哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法

2023-04-29 06:46:36 2

專利名稱：哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法
技術領域：
本發明屬於光電信號探測領域，涉及一種用于波前形狀測量的光學儀器一哈特曼波前探測器的使用方法，具體地說是哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法。
背景技術：
哈特曼波前探測器是一種在光學面形檢測、光學系統裝調、尤其是在自適應光學技術中廣泛使用的波前測量裝置。傳統的哈特曼波前探測器主要包括微透鏡陣列、轉接鏡頭、光電探測器(通常為CXD或CMOS)和數據處理軟體。入射光先通過微透鏡陣列，然後通 過轉接鏡頭使光束直徑正好與光電探測器的口徑相同而進入其中成像，最後從光電探測器上讀出探測數據。轉接鏡頭的作用是使微透鏡陣列與光電探測器間口徑匹配。哈特曼波前探測器的工作原理是微透鏡陣列將接收到的光學波前進行空間分害I]，使得每個子波面上只有簡單的傾斜而沒有高階像差，其通過微透鏡後能夠很好地聚焦到光電探測器上，從而在光電探測器中形成一個光點陣列。具有傾斜的子波前對應的聚焦光點在光電探測器中發生位置偏移，其偏移量與子波前的傾斜量和傾斜方向嚴格相關。因此，在獲得子波前傾斜信息的空間分布後就可以重構出整個波前的畸變分布。在哈特曼波前探測器與待探測系統進行對接時，通常只考慮光束需要正入射進入哈特曼波前探測器，以減少波前的傾斜像差。而對於入射光束是否能完整地覆蓋所設計的微透鏡陣列、即入射光束孔徑與哈特曼波前探測器的通光孔徑是否能對準是無法精確控制的。而為了提高哈特曼波前探測器的數據讀出速度，微透鏡後的聚焦光點要儘量佔據較少的光電探測器像素，甚至可以少到只覆蓋2X2個像素，因此將光點放大到像素尺寸之後已經看不出「圓點」的形狀，無法直接由聚焦光點的光強分布得知微透鏡陣列與待測系統孔徑間的對準關係。孔徑位置的偏差會導致邊緣部分的光點只有半個或部分進入光電探測器，這必然會導致測量結果出現偏差，從而引入很大的測量誤差。

發明內容
本發明為了解決波前探測中的孔徑對準問題，提出一種可視化的哈特曼波前探測器孔徑對準方法。目的是便於精確調節入射光束孔徑與哈特曼波前探測器孔徑的相對位置，達到對準，使微透鏡陣列的有效光點數目與設計的相同，從而保證哈特曼波前探測器的波前測量精度。下面詳述本發明在哈特曼波前探測器的轉接鏡頭上設計能插入、拔出一個凹透鏡的結構，以在進行哈特曼波前探測器與入射光束孔徑對準時，將凹透鏡插入到轉接鏡頭中的光路上，從而使哈特曼的光電探測器上的光點陣列像切換為微透鏡陣列的實物像，實現可視化地調節微透鏡陣列的位置，使入射光束孔徑與哈特曼波前探測器孔徑對準。孔徑對準完成後將凹透鏡移出光路，恢復為傳統配置的哈特曼波前探測器，可以進行波前探測。為了更好地理解本發明，下面詳述本發明的光路設計。傳統的哈特曼波前探測器的光路設計如圖I所示，由微透鏡陣列I、第一透鏡2、第二透鏡3、光電探測器4組成微透鏡光點陣列成像光路。其中微透鏡陣列I的焦距、第一透鏡2和第二透鏡3的焦距分別為f\、f2與f3，第一透鏡2到微透鏡陣列I的距離為二者的焦距之和f\+f2，以保證第一透鏡2和第二透鏡3之間的光線為平行光。第一透鏡2和第二透鏡3組成轉接鏡頭，光電探測器4置於第二透鏡3的焦點處。此處轉接鏡頭的作用是將通過微透鏡陣列I的光束口徑調整為與光電探測器4的口徑相同，使光點陣列經過轉接鏡頭後完整地重新成像於光電探測器4中。通常微透鏡陣列I的焦距、其口SD1、光電探測器4的口徑隊是已知的，則轉接鏡頭中兩透鏡的焦距f2與f3和D1與D4的關係滿足下式Vf3=D1At4(I)其中第一透鏡2的焦距f2根據微透鏡陣列I的焦距來確定，範圍在IOmm 50mm之間，設計條件比較寬鬆，而f2確定後則可以由(I)式確定第二透鏡3的焦距f3。當進行入射光束與哈特曼波前探測器孔徑對準時，首先要使光電探測器4中光點陣列的像切換為微透鏡陣列I的實物像。因此將凹透鏡5插入轉接鏡頭光路，其與第一透鏡2的距離為d3，如圖2所示，而第一透鏡2和第二透鏡3之間的距離為屯，且設計為Cl^d3+(10mm^l5mm)。此處d3的數值和凹透鏡5的焦距f5必須嚴格確定，以使微透鏡陣列I出射的光束經過凹透鏡5後變為平行光，再經第二透鏡3後會聚於光電探測器4中，呈現出微透鏡陣列I的實物像。為此計算微透鏡陣列I 一次成像於第一透鏡2後d2的位置，如圖2所示虛線的會聚點，得出d2=f JfJf2Vf1，其中為微透鏡陣列I的焦距，f2為第一透鏡2的焦距，二者皆為已知，故可算出d2 ;從一次成像位置到凹透鏡5的距離應該等於凹透鏡5的焦距f5，從而保證從微透鏡陣列I出射的光束經過凹透鏡5後變為平行光，利用光學系統對微透鏡陣列I成像的放大倍率關係，可以得出Wf^f5=D4ZD1(2) 結合(I)式可以求得凹透鏡5的焦距Z =A //曲此又確定凹透鏡5到第一透鏡2的距離d3=d2-f5=f2，即等於第一透鏡2的焦距。由於微透鏡陣列I的焦距和第一透鏡2的焦距f2都是已知數，故凹透鏡5的焦距f5和凹透鏡5到第一透鏡2的距離d3都被嚴格確定下來。按照d3決定的位置在轉接鏡頭中安放凹透鏡5的插槽，即可在其它元件不動的條件下通過插入凹透鏡5實現微透鏡陣列I在光電探測器4中成像，從而監視著微透鏡陣列I的實物像在光束截面的二維方向上調節哈特曼波前探測器的位置，使邊緣的微透鏡儘可能完整地進入光電探測器4的視場，使有效微透鏡數達到設計值，從而完成哈特曼波前探測器孔徑與入射光束孔徑的對準；然後將凹透鏡5移出光路，即可進行波前探測。


圖I是哈特曼波前探測器的光路與凹透鏡待插入位置的說明圖。其中I是焦距為f的微透鏡陣列，2是焦距為f2的第一透鏡，3是焦距為f3的第二透鏡，4為光電探測器，5為凹透鏡。微透鏡陣列I與第一透鏡2間的距離為二者的焦距之和，第一透鏡2與第二透鏡3組成轉接鏡頭，使進入光電探測器4的光束口徑正好調整為全口逕入射，光電探測器4置於第二透鏡3的焦點處，使微透鏡光點陣列成像。凹透鏡5在進行孔徑對準時切入光路，位於第一透鏡2與第二透鏡3之間的特定位置上。圖2是使微透鏡陣列I在光電探測器4中實物成像的方法說明圖。其中微透鏡陣列I、第一透鏡2和第二透鏡3的焦距分別為f\、f2、f3，凹透鏡5置於第一透鏡2和第二透鏡3之間，且與第一透鏡2的距離為d3，第二透鏡3與第一透鏡2的距離為Cl1，微透鏡陣列I 一次成像於第一透鏡2後虛線的會聚點，從一次成像位置到第一透鏡2的距離為d2。圖3是具體實施例中進行參考光點陣列標定的光路圖。其中6為ZYGO幹涉儀，用來作為標準平行光光源，7為微位移臺，用來對哈特曼波前探測器的光軸進行調節，光束通過微透鏡陣列I後在決定的焦面處。圖4為具體實施例中在光電探測器4中看到的微透鏡陣列I的實物成像。其中(a)為孔徑對準前微透鏡陣列I的形貌圖像，(b)為孔徑對準前光點陣列的圖像，(c)為孔徑對準後微透鏡陣列I的形貌圖像，Cd)為孔徑對準後光點陣列的圖像。
具體實施例方式I)微透鏡陣列I為德國SUSS公司製作的矩形排列的圓形平凸透鏡陣列面板，單個微透鏡的直徑為150 μ m，曲率半徑3400 μ m，焦距4=4. 40mm,整個面板尺寸為IOmmX IOmmX I. 20mm,安裝在一個開有I. 5mm圓孔的機械架上，即通光口徑D1=L 5_。2)光電探測器4為高靈敏度EMCXD (英國ANDOR公司DV897)，像素數128 X 128，通光窗口為正方形I. 9mmX I. 9mm,即口徑D4=L 9mm,通光窗口內包含像素數80 X 80個，使用2X2binning模式，採樣頻率達到960Hz，探測波段350nm lOOOnm，每個微透鏡對應binning後的4X4個像素。3)第一透鏡2、第二透鏡3均為雙膠合消色差透鏡，且表面鍍有增透膜，口徑分別為5謹和6臟，第一透鏡2的焦距為10. 00臟，第二透鏡3的焦距^f2D4ZD1=U. 80謹。4)凹透鏡5也是雙膠合消色差透鏡，表面鍍有增透膜，口徑為5mm，焦距f,=f2 Ifl=Iimmm，距離第一透鏡2的距離d3=10. 00mm，第一透鏡2和第二透鏡3間的距離 d^Omm。5)按照圖2所示的光路搭建系統，其中凹透鏡5安放於一維平移機構上，可以垂直進出光路。6)進行參考光點陣列的標定如圖3所示，其中6為標準平行光光源ZYGO幹涉儀(GPIXP/D)，7為微位移臺，能夠在光軸截面上做二維方向的平移和沿光軸俯仰、扭擺轉動。將微透鏡陣列I、第一透鏡2、第二透鏡3、光電探測器4、凹透鏡5的一維平移機構固定在微位移臺7上。首先將凹透鏡5移出光路；為使平行光垂直入射微透鏡陣列1，利用ZYGO幹涉儀6監視微透鏡陣列I表面的反射光位置，調節微位移臺7的俯仰和扭擺，使微透鏡陣列I表面的反射光垂直入射進入幹涉儀，由此證明ZYGO幹涉儀6發出的平行光正入射進入哈特曼波前探測器，記錄此時光電探測器4中的光點陣列作為參考光點陣列。7)進行入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對準在ZYGO幹涉儀6與微透鏡陣列I之間任意一個位置加入孔徑為I. 2mm的孔徑光闌以模擬入射光束的出瞳。將凹透鏡5按照圖2所示平移進入光路，在光電探測器4中看到如圖4(a)所示的微透鏡陣列I的形貌圖像，看到圖像邊緣的多個微透鏡只有部分成像，說明孔徑光闌和微透鏡陣列I之間沒有對準，此時將凹透鏡5移出光路在光電探測器4中看到如圖4 (b)所示的光點陣列圖，同樣發現邊緣的多個光點不完整，這將導致錯誤的波前探測，或者是用來進行波前測量的微透鏡個數減少，只有45個，影響波前測量精度；再將凹透鏡5移入光路，調整微位移臺7的兩個平移旋鈕，使哈特曼波前探測器整體垂直於光軸發生平移，尋找與孔徑光闌的對準位置，一邊調整一邊監測光電探測器4中的微透鏡陣列I的形貌，直到上下和左右兩個直徑端點都出現完整的微透鏡時，如圖4 (c)所示，即完成入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對準過程；將凹透鏡5移出光路，檢測此時的光點陣列分布如圖4 Cd)所示，看出完整的光點數達到52個。採用此方法進行入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對準，可以保證哈特曼波前 探測器的波前測量精度達到設計精度。
權利要求
1.哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法，其特徵是在哈特曼波前探測器的轉接鏡頭上設計能插入、拔出ー個凹透鏡的結構，以在進行哈特曼波前探測器與入射光束孔徑對準時，將凹透鏡插入到轉接鏡頭中的光路上，從而使哈特曼的光電探測器上的光點陣列像切換為微透鏡陣列的實物像，實現可視化地調節微透鏡陣列的位置，使入射光束孔徑與哈特曼波前探測器孔徑對準，然後將凹透鏡移出光路即可。
2.根據權利要求I所述的哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法，其特徵是所使用的哈特曼波前探測器光路如下哈特曼波前探測器由微透鏡陣列(I)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、光電探測器(4)依次排列組成，其中微透鏡陣列(I)的焦距、第一透鏡(2)和第二透鏡(3)的焦距分別為f\、f2與f3，第一透鏡(2)到微透鏡陣列(I)的距離為二者的焦距之和f\+f2，第一透鏡(2)和第二透鏡(3)組成轉接鏡頭，光電探測器(4)置於第二透鏡(3)的焦點處；微透鏡陣列(I)的焦距も、其口徑D1，光電探測器(4)的口徑D4是已知的，第一透鏡(2)的焦距f2根據微透鏡陣列(I)的焦距も來確定，範圍在IOmm 50mm之間，則轉接鏡頭中兩透鏡的焦距f2與f3和D1與D4的關係滿足^A3=D1ZD4，從而確定第二透鏡(3)的焦距f3，第一透鏡(2)和第二透鏡(3)之間的距離為f2+(10mnTl5mm);插入轉接鏡頭光路的凹透鏡(5)，其焦距ズ=ス2 /ズ，與第一透鏡(2)的距離為其焦距f2。
3.根據權利要求2所述的哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法，其特徵在於1)微透鏡陣列(I)為德國SUSS公司製作的矩形排列的圓形平凸透鏡陣列面板，單個微透鏡的直徑為150 μ m,焦距:1^=4. 4mm,整個面板尺寸為IOmmX IOmmX I. 2mm,安裝在ー個開有I. 5mm圓孔的機械架上，即通光口徑D1=L 5mm ；2)光電探測器(4)為高靈敏度EMCXD(英國ANDOR公司DV897)，像素數128X 128，通光窗ロ為正方形I. 92mmX I. 92mm,即口徑D4=L 92mm,通光窗ロ內包含像素數80X80個，使用2X2binning模式，採樣頻率達到960Hz，探測波段350nm lOOOnm，每個微透鏡對應binning後的4X4個像素；3)第一透鏡(2)、第二透鏡(3)均為雙膠合消色差透鏡，且表面鍍有增透膜，口徑分別為 5mm 和 6mm,焦距分別為 f2=10mm、f3=12. 8mm ;4)凹透鏡(5)也是雙膠合消色差透鏡，表面鍍有增透膜，口徑為5mm，焦距f5=22.73mm,距離第一透鏡(2)的距離d3=10mm，第一透鏡(2)和第二透鏡(3)間的距離Cl1=ZOmm ；5)按照圖2所示的光路搭建系統，其中凹透鏡(5)安放於ー維平移機構上，可以垂直進出光路；6)進行參考光點陣列的標定按照圖3所示，採用ZYGO幹涉儀(6)為標準平行光光源，將微透鏡陣列(I)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、光電探測器(4)和凹透鏡(5)的一維平移機構固定在微位移臺(7)上，微位移臺(7)，能夠在光軸截面上做ニ維方向的平移和沿光軸俯仰、扭擺轉動；將凹透鏡(5)移出光路；利用ZYGO幹涉儀(6)監視微透鏡陣列(I)表面的反射光，調節微位移臺(7)的俯仰和扭擺，直至使微透鏡陣列(I)表面的反射光垂直入射進入幹涉儀，記錄此時光電探測器(4)中的光點陣列作為參考光點陣列；7)進行入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對準在ZYGO幹涉儀(6)與微透鏡陣列(I)之間任意ー個位置加入孔徑為I. 2mm的孔徑光闌以模擬入射光束的出瞳將凹透鏡(5)按照權利要求I所述的位置平移進入光路，在光電探測器(4)中看到微透鏡陣列(I)的形貌圖像，調整微位移臺(7)的平移旋鈕，使哈特 曼波前探測器整體垂直於光軸發生平移，尋找與孔徑光闌的對準位置，一邊調整一邊監測光電探測器(4)中的微透鏡陣列(I)的形貌，直到上下和左右兩個直徑端點都出現完整的微透鏡時，即完成入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對準過程；將凹透鏡(5)移出光路。
全文摘要
本發明是哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對準方法。其特徵如圖所示，傳統的哈特曼波前探測器由微透鏡陣列1、第一透鏡2、第二透鏡3、光電探測器4組成，其中第一透鏡2、第二透鏡3構成哈特曼波前探測器的轉接鏡頭；本發明在哈特曼波前探測器的轉接鏡頭上設計能插入、拔出的凹透鏡5，當進行哈特曼波前探測器與入射光束孔徑對準時，將凹透鏡5插入到轉接鏡頭中的光路上，從而使光電探測器4上的光點陣列像切換為微透鏡陣列1的實物像，實現可視化地調節微透鏡陣列1的位置，使入射光束孔徑與哈特曼波前探測器孔徑對準。孔徑對準完成後將凹透鏡5移出光路，恢復為傳統配置的哈特曼波前探測器，可以進行波前探測。
文檔編號G01J9/00GK102829882SQ20121026403
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者宣麗, 穆全全, 曹召良, 胡立發, 彭增輝, 李大禹, 劉永剛, 夏明亮, 姚麗雙, 楊程亮, 魯興海 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所