量的方法，该方法在1900年出版的《仪器杂志》20期47页“分光镜的制作和检测评述”中公开(参考文献：“Bemerkungen underden Bau und die Justirung von Spektrogaphen”Zeit.f.Instrument20，P47，1900)。哈特曼波前传感器是对哈特曼测试法进行改进的基础上发展起来的，于1971年出版的《美国光学学会杂志》61期，656页“双凸透镜式哈特曼板的制作和应用”中公开。(参考文献：“production and use of alenticular Hartmann screen”J.Opt.Soc.Am 61，P656，1971)。经典哈特曼法的测量原理是在被测物镜(或反射镜)入射孔径上放置哈特曼光阑，使入射光线通过哈特曼光阑的小孔后被分为细光束，通过探测细光束形成的光斑位置信号，计算被测物镜的像差。哈特曼波前传感器则在此基础上采用孔径分割元件和聚焦光学元件分割入射波前的被测孔径，并将其聚焦到CCD探测器上，形成光斑；通过计算机对CCD探测到的光斑信号进行处理，计算光斑的重心位置，获得被测入射波前的波面误差信息。由此哈特曼波前传感器常被应用于自适应光学系统。

现有的哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列作为孔径分割元件分割光束孔径，并将入射光聚焦到CCD探测器的光敏靶面，或者通过一转像系统将微透镜的焦面光斑图象成像于CCD探测器光敏靶面。这种哈特曼波前传感器在1997年《国际光学工程学会会议录》314卷，398页“用于光学检测的哈特曼波前传感器”的文章中公开，(参考文献：“Hartmann Sensers for Optical Testing”SPIE Vol.314，P398，1997)。这类哈特曼传感器的缺陷在于其孔径分割元件微透镜阵列与CCD探测器的耦合技术比较复杂，微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致导致影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高，安装、调试困难，不适宜大批量制造。我们曾提出和制作过一种带有不同楔角的棱镜(本文中“棱镜”一律指光楔或楔板，下同)组成的分割镜分割光束孔径，并用物镜聚焦于CCD光敏靶面的哈特曼传感器，可以克服孔径分割元件与CCD探测器耦合的困难。这种哈特曼传感器在1995年《光电工程》22卷1期38～45页“37单元自适应光学系统”中公开(参考文献：“37单元自适应光学系统”，光电工程，22卷1期38～45页，1995年)。但用单个子棱镜拼装成孔径分割元件的制造技术复杂而昂贵，也不适宜于批量生产。

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种适宜于工业化批量生产的哈特曼波前传感器。

本发明的目的可以通过以下措施实现：哈特曼波前传感器包括孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器，聚焦光学元件聚焦透镜的焦平面与CCD探测器的光敏靶面重合；孔径分割元件是由多个子棱镜组成的一维或者二维的微棱镜阵列，棱镜是光楔或楔板，微棱镜阵列和子棱镜可根据需要制造成各种孔径的形状，子棱镜的数量只受限于制作技术，相邻子棱镜的楔角或等效楔角可以不同，入射波前经过微棱镜阵列和聚焦透镜会聚于CCD探测器的光敏靶面。

本发明的目的也可以通过以下措施实现：哈特曼波前传感器包括孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器，聚焦光学元件的焦平面与CCD探测器的光敏靶面重合；孔径分割元件和聚焦光学元件是微棱镜阵列和聚焦透镜制作于同一光学基板的集成式孔径分割-聚焦元件，光学基板的两个侧面分别是微棱镜阵列和聚焦透镜，入射波前通过集成式孔径分割-聚焦元件分割会聚于CCD探测器的光敏靶面。

本发明的目的还可通过以下措施实现：哈特曼波前传感器的孔径分割元件可以是二元菲涅尔微棱镜阵列，也可以是连续表面微棱镜阵列，还可以是梯度折射率的微棱镜阵列。

本发明与现有技术相比有以下优点：本发明所公开的哈特曼波前传感器，其孔径分割元件是采用微光学技术或二元光学技术制作的微光学元件一集成式微棱镜阵列，较之于用单个子棱镜拼装的孔径分割元件，具有结构简单、稳定的优点。微棱镜阵列是由多个子棱镜相邻排列组成的一维或者二维阵列。微棱镜阵列和子棱镜可以根据需要设计并制作成为各种形状，故能适应入射波前各种形状的孔径。微棱镜阵列包含的子棱镜是采用微光学技术或二元光学技术制造的微棱镜。子棱镜的楔角可以根据要求设计制作，精度较易控制，故能保证入射波前的各个子孔径焦点光斑会聚在CCD光敏靶面的所需位置。

本发明所公开的哈特曼波前传感器，采用聚焦透镜作为聚焦元件，所有子波前通过公共的聚焦透镜会聚到CCD探测器光敏靶面，克服了现有技术中微透镜阵列的微透镜单元焦距不一致对哈特曼波前传感器精度产生的影响。

本发明所公开的这种波前传感器避免了分别加工单个子棱镜，然后进行子棱镜拼装的复杂、繁琐、昂贵的工艺；并且制作时只要保证聚焦透镜焦面与CCD探测器光敏靶面重合，所需的自由度远少于现有技术，安装和调试比较容易，因此适合于工业化批量生产。

本发明公开的另一技术方案：由微棱镜阵列和聚焦透镜集成在一起构成的集成式孔径分割-聚焦元件和CCD探测器组成哈特曼波前传感器，不仅具有上述优点，而且省去了微棱镜阵列和聚焦透镜之间的装调机构，进一步简化了波前传感器的结构和装调工艺。

附图说明：

图1是本发明实施例一的哈特曼波前传感器的结构示意图。

图2是实施例一哈特曼波前传感器的孔径分割元件的结构示意图。

图3是图2的右视图。

图4是本发明实施例二的哈特曼波前传感器的结构示意图。

图5是实施例二哈特曼波前传感器的孔径分割元件的结构示意图。

图6是图5的右视图。

图7是实施例三的哈特曼波前传感器的结构示意图。

图8是实施例三哈特曼波前传感器的孔径分割元件的结构示意图。

图9是图8的左视图(示意图)。

图10表示实施例三孔径分割元件的梯度折射率子棱镜的坐标。

图11是实施例四的哈特曼波前传感器的结构示意图。

图12是实施例四的哈特曼波前传感器的集成式孔径分割-聚焦元件结构示意图。

图13是图12的左视图。

图14是实施例五的哈特曼波前传感器的结构示意图。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例一的哈特曼波前传感器，由分割入射波前的孔

径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器3组成。孔径分割元件是采用微光学技术或二元光学技术制作的集成式二元菲涅尔微棱镜阵列1。聚焦光学元件是聚焦透镜2。所用的CCD探测器3(型号XC-77)是一种利用光电子效应、输出光电流随入射光强变化的器件。聚焦透镜2的焦面与CCD探测器3的光敏靶面4重合。被测光学系统的入射波前通过二元菲涅尔微棱镜阵列1，再经聚焦透镜2会聚于CCD探测器3的光敏靶面4。

图2所示为二元菲涅尔微棱镜阵列1的结构示意图。图3是该结构示意图的右视图。如图3所示，二元菲涅尔微棱镜阵列1的形状为四边形，是由九个子棱镜5(包括子棱镜5-1、子棱镜5-2等)组成的二维阵列。光学系统的入射波前经过二元菲涅尔微棱镜阵列1时被子棱镜5分割成九个子孔径。每个子棱镜5是具有一定的楔角6的四边形微棱镜。如图2所示，相邻的子棱镜5-1的楔角6和子棱镜5-2的等效楔角(子棱镜5-2的等效楔角为零)彼此不同。

入射波前经过二元菲涅尔微棱镜阵列1时被子棱镜5偏折一定角度，再经聚焦透镜2会聚于CCD探测器3的光敏靶面4，形成子孔径光斑。每个子孔径焦点光斑在CCD探测器3光敏靶面4上的位置因各子棱镜5的楔角6不同而彼此相互分开，形成光斑阵列。CCD探测器3接收到的光斑信号可通过计算机进行处理，由公式①计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息： $x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$

(式中，m＝1~M，n＝1~N为子孔径映射到CCD探测器3光敏靶面4上对应的像素区域，I_nm是CCD探测器3光敏靶面4上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标)。再根据公式②计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi： $g_{\mathrm{xi}}=\frac{x_i-x_0}{\mathrm{\λf}},g_{\mathrm{yi}}=\frac{y_i-y_0}{\mathrm{\λf}}---\left(2\right)$

(式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i))，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

如图4所示，本发明实施例二的哈特曼波前传感器，由孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器9(型号XC-77)组成。孔径分割元件是由微光学技术或二元光学技术制作的连续表面微棱镜阵列7。聚焦光学元件聚焦透镜8的焦平面与CCD探测器9的光敏靶面10重合。被测光学系统的入射波前通过聚焦透镜8后，再经过连续表面微棱镜阵列7，被分割会聚于CCD探测器9的光敏靶面10。

图5所示为连续表面微棱镜阵列7的结构示意图。如该结构示意图的右视图图6所示，连续表面微棱镜阵列7的形状为四边形，包含的二十五个子棱镜11(包括子棱镜11-1，子棱镜11-2等)排列为二维阵列。子棱镜11是由微光学技术制作的连续表面微棱镜。如图5所示，相邻子棱镜11-1的楔角12和子棱镜11-2的楔角13彼此不同。

光学系统的入射波前被分割会聚于CCD探测器9的光敏靶面10，形成光斑阵列。CCD探测器9接收到的光斑阵列信号通过计算机进行处理，由实施例一中所述的公式①计算像素信号重心的位置，再利用实施例一中所述的公式②计算波前斜率，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

如图7所示，本发明实施例三的波前传感器，由微光学技术或二元光学技术制作的集成式梯度折射率微棱镜阵列14、聚焦透镜15和CCD探测器16(型号XC-77)组成。聚焦透镜15的焦平面与CCD探测器16的光敏靶面17重合。

图8所示为梯度折射率微棱镜阵列14的结构示意图。如图8的左视图图9所示，梯度折射率微棱镜阵列14是一维的阵列，由五个子棱镜18(包括子棱镜18-1、子棱镜18-2等)集成在一起构成。子棱镜18是具有梯度折射率的六边形微棱镜。子棱镜18-2的梯度折射率为零。其余子棱镜的梯度折射率由下式表示： $n(x,y)=F(x,y)=\frac{1}{\mathrm{f\δ}}(\mathrm{\Δx}\·|x|+\mathrm{\Δy}\·|y\left|\right)---\left(3\right)$

(式中，f为聚焦透镜15的焦距，δ为子棱镜18的基板厚度，x、y为子棱镜18的坐标值；子棱镜18、18-1、18-3、18-4的坐标位置如图10所示；图10中，横坐标为x，纵坐标为y；Δx、Δy为子棱镜18形成的子孔径光斑在聚焦透镜15焦平面的偏移量)。

被测入射波前经过梯度折射率微棱镜阵列14，由于子棱镜18具有梯度折射率而被偏折一定角度，再经聚焦透镜15会聚于CCD探测器16的光敏靶面17，形成子孔径光斑。每个子孔径焦点光斑在CCD探测器16的光敏靶面17上的位置因各个子棱镜18的梯度折射率不同而彼此相互分开，形成光斑阵列。CCD探测器16接收到的光斑信号通过计算机进行处理，由实施例一中所述公式①计算像素信号重心的位置；再利用实施例一中所述公式②计算波前斜率，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

如图11所示，本发明实施例四的哈特曼波前传感器，由集成式孔径分割-聚焦元件19和CCD探测器20(型号XC-77)组成。被测光学系统的入射波前经集成式孔径分割-聚焦元件19分割会聚于CCD探测器20的光敏靶面21。

图12所示为集成式孔径分割-聚焦元件19的结构示意图。如图12所示，集成式孔径分割-聚焦元件19是由微光学技术或二元光学技术将连续表面微棱镜阵列22和聚焦透镜23集成在同一光学基板上构成。连续表面微棱镜阵列22和聚焦透镜23分别是同一光学基板的两个侧面。聚焦透镜23的焦平面与CCD探测器20的光敏靶面21重合。

实施例四中，连续表面微棱镜阵列22是集成式孔径分割-聚焦元件19的入射面，聚焦透镜23是集成式孔径分割-聚焦元件19的出射面。(聚焦透镜和微棱镜阵也可以分别作为集成式孔径分割-聚焦元件的入射面和出射面。如图14所示的实施例五中的哈特曼波前传感器，由集成式孔径分割-聚焦元件27和CCD探测器28(型号XC-77)组成，集成式孔径分割-聚焦元件27的入射面是聚焦透镜30，出射面为微棱镜阵列31，聚焦透镜30的焦平面与CCD探测器28的光敏靶面29重合；被测入射波前经过集成式孔径分割-聚焦元件27的聚焦透镜30，再经微棱镜阵列31，分割、会聚于CCD探测器28的光敏靶面29。)

如图13所示，实施例四的集成式孔径分割-聚焦元件19的连续表面微棱镜阵列22是圆形形状，包含二十一个子棱镜24(包括子棱镜24-1、子棱镜24-2等)。子棱镜24是采用微光学技术制作的连续表面微棱镜。如图12所示，子棱镜24具有一定的楔角。相邻子棱镜24-1的楔角25和子棱镜24-2的楔角26彼此不同。

被测光束入射到集成式孔径分割-聚焦元件19，被连续表面微棱镜阵列22分割为多个子孔径，再经集成式孔径分割-聚焦元件19的聚焦透镜23会聚于CCD探测器20光敏靶面21的不同位置，形成光斑阵列。CCD探测器20接收到的光斑信号通过计算机进行处理，由实施例一中所述的公式①计算像素信号重心的位置，即可探测全孔径的波面误差信息；再利用实施例一中所述的公式②计算波前斜率，实现哈特曼波前传感器检测信号的功能。

Claims (3)

1、一种哈特曼波前传感器，包括孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器(3)，聚焦光学元件聚焦透镜(2)的焦平面与CCD探测器(3)的光敏靶面(4)重合；其特征在于：孔径分割元件是由多个子棱镜(5)组成的一维或者二维的微棱镜阵列(1)，棱镜是光楔或楔板，微棱镜阵列(1)和子棱镜(5)可根据需要制造成各种孔径的形状，子棱镜(5)的数量只受限于制作技术，相邻子棱镜(5)的楔角或等效楔角(6)可以不同；入射波前通过微棱镜阵列(1)和聚焦透镜(2)分割会聚于CCD探测器(3)的光敏靶面(4)。

2、一种哈特曼波前传感器，包括孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器(20)，聚焦光学元件的焦平面与CCD探测器(20)的光敏靶面(21)重合；其特征在于：孔径分割元件和聚焦光学元件是微棱镜阵列(22)和聚焦透镜(23)制作于同一光学基板的集成式孔径分割-聚焦元件(19)，光学基板的两个侧面分别是微棱镜阵列(22)和聚焦透镜(23)，入射波前通过集成式孔径分割-聚焦元件(19)分割会聚于CCD探测器(20)的光敏靶面(21)。

3、根据权利要求1和2所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：孔径分割元件可以是二元菲涅尔微棱镜阵列(1)，也可以是连续表面微棱镜阵列(7)，还可以是梯度折射率微棱镜阵列(14)。

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