CN2739607Y - 聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪 - Google Patents

Abstract

一种聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其特征在于它共光轴地依次设有标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、被检聚焦镜、CCD摄像机，所述的扫描式哈特曼光阑安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器，下方装有步进电机，还有计算机，所述的CCD摄像机、编码器和步进电机均与计算机相连，且CCD可沿光轴方向移动；在计算机的控制下，通过步进电机驱动扫描式哈特曼光阑绕光轴旋转，同时该计算机接收CCD摄像机输出的图像和编码器给出的扫描式哈特曼光阑的位置信息，并对图像进行数据处理。本实用新型具有检测精度高、速度快、评价像质手段多、功能多等优点，可用于指导光学元件加工、光路调整、评价聚焦镜的质量、入射光束与焦斑的质量等。

Description

聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪

技术领域：

本实用新型涉及光学元件质量检测，特别是一种聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪。

背景技术：

在先技术中，传统的哈特曼检验装置结构如图1所示，光源1发出的光线经聚光镜2照明小孔光阑3，从而获得点光源；小孔光阑3位于平行光管4的前焦点处，由小孔光阑3射出的光束经平行光管4准直为平行光束后，照射到哈特曼光阑5上，该平行光束被分割成许多具有不同高度的细光束对后射向被检元件6。通过照相方法在7、8位置处测量细光束中心与光轴的距离，通过分析得到像差信息。哈特曼光阑5的结构如图2所示，哈特曼光阑5上的小孔对与平行光管4的光轴呈对称分布。

上述在先技术的缺点是：

1、对光阑制造精度要求高。由于是对被检元件的环带进行取样，所以光阑上同一高度的小孔要严格对称，从而对光阑的加工提出了很高的要求。

2、取样密度受限。光阑上小孔之间的间距固定，只能以一定的密度进行取样，以致于不能检测到光阑上小孔之间的间隔位置所对应环带区域的误差信息，从而导致测量结果不完整，测量精度低。

3、无法测量元件局部误差。所测得的误差只是被检元件不同高度上整个环带的面形误差，而元件的各个局部小区域的误差信息难以获得。

4、测量时间长。传统方法通常采用照相方法，在测量过程中，需经过底片曝光、显影、光斑位置测量等一系列步骤，耗时较长，同时在此过程中可能引入振动等随机因素，这会造成很大的测量误差。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，可用于指导光学元件加工、光路调整、评价聚焦镜的质量、入射光束与焦斑的质量等，具有检测精度高、速度快、评价像质手段多、功能多等优点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其特征在于它共光轴地依次设有标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、被检聚焦镜、CCD摄像机，所述的扫描式哈特曼光阑安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器，下方装有步进电机，还有计算机，所述的CCD摄像机、编码器和步进电机均与计算机相连，且CCD可沿光轴方向移动；在计算机的控制下，通过步进电机驱动扫描式哈特曼光阑绕光轴旋转，同时该计算机接收CCD摄像机输出的图像和编码器给出的扫描式哈特曼光阑的位置信息，并对图像进行数据处理。

所述的扫描式哈特曼光阑在水平径向和垂直径向各开有一系列周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d，水平方向的第一个小孔与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔与轴心间距b的2倍，两方向的各小孔半径R均相等，且满足关系R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑的边缘处，在扫描式哈特曼光阑的中心位置设有一个小孔。

在所述的CCD摄像机之前设有显微镜物镜。所述的CCD摄像机的靶面位于显微镜物镜的像面。

换一句话说，本实用新型聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪可以看作由标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、聚焦镜和图像接收处理系统四部分组成。

所述的哈特曼光阑由步进电机驱动，具有两排相互垂直排列的小孔，且两排小孔在径向相互错位补充；绕光轴旋转后，将入射到被检元件上的光束相应地分割成若干个子光束。

所述的图像接收处理系统包括CCD摄像机、计算机及处理软件，主要用于接收光斑图像，并对图像进行分析和处理。哈特曼光阑的转动和CCD摄像机的采集过程都受计算机控制，以保证两者同步进行。

所述的显微镜物镜安放在CCD摄像机之前，如果光斑很小，则可用该显微镜物镜将经过聚焦镜后形成的光斑尺寸放大，再入射到CCD摄像机上，以提高检测精度。

本实用新型与在先技术相比具有下列技术效果：

1、对光阑的制造精度要求低。哈特曼光阑的运动由步进电机驱动，在互相垂直的两个方向上开有等间距排列且相互间错开半个间距的小孔。采用这种布局结构，并配合哈特曼光阑的转动，可达到对被检聚焦镜的所有环带进行扫描测量的目的。与在先技术中的哈特曼光阑相比，本实用新型的哈特曼光阑只需两排小孔，小孔数量少，制造精度要求低，因而制造成本少。

2、取样密度高，不受限制。对被检聚焦镜表面取样，是由扫描式哈特曼光阑的转动实现的。在步进电机的驱动下，光阑可实现预定的较小间隔的转动，所以取样密度高，且可对被检聚焦镜实现全孔径采样，从而获得较高的检测精度。

3、测量时间短，速度快。采用CCD摄像机来获取子光束光斑的位置信息，进一步由计算机控制检测过程并进行数据处理，所需时间短、速度快，使哈特曼检测实现了自动化、数字化。

4、评价聚焦镜成像质量的手段多。可用CCD摄像机获取球差信息，进而由球差可以计算得到波像差，以对聚焦镜的质量进行直接评价；通过分析焦点前后垂轴截面的点列图来得到最佳焦面位置，来评价焦斑的质量；可以求得最佳焦面上的能量分布，以此来评价聚焦镜的质量，为大型激光装置中靶镜的质量评价提供直接的检测结果。

5、功能多。除可直接检测分析焦斑能量分布外，还可对光学系统的制造与调整误差进行检测，且可获得误差在垂直于光轴的平面内的二维分布；如果聚焦镜质量是完善的，还可以通过分析焦斑质量来检测入射于该被检聚焦镜上的平行光束的波面质量。

附图说明：

图1是在先技术哈特曼检验装置结构示意图。

图2是在先技术中采用的哈特曼光阑结构示意图。

图3是本实用新型聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪一个实施例的结构示意图。

图4是本实用新型测量球差的原理示意图。

图5是本实用新型采用的扫描式哈特曼光阑结构示意图。

图6是本实用新型采用的扫描式哈特曼光阑垂直径向的上半部分横截面的局部剖视图。

图7是本实用新型所采用的图像采集软件流程图。

图8是本实用新型所采用的数据分析和处理软件流程图。

具体实施方式：

请参阅图3，图3是本实用新型聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪一个实施例的结构示意图。由图可见，本实用新型聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其构成在于它共光轴地依次设有标准平行光管9、扫描式哈特曼光阑10、被检聚焦镜11、显微镜物镜12、可沿光轴移动的CCD摄像机13。所述的扫描式哈特曼光阑10安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器15，下方装有步进电机16，还有计算机14，所述的CCD摄像机13位于显微物镜12的像面位置，所述的CCD摄像机13、编码器15和步进电机16均与计算机14相连；在计算机14的控制下，通过步进电机16驱动扫描式哈特曼光阑10绕光轴旋转，另一方面该计算机14接收CCD摄像机13输出的图像和编码器15给出的扫描式哈特曼光阑10的位置信息，并对图像进行处理。

所述的扫描式哈特曼光阑10是在水平径向和垂直径向开有周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d，水平方向的第一个小孔与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔与轴心间距b的2倍，两方向的各小孔半径R均相等，且满足关系R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑10的边缘处，在扫描式哈特曼光阑10的中心位置设有一个小孔。

所述的标准平行光管9、扫描式哈特曼光阑10、被检聚焦镜11、CCD摄像机13和计算机14组成的图像接收处理系统，分别用于将光束投射到哈特曼光阑10上，对到达被检聚焦镜11的波面进行分割取样，再对CCD摄像机13所接收到的图像进行分析和处理，得到聚焦镜的球差及波像差、最佳焦面位置、最佳焦面上的能量分布以及误差等信息。

所述的标准平行光管9发出的平行光束入射到达扫描式哈特曼光阑10。测量过程中扫描式哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下绕光轴旋转，将光束分割成一个个子光束，子光束由被检聚焦镜11聚焦，参见图4，在焦点附近选取两个截面AA和BB，CCD摄像机13连续采集多个环带上的子光束在这两个截面上的交点位置，通过数据分析，可得到多种评价焦斑质量和聚焦镜质量的数据，如聚焦镜的球差、最佳焦面位置及最佳焦面上的能量分布等，以及得到误差的具体位置和大小。

所说的图像接收处理系统由和CCD摄像机13相连接的计算机14及其中的处理软件组成，主要用于接收CCD摄像机13输出的图像及确定对应的子光束位置，并对图像进行分析和处理。参见图4，打开扫描式哈特曼光阑10上的一个小孔，在聚焦镜11的焦点附近选取两个垂轴截面AA和BB，两截面沿光轴方向的坐标值分别以Z₁、Z₂来表示，由CCD摄像机13采集从该小孔射出的子光束在这两个截面上的光斑图像，通过所述处理软件，可得到子光束在这两个截面上的光斑中心坐标位置，分别记为(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)，这一图像采集功能实现的软件流程图参见图7，以下实现数据分析和处理功能的软件流程图参见图8，通过两交点位置坐标拟和出该子光束经被检聚焦镜11聚焦后的直线方程，可表示为 $\frac{x-x_1}{x_2-x_1}=\frac{y-y_1}{y_2-y_1}=\frac{z-z_1}{z_2-z_1},$ 式中x，y为变量，由直线方程可得到该子光束在任一截面上的光斑中心坐标位置。同理，对于每条子光束，都可以求得其在任意截面上的光斑中心坐标，即点列图。此外，当扫描哈特曼光阑10转动一周后，可以得到所开小孔相应的环带上所有子光束与截面AA和BB的交点坐标位置，对两截面上的这些交点数据分别进行圆拟和，得到两点坐标分别记为(Z₁，R₁)和(Z₂，R₂)，其中R₁、R₂分别为对环带上所有子光束在截面AA和截面BB上交点坐标拟和后得到的圆半径，对这两点坐标进行拟和同样可以得到一条直线方程，可表示为 $\frac{R-R_1}{Z-Z_1}=\frac{R_2-R_1}{Z_2-Z_1},$ 式中R、Z为变量。该直线与光轴的交点s即为环带平均球差，进一步由球差求得波像差，波像差W与球差δL′的关系式为 $W=\frac{n^{\′}}{{2f}^{\′2}}\∫{\mathrm{\δL}}^{\′}{\mathrm{dh}}^2,$ 式中像方折射率n′一般等于1，f′为像方焦距，由波像差的允许值可推知球差的允许值。除此之外，再通过对点列图进行分析，便可找到能量分布最集中的最佳焦面位置。在确定最佳焦面位置后，根据最佳焦面上各子光束的位置，可以求得焦斑能量集中度。另一方面，根据焦斑能量分布可以推知被检聚焦镜环带误差及环带上的局部误差，这样可以根据不同的使用条件实现对聚焦镜质量的多方面评价。若聚焦镜质量是好的，就可以得到入射光束的波面误差。

如果焦斑尺寸较小的话，可在CCD摄像机13前面加显微镜物镜12，可将子光束光斑及其中心距离光轴的距离放大，充分利用CCD摄像机13靶面的像素，以使测量定位精度大大提高。

扫描式哈特曼光阑10的结构参见图5，在光阑10的水平径向和垂直径向开有周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d。水平方向的第一个小孔(其与轴心距离最近)与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔(其与轴心距离最近)与轴心间距b的2倍，且两方向的各小孔半径R均相等，满足关系R＝a/2＝c/2。此外，垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑10的边缘处。这样的设计是为了使扫描式哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下，可以不遗漏地采集到被检聚焦镜11全孔径的信息，有效地提高了检测精度。在扫描式哈特曼光阑10的中心位置设有一个小孔，用来确定光轴位置。扫描式哈特曼光阑10的支架的上方固定有一个编码器15，下方装有步进电机16，扫描式哈特曼光阑10的扫描转动靠步进电机16的驱动来完成，而其转动角度由编码器15测定；编码器15和步进电机16与计算机14相连，步进电机16的转动和CCD摄像机13的采集均在计算机14的控制下进行。在步进电机16转动过程中，通过编码器15可知道扫描式哈特曼光阑10转过的确切角度。

与在先技术相比较，本实用新型的特点在于哈特曼光阑的制造难度小，对同一高度上的小孔在制造上没有严格对称的要求；CCD摄像机13的采集和扫描式哈特曼光阑10的转动受计算机14的同步控制；采用CCD摄像机13进行数据采集和软件进行数据处理，获得球差、波像差、最佳焦面位置与最佳焦面上的能量分布等信息，评价聚焦镜质量和焦斑质量的手段多、时间短、速度快；通过焦斑能量分布，可以定量、定位、定区域地得到多种被测信息：如聚焦镜的环带加工误差、局部误差和其他复杂的误差的大小和具体位置，测量结果直观，为元件加工和修改提供了直接依据。本实用新型采用的图像接收处理系统包括由和CCD摄像机13相连的计算机14及处理软件组成，主要用于接收CCD摄像机13输出的采集图像，并对图像进行分析和处理，将哈特曼检测方法自动化、数字化。

为了提高检测精度，可以有选择地在CCD摄像机13前放一个显微镜物镜12，如果光斑尺寸比较小，受CCD摄像机13像素尺寸限制，对光斑中心位置的确定就比较困难，误差大，这时可以采用显微镜物镜12。

本实用新型聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪的工作过程为：

参见图3。从标准平行光管9发出的平行激光束入射到扫描式哈特曼光阑10上。扫描式哈特曼光阑10的使用状况参见图6，该图为哈特曼光阑10垂直径向上半部分的横截面的局部剖视图。当测量某一个环带的信息时，只将扫描式哈特曼光阑10上对应的一个小孔打开，其他的小孔用图5中所示的挡光塞子101塞住。测量过程中扫描式哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下绕光轴旋转，将光束分割成一个个子光束，步进电机16与计算机14相连，由计算机14控制，同时CCD摄像机13在计算机14的控制下完成光斑图像采集。当计算机14发出一个脉冲控制信号时，则驱动步进电机16走一步，与此同时，哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下转动一定的角度。在转动过程中，转过的确切角度可通过编码器15测量得到，此时步进电机16的反馈信号送回计算机14，由计算机14发出指令来启动CCD摄像机13采集数据。如果转角位置出现偏差，则编码器发出错误信号，送回计算机14，计算机14发出指令停止驱动电机16。通过闭环反馈回路的控制，保证了CCD摄像机13采集到的光斑信息与哈特曼光阑10上的小孔位置一一对应。计算机14每发出一个脉冲信号，使得哈特曼光阑10转动一定的角度，相应地，由其上对应那个小孔透过的子光束由被检聚焦镜11聚焦后由CCD摄像机13来采集预定的几幅图像，以求平均来消除随机误差，然后哈特曼光阑10转到另一位置，转过的角度保证小孔转到的新位置和原位置的边界相切，这样对于某一环带，转动一周得到的子光束光斑的中心坐标位置数目可用 $n=\frac{2\mathrm{\πh}}{2R}$ 表示，h为某一环带高度，如图5所示。参见图4，当哈特曼光阑10转动一周后，CCD摄像机13首先在AA截面位置便完成了连续采集一个环带上的所有子光束光斑图像的动作，然后由与CCD摄像机13相连的计算机14和处理软件对CCD摄像机13输出的图像进行处理，准确给出AA截面上子光束与其交点的位置坐标，图像采集软件流程图与数据分析和处理软件流程图分别如图7和图8所示。完成一个环带的测量后，用挡光塞子101将该环带上对应的小孔塞住，打开哈特曼光阑10上的另一个孔，重复上述测量过程，则可得到另一个环带上的子光束光斑位置的测量。同理，在BB截面位置，CCD摄像机13对所有环带进行相同的测量，再对数据进行拟和处理，拟和得到的直线方程为 $\frac{R-R_1}{Z-Z_1}=\frac{R_2-R_1}{Z_2-Z_1},$ 式中Z₁、Z₂分别为截面AA和截面BB沿光轴方向的坐标，R₁、R₂分别为对环带上所有子光束在截面AA和截面BB上交点坐标拟和后得到的圆半径，该直线与光轴的交点位置为s，s沿光轴方向的坐标为 $Z=\frac{R_1{Z}_2-R_2{Z}_1}{R_1-R_2},$ 该位置信息就代表了各个环带球差的大小。根据波像差W与球差δL′的关系式 $W=\frac{n^{\′}}{{2f}^{\′2}}{\∫\mathrm{\δL}}^{\′}{\mathrm{dh}}^2,$ 式中像方折射率n′一般等于1，f′为像方焦距，能够得到波像差的大小，以便直接对聚焦镜质量进行评价。此外，在焦点附近选取不同位置的截面，由CCD摄像机13采集并记录各环带的光斑位置，可以知道不同截面的能量分布，从而找到能量分布最集中的截面，即最佳焦面的位置。另外，还可通过软件处理，求得最佳焦面上的能量分布，这为大型激光装置中靶镜质量的评价提供了一种有效的手段。除此之外，如果一个被测环带上没有局部误差，那么得到的各个子光束的焦斑应该成圆状分布；否则，焦斑位置可能偏离到圆的里侧和外侧，知道了焦斑的能量分布情况后，由于焦斑是入射波面经聚焦镜后形成的夫朗和费衍射图样，被检聚焦镜相当于傅立叶变换器，若焦斑质量不好，而入射波面是高质量的，则可推断出聚焦镜存在缺陷。由此原理，可以准确知道聚焦镜的环带误差和各个局部的误差，也就是说获得了聚焦镜11定量、定位、定区域的信息；根据上述信息，基于焦斑光强傅立叶变换原理，还可以推算出聚焦镜的面形误差和入射平行光束的波面误差等。此外，当聚焦镜发生偏转时，其光轴会相对于整个光学系统的光轴倾斜，不完全重合，此时，会将误差引入测量结果中。在这种情况下，本实用新型聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪利用光强傅立叶变换原理，可以将此误差检测出来。

图3是本实用新型的一个实施例，其具体结构和参数概述如下：

标准平行光管9发出的平行光束口径为Φ300mm，波长为632.8nm。扫描式哈特曼光阑10的中心孔直径为Φ8mm，水平径向开有7个间距为20mm的周期排列的小孔，且第一个离光阑轴心最近的小孔与轴心距离为20mm，垂直径向开有8个间距为20mm的周期排列的小孔，且第一个离光阑轴心最近的小孔与轴心距离为10mm，两径向的小孔直径均为Φ10mm。被检聚焦镜11的通过口径为Φ300mm，焦距为900mm。显微镜物镜12的放大倍率为10^x，CCD摄像机13为1/3″黑白CCD摄像机，像素尺寸为6.5μm×6.3μm。步进电机16采用KH56KM2-801型号混合式步进电机。

采用本实用新型的聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪对通光口径为Φ300mm、焦距为900mm的被检聚焦镜进行检测，测得的最佳焦面处包括80％光线的焦斑尺寸为Φ23μm。下面的表1为实验测得的一组数据和对数据进行处理的结果，其中环带平均球差值是以Z₂为基准的，即直线与光轴交点s沿光轴方向的坐标Z值减去Z₂后得到的值(Z-Z₂)，且Z₁、Z₂的值是以同一位置为基准算起的。经计算，可以得到最佳焦面位于Z₂前3.05mm处，此时的最大波像差为0.99λ，该值大于波像差容限λ/4，这说明被检聚焦镜需要返修。

表1

环带高度h(m)	Z1(m)	R1(μm)	Z2(mm)	R2(μm)	拟和得到的直线方程(mm)	Z-Z2(mm)
							10	12	65.17	13	109.33	R＝0.0442Z-0.4648	-2.48
20	12	132.96	13	193.27	R＝0.0603Z-0.5908	-3.20
							30	12	203.60	13	312.34	R＝0.1087Z-1.1013	-2.87
40	12	271.19	13	409.65	R＝0.1385Z-1.3903	-2.96
							50	12	341.63	13	504.91	R＝0.1633Z-1.6177	-3.09
60	12	406.54	13	615.71	R＝0.2092Z-2.1035	-2.95
							70	12	478.99	13	703.43	R＝0.2244Z-2.2143	-3.13
80	12	545.09	13	815.17	R＝0.2701Z-2.6959	-3.02
							90	12	616.33	13	904.09	R＝0.2878Z-2.8368	-3.14
100	12	684.70	13	1018.91	R＝0.3342Z-3.3258	-3.05
							110	12	756.51	13	1128.08	R＝0.3716Z-3.7023	-3.04

Claims (4)

1、一种聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其特征在于它共光轴地依次设有标准平行光管(9)、扫描式哈特曼光阑(10)、被检聚焦镜(11)、可沿光轴移动的CCD摄像机(13)，所述的扫描式哈特曼光阑(10)安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器(15)，下方装有步进电机(16)，还有计算机(14)，所述的CCD摄像机(13)位于显微物镜(12)的像面位置，所述的CCD摄像机(13)、编码器(15)和步进电机(16)均与计算机(14)相连。

2、根据权利要求1所述的聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其特征在于所述的扫描式哈特曼光阑(10)是在水平径向和垂直径向开有周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d，水平方向的第一个小孔与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔与轴心间距b的2倍，两方向的各小孔半径R均相等，且满足关系R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑(10)的边缘处，在扫描式哈特曼光阑(10)的中心位置设有一个小孔。

3、根据权利要求1所述的聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其特征在于所述的标准平行光管(9)、扫描式哈特曼光阑(10)、被检聚焦镜(11)、CCD摄像机(13)和计算机(14)及其处理软件组成的图像接收处理系统。

4、根据权利要求1-3任一项所述的聚焦镜球差与焦斑能量分布测量仪，其特征是在所述的CCD摄像机(13)之前设有显微镜物镜(12)，所述的CCD摄像机(13)的靶面位于该显微镜物镜(12)的像面。

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