聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀的製作方法
2023-09-21 12:38:25
專利名稱：聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學元件質量檢測，特別是一種聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀。
背景技術：
在先技術中，傳統的哈特曼檢驗裝置結構如圖1所示，光源1發出的光線經聚光鏡2照明小孔光闌3，從而獲得點光源；小孔光闌3位於平行光管4的前焦點處，由小孔光闌3射出的光束經平行光管4準直為平行光束後，照射到哈特曼光闌5上，該平行光束被分割成許多具有不同高度的細光束對後射向被檢元件6。通過照相方法在7、8位置處測量細光束中心與光軸的距離，通過分析得到像差信息。哈特曼光闌5的結構如圖2所示，哈特曼光闌5上的小孔對與平行光管4的光軸呈對稱分布。
上述在先技術的缺點是1、對光闌製造精度要求高。由於是對被檢元件的環帶進行取樣，所以光闌上同一高度的小孔要嚴格對稱，從而對光闌的加工提出了很高的要求。
2、取樣密度受限。光闌上小孔之間的間距固定，只能以一定的密度進行取樣，以致於不能檢測到光闌上小孔之間的間隔位置所對應環帶區域的誤差信息，從而導致測量結果不完整，測量精度低。
3、無法測量元件局部誤差。所測得的誤差只是被檢元件不同高度上整個環帶的面形誤差，而元件的各個局部小區域的誤差信息難以獲得。
4、測量時間長。傳統方法通常採用照相方法，在測量過程中，需經過底片曝光、顯影、光斑位置測量等一系列步驟，耗時較長，同時在此過程中可能引入振動等隨機因素，這會造成很大的測量誤差。
發明內容
本實用新型的目的在於克服上述在先技術的缺點，提供一種聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，可用於指導光學元件加工、光路調整、評價聚焦鏡的質量、入射光束與焦斑的質量等，具有檢測精度高、速度快、評價像質手段多、功能多等優點。
本實用新型的技術解決方案如下一種聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其特徵在於它共光軸地依次設有標準平行光管、掃描式哈特曼光闌、被檢聚焦鏡、CCD攝像機，所述的掃描式哈特曼光闌安裝在光闌支架上，該支架上方固定有編碼器，下方裝有步進電機，還有計算機，所述的CCD攝像機、編碼器和步進電機均與計算機相連，且CCD可沿光軸方向移動；在計算機的控制下，通過步進電機驅動掃描式哈特曼光闌繞光軸旋轉，同時該計算機接收CCD攝像機輸出的圖像和編碼器給出的掃描式哈特曼光闌的位置信息，並對圖像進行數據處理。
所述的掃描式哈特曼光闌在水平徑向和垂直徑向各開有一系列周期排列的小孔，水平方向各小孔之間的間距為c，垂直方向各小孔之間的間距為d，且c＝d，水平方向的第一個小孔與光闌軸心的間距a為垂直方向上第一個小孔與軸心間距b的2倍，兩方向的各小孔半徑R均相等，且滿足關係R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外側一個小孔恰好位於掃描式哈特曼光闌的邊緣處，在掃描式哈特曼光闌的中心位置設有一個小孔。
在所述的CCD攝像機之前設有顯微鏡物鏡。所述的CCD攝像機的靶面位於顯微鏡物鏡的像面。
換一句話說，本實用新型聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀可以看作由標準平行光管、掃描式哈特曼光闌、聚焦鏡和圖像接收處理系統四部分組成。
所述的哈特曼光闌由步進電機驅動，具有兩排相互垂直排列的小孔，且兩排小孔在徑向相互錯位補充；繞光軸旋轉後，將入射到被檢元件上的光束相應地分割成若干個子光束。
所述的圖像接收處理系統包括CCD攝像機、計算機及處理軟體，主要用於接收光斑圖像，並對圖像進行分析和處理。哈特曼光闌的轉動和CCD攝像機的採集過程都受計算機控制，以保證兩者同步進行。
所述的顯微鏡物鏡安放在CCD攝像機之前，如果光斑很小，則可用該顯微鏡物鏡將經過聚焦鏡後形成的光斑尺寸放大，再入射到CCD攝像機上，以提高檢測精度。
本實用新型與在先技術相比具有下列技術效果1、對光闌的製造精度要求低。哈特曼光闌的運動由步進電機驅動，在互相垂直的兩個方向上開有等間距排列且相互間錯開半個間距的小孔。採用這種布局結構，並配合哈特曼光闌的轉動，可達到對被檢聚焦鏡的所有環帶進行掃描測量的目的。與在先技術中的哈特曼光闌相比，本實用新型的哈特曼光闌只需兩排小孔，小孔數量少，製造精度要求低，因而製造成本少。
2、取樣密度高，不受限制。對被檢聚焦鏡表面取樣，是由掃描式哈特曼光闌的轉動實現的。在步進電機的驅動下，光闌可實現預定的較小間隔的轉動，所以取樣密度高，且可對被檢聚焦鏡實現全孔徑採樣，從而獲得較高的檢測精度。
3、測量時間短，速度快。採用CCD攝像機來獲取子光束光斑的位置信息，進一步由計算機控制檢測過程並進行數據處理，所需時間短、速度快，使哈特曼檢測實現了自動化、數位化。
4、評價聚焦鏡成像質量的手段多。可用CCD攝像機獲取球差信息，進而由球差可以計算得到波像差，以對聚焦鏡的質量進行直接評價；通過分析焦點前後垂軸截面的點列圖來得到最佳焦面位置，來評價焦斑的質量；可以求得最佳焦面上的能量分布，以此來評價聚焦鏡的質量，為大型雷射裝置中靶鏡的質量評價提供直接的檢測結果。
5、功能多。除可直接檢測分析焦斑能量分布外，還可對光學系統的製造與調整誤差進行檢測，且可獲得誤差在垂直於光軸的平面內的二維分布；如果聚焦鏡質量是完善的，還可以通過分析焦斑質量來檢測入射於該被檢聚焦鏡上的平行光束的波面質量。
圖1是在先技術哈特曼檢驗裝置結構示意圖。
圖2是在先技術中採用的哈特曼光闌結構示意圖。
圖3是本實用新型聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀一個實施例的結構示意圖。
圖4是本實用新型測量球差的原理示意圖。
圖5是本實用新型採用的掃描式哈特曼光闌結構示意圖。
圖6是本實用新型採用的掃描式哈特曼光闌垂直徑向的上半部分橫截面的局部剖視圖。
圖7是本實用新型所採用的圖像採集軟體流程圖。
圖8是本實用新型所採用的數據分析和處理軟體流程圖。
具體實施方式
請參閱圖3，圖3是本實用新型聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀一個實施例的結構示意圖。由圖可見，本實用新型聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其構成在於它共光軸地依次設有標準平行光管9、掃描式哈特曼光闌10、被檢聚焦鏡11、顯微鏡物鏡12、可沿光軸移動的CCD攝像機13。所述的掃描式哈特曼光闌10安裝在光闌支架上，該支架上方固定有編碼器15，下方裝有步進電機16，還有計算機14，所述的CCD攝像機13位於顯微物鏡12的像面位置，所述的CCD攝像機13、編碼器15和步進電機16均與計算機14相連；在計算機14的控制下，通過步進電機16驅動掃描式哈特曼光闌10繞光軸旋轉，另一方面該計算機14接收CCD攝像機13輸出的圖像和編碼器15給出的掃描式哈特曼光闌10的位置信息，並對圖像進行處理。
所述的掃描式哈特曼光闌10是在水平徑向和垂直徑向開有周期排列的小孔，水平方向各小孔之間的間距為c，垂直方向各小孔之間的間距為d，且c＝d，水平方向的第一個小孔與光闌軸心的間距a為垂直方向上第一個小孔與軸心間距b的2倍，兩方向的各小孔半徑R均相等，且滿足關係R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外側一個小孔恰好位於掃描式哈特曼光闌10的邊緣處，在掃描式哈特曼光闌10的中心位置設有一個小孔。
所述的標準平行光管9、掃描式哈特曼光闌10、被檢聚焦鏡11、CCD攝像機13和計算機14組成的圖像接收處理系統，分別用於將光束投射到哈特曼光闌10上，對到達被檢聚焦鏡11的波面進行分割取樣，再對CCD攝像機13所接收到的圖像進行分析和處理，得到聚焦鏡的球差及波像差、最佳焦面位置、最佳焦面上的能量分布以及誤差等信息。
所述的標準平行光管9發出的平行光束入射到達掃描式哈特曼光闌10。測量過程中掃描式哈特曼光闌10在步進電機16的驅動下繞光軸旋轉，將光束分割成一個個子光束，子光束由被檢聚焦鏡11聚焦，參見圖4，在焦點附近選取兩個截面AA和BB，CCD攝像機13連續採集多個環帶上的子光束在這兩個截面上的交點位置，通過數據分析，可得到多種評價焦斑質量和聚焦鏡質量的數據，如聚焦鏡的球差、最佳焦面位置及最佳焦面上的能量分布等，以及得到誤差的具體位置和大小。
所說的圖像接收處理系統由和CCD攝像機13相連接的計算機14及其中的處理軟體組成，主要用於接收CCD攝像機13輸出的圖像及確定對應的子光束位置，並對圖像進行分析和處理。參見圖4，打開掃描式哈特曼光闌10上的一個小孔，在聚焦鏡11的焦點附近選取兩個垂軸截面AA和BB，兩截面沿光軸方向的坐標值分別以Z1、Z2來表示，由CCD攝像機13採集從該小孔射出的子光束在這兩個截面上的光斑圖像，通過所述處理軟體，可得到子光束在這兩個截面上的光斑中心坐標位置，分別記為(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，這一圖像採集功能實現的軟體流程圖參見圖7，以下實現數據分析和處理功能的軟體流程圖參見圖8，通過兩交點位置坐標擬和出該子光束經被檢聚焦鏡11聚焦後的直線方程，可表示為x-x1x2-x1=y-y1y2-y1=z-z1z2-z1,]]>式中x，y為變量，由直線方程可得到該子光束在任一截面上的光斑中心坐標位置。同理，對於每條子光束，都可以求得其在任意截面上的光斑中心坐標，即點列圖。此外，當掃描哈特曼光闌10轉動一周後，可以得到所開小孔相應的環帶上所有子光束與截面AA和BB的交點坐標位置，對兩截面上的這些交點數據分別進行圓擬和，得到兩點坐標分別記為(Z1，R1)和(Z2，R2)，其中R1、R2分別為對環帶上所有子光束在截面AA和截面BB上交點坐標擬和後得到的圓半徑，對這兩點坐標進行擬和同樣可以得到一條直線方程，可表示為R-R1Z-Z1=R2-R1Z2-Z1,]]>式中R、Z為變量。該直線與光軸的交點s即為環帶平均球差，進一步由球差求得波像差，波像差W與球差δL′的關係式為W=n2f2Ldh2,]]>式中像方折射率n′一般等於1，f′為像方焦距，由波像差的允許值可推知球差的允許值。除此之外，再通過對點列圖進行分析，便可找到能量分布最集中的最佳焦面位置。在確定最佳焦面位置後，根據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，根據焦斑能量分布可以推知被檢聚焦鏡環帶誤差及環帶上的局部誤差，這樣可以根據不同的使用條件實現對聚焦鏡質量的多方面評價。若聚焦鏡質量是好的，就可以得到入射光束的波面誤差。
如果焦斑尺寸較小的話，可在CCD攝像機13前面加顯微鏡物鏡12，可將子光束光斑及其中心距離光軸的距離放大，充分利用CCD攝像機13靶面的像素，以使測量定位精度大大提高。
掃描式哈特曼光闌10的結構參見圖5，在光闌10的水平徑向和垂直徑向開有周期排列的小孔，水平方向各小孔之間的間距為c，垂直方向各小孔之間的間距為d，且c＝d。水平方向的第一個小孔(其與軸心距離最近)與光闌軸心的間距a為垂直方向上第一個小孔(其與軸心距離最近)與軸心間距b的2倍，且兩方向的各小孔半徑R均相等，滿足關係R＝a/2＝c/2。此外，垂直方向的最外側一個小孔恰好位於掃描式哈特曼光闌10的邊緣處。這樣的設計是為了使掃描式哈特曼光闌10在步進電機16的驅動下，可以不遺漏地採集到被檢聚焦鏡11全孔徑的信息，有效地提高了檢測精度。在掃描式哈特曼光闌10的中心位置設有一個小孔，用來確定光軸位置。掃描式哈特曼光闌10的支架的上方固定有一個編碼器15，下方裝有步進電機16，掃描式哈特曼光闌10的掃描轉動靠步進電機16的驅動來完成，而其轉動角度由編碼器15測定；編碼器15和步進電機16與計算機14相連，步進電機16的轉動和CCD攝像機13的採集均在計算機14的控制下進行。在步進電機16轉動過程中，通過編碼器15可知道掃描式哈特曼光闌10轉過的確切角度。
與在先技術相比較，本實用新型的特點在於哈特曼光闌的製造難度小，對同一高度上的小孔在製造上沒有嚴格對稱的要求；CCD攝像機13的採集和掃描式哈特曼光闌10的轉動受計算機14的同步控制；採用CCD攝像機13進行數據採集和軟體進行數據處理，獲得球差、波像差、最佳焦面位置與最佳焦面上的能量分布等信息，評價聚焦鏡質量和焦斑質量的手段多、時間短、速度快；通過焦斑能量分布，可以定量、定位、定區域地得到多種被測信息如聚焦鏡的環帶加工誤差、局部誤差和其他複雜的誤差的大小和具體位置，測量結果直觀，為元件加工和修改提供了直接依據。本實用新型採用的圖像接收處理系統包括由和CCD攝像機13相連的計算機14及處理軟體組成，主要用於接收CCD攝像機13輸出的採集圖像，並對圖像進行分析和處理，將哈特曼檢測方法自動化、數位化。
為了提高檢測精度，可以有選擇地在CCD攝像機13前放一個顯微鏡物鏡12，如果光斑尺寸比較小，受CCD攝像機13像素尺寸限制，對光斑中心位置的確定就比較困難，誤差大，這時可以採用顯微鏡物鏡12。
本實用新型聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀的工作過程為參見圖3。從標準平行光管9發出的平行雷射束入射到掃描式哈特曼光闌10上。掃描式哈特曼光闌10的使用狀況參見圖6，該圖為哈特曼光闌10垂直徑向上半部分的橫截面的局部剖視圖。當測量某一個環帶的信息時，只將掃描式哈特曼光闌10上對應的一個小孔打開，其他的小孔用圖5中所示的擋光塞子101塞住。測量過程中掃描式哈特曼光闌10在步進電機16的驅動下繞光軸旋轉，將光束分割成一個個子光束，步進電機16與計算機14相連，由計算機14控制，同時CCD攝像機13在計算機14的控制下完成光斑圖像採集。當計算機14發出一個脈衝控制信號時，則驅動步進電機16走一步，與此同時，哈特曼光闌10在步進電機16的驅動下轉動一定的角度。在轉動過程中，轉過的確切角度可通過編碼器15測量得到，此時步進電機16的反饋信號送回計算機14，由計算機14發出指令來啟動CCD攝像機13採集數據。如果轉角位置出現偏差，則編碼器發出錯誤信號，送回計算機14，計算機14發出指令停止驅動電機16。通過閉環反饋迴路的控制，保證了CCD攝像機13採集到的光斑信息與哈特曼光闌10上的小孔位置一一對應。計算機14每發出一個脈衝信號，使得哈特曼光闌10轉動一定的角度，相應地，由其上對應那個小孔透過的子光束由被檢聚焦鏡11聚焦後由CCD攝像機13來採集預定的幾幅圖像，以求平均來消除隨機誤差，然後哈特曼光闌10轉到另一位置，轉過的角度保證小孔轉到的新位置和原位置的邊界相切，這樣對於某一環帶，轉動一周得到的子光束光斑的中心坐標位置數目可用n=2h2R]]>表示，h為某一環帶高度，如圖5所示。參見圖4，當哈特曼光闌10轉動一周後，CCD攝像機13首先在AA截面位置便完成了連續採集一個環帶上的所有子光束光斑圖像的動作，然後由與CCD攝像機13相連的計算機14和處理軟體對CCD攝像機13輸出的圖像進行處理，準確給出AA截面上子光束與其交點的位置坐標，圖像採集軟體流程圖與數據分析和處理軟體流程圖分別如圖7和圖8所示。完成一個環帶的測量後，用擋光塞子101將該環帶上對應的小孔塞住，打開哈特曼光闌10上的另一個孔，重複上述測量過程，則可得到另一個環帶上的子光束光斑位置的測量。同理，在BB截面位置，CCD攝像機13對所有環帶進行相同的測量，再對數據進行擬和處理，擬和得到的直線方程為R-R1Z-Z1=R2-R1Z2-Z1,]]>式中Z1、Z2分別為截面AA和截面BB沿光軸方向的坐標，R1、R2分別為對環帶上所有子光束在截面AA和截面BB上交點坐標擬和後得到的圓半徑，該直線與光軸的交點位置為s，s沿光軸方向的坐標為Z=R1Z2-R2Z1R1-R2,]]>該位置信息就代表了各個環帶球差的大小。根據波像差W與球差δL′的關係式W=n2f2Ldh2,]]>式中像方折射率n′一般等於1，f′為像方焦距，能夠得到波像差的大小，以便直接對聚焦鏡質量進行評價。此外，在焦點附近選取不同位置的截面，由CCD攝像機13採集並記錄各環帶的光斑位置，可以知道不同截面的能量分布，從而找到能量分布最集中的截面，即最佳焦面的位置。另外，還可通過軟體處理，求得最佳焦面上的能量分布，這為大型雷射裝置中靶鏡質量的評價提供了一種有效的手段。除此之外，如果一個被測環帶上沒有局部誤差，那麼得到的各個子光束的焦斑應該成圓狀分布；否則，焦斑位置可能偏離到圓的裡側和外側，知道了焦斑的能量分布情況後，由於焦斑是入射波面經聚焦鏡後形成的夫朗和費衍射圖樣，被檢聚焦鏡相當於傅立葉變換器，若焦斑質量不好，而入射波面是高質量的，則可推斷出聚焦鏡存在缺陷。由此原理，可以準確知道聚焦鏡的環帶誤差和各個局部的誤差，也就是說獲得了聚焦鏡11定量、定位、定區域的信息；根據上述信息，基於焦斑光強傅立葉變換原理，還可以推算出聚焦鏡的面形誤差和入射平行光束的波面誤差等。此外，當聚焦鏡發生偏轉時，其光軸會相對於整個光學系統的光軸傾斜，不完全重合，此時，會將誤差引入測量結果中。在這種情況下，本實用新型聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀利用光強傅立葉變換原理，可以將此誤差檢測出來。
圖3是本實用新型的一個實施例，其具體結構和參數概述如下標準平行光管9發出的平行光束口徑為Φ300mm，波長為632.8nm。掃描式哈特曼光闌10的中心孔直徑為Φ8mm，水平徑向開有7個間距為20mm的周期排列的小孔，且第一個離光闌軸心最近的小孔與軸心距離為20mm，垂直徑向開有8個間距為20mm的周期排列的小孔，且第一個離光闌軸心最近的小孔與軸心距離為10mm，兩徑向的小孔直徑均為Φ10mm。被檢聚焦鏡11的通過口徑為Φ300mm，焦距為900mm。顯微鏡物鏡12的放大倍率為10x，CCD攝像機13為1/3″黑白CCD攝像機，像素尺寸為6.5μm×6.3μm。步進電機16採用KH56KM2-801型號混合式步進電機。
採用本實用新型的聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀對通光口徑為Φ300mm、焦距為900mm的被檢聚焦鏡進行檢測，測得的最佳焦面處包括80％光線的焦斑尺寸為Φ23μm。下面的表1為實驗測得的一組數據和對數據進行處理的結果，其中環帶平均球差值是以Z2為基準的，即直線與光軸交點s沿光軸方向的坐標Z值減去Z2後得到的值(Z-Z2)，且Z1、Z2的值是以同一位置為基準算起的。經計算，可以得到最佳焦面位於Z2前3.05mm處，此時的最大波像差為0.99λ，該值大于波像差容限λ/4，這說明被檢聚焦鏡需要返修。
表1
權利要求1.一種聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其特徵在於它共光軸地依次設有標準平行光管(9)、掃描式哈特曼光闌(10)、被檢聚焦鏡(11)、可沿光軸移動的CCD攝像機(13)，所述的掃描式哈特曼光闌(10)安裝在光闌支架上，該支架上方固定有編碼器(15)，下方裝有步進電機(16)，還有計算機(14)，所述的CCD攝像機(13)位於顯微物鏡(12)的像面位置，所述的CCD攝像機(13)、編碼器(15)和步進電機(16)均與計算機(14)相連。
2.根據權利要求1所述的聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其特徵在於所述的掃描式哈特曼光闌(10)是在水平徑向和垂直徑向開有周期排列的小孔，水平方向各小孔之間的間距為c，垂直方向各小孔之間的間距為d，且c＝d，水平方向的第一個小孔與光闌軸心的間距a為垂直方向上第一個小孔與軸心間距b的2倍，兩方向的各小孔半徑R均相等，且滿足關係R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外側一個小孔恰好位於掃描式哈特曼光闌(10)的邊緣處，在掃描式哈特曼光闌(10)的中心位置設有一個小孔。
3.根據權利要求1所述的聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其特徵在於所述的標準平行光管(9)、掃描式哈特曼光闌(10)、被檢聚焦鏡(11)、CCD攝像機(13)和計算機(14)及其處理軟體組成的圖像接收處理系統。
4.根據權利要求1-3任一項所述的聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其特徵是在所述的CCD攝像機(13)之前設有顯微鏡物鏡(12)，所述的CCD攝像機(13)的靶面位於該顯微鏡物鏡(12)的像面。
專利摘要一種聚焦鏡球差與焦斑能量分布測量儀，其特徵在於它共光軸地依次設有標準平行光管、掃描式哈特曼光闌、被檢聚焦鏡、CCD攝像機，所述的掃描式哈特曼光闌安裝在光闌支架上，該支架上方固定有編碼器，下方裝有步進電機，還有計算機，所述的CCD攝像機、編碼器和步進電機均與計算機相連，且CCD可沿光軸方向移動；在計算機的控制下，通過步進電機驅動掃描式哈特曼光闌繞光軸旋轉，同時該計算機接收CCD攝像機輸出的圖像和編碼器給出的掃描式哈特曼光闌的位置信息，並對圖像進行數據處理。本實用新型具有檢測精度高、速度快、評價像質手段多、功能多等優點，可用於指導光學元件加工、光路調整、評價聚焦鏡的質量、入射光束與焦斑的質量等。
文檔編號G01M11/02GK2739607SQ20042009057
公開日2005年11月9日 申請日期2004年9月28日 優先權日2004年9月28日
發明者劉丹, 閻巖, 任冰強, 黃惠傑, 趙永凱, 王向朝, 張維新, 王樹森 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所