一種波前傳感器的製作方法
2023-09-27 06:25:40
專利名稱：一種波前傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波前傳感器，尤其涉及一和新結構的哈特曼波前傳感器。
哈特曼波前傳感器是一種動態波前檢測儀器，哈特曼波前傳感器採用孔徑分割元件和聚焦元件將入射波前分割為子孔徑，再將其聚焦於CCD探測器光敏靶面，形成光斑陣列，通過計算機對CCD探測器接收的光斑信號進行處理，獲得入射波前的波面誤差信號。
現有的哈特曼波前傳感器通常採用微透鏡陣列與CCD探測器耦合的結構。1995年7月20日美國光學協會出版的《應用光學》期刊34卷21期第4186頁的「哈特曼和剪切幹涉波前傳感器的基本性能比較」一文公開的一種哈特曼波前傳感器，即採用這種結構，由微透鏡陣列和CCD探測器通過機械機構耦合在一起構成。(參考文獻Byron M.Welsh，Brent L.Ellerbroek，Micheal C.Roggemann，Timothy L.Pennington「Fundamental performance comparison of aHartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor」20 July1995 APPLIED OPTICS Vol.34，No.21 4186-4195)這種哈特曼波前傳感器的缺陷在於結構複雜、體積較大、牢固程度相對較差；尤其在有振動的情況下工作時，微透鏡陣列和CCD探測器之間容易產生相對位移，精度易受影響；由於存在耦合機構，其安裝、調試非常困難。
本發明的目的在於克服現有技術的不足而提供一種結構簡單、穩定，精度不易受振動影響的集成式哈特曼波前傳感器。
本發明的目的可通過以下技術措施實現哈特曼波前傳感器由微透鏡陣列和背照式CCD探測器組成，微透鏡陣列的焦平面和背照式CCD探測器的光敏靶面重合；該哈特曼波前傳感器是由背照式CCD探測器，和在其上製作成的微透鏡陣列構成的集成晶片，集成晶片的正面是由多個子透鏡組成的一維或二維的微透鏡陣列，其反面是背照式CCD探測器的光敏靶面；微透鏡陣列和子透鏡具有各種形狀，每個子透鏡與背照式CCD探測器光敏靶面上(n×m)個像素的位置相對應，其中，n＝1～N，m＝1～M，並須滿足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥(2，2)。
本發明的目的可以通過以下技術措施實現哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列可以是二元菲涅爾微透鏡陣列，也可以是連續表面微透鏡陣列，亦可以是梯度折射率微透鏡陣列。
本發明的目的還可通過以下技術措施實現哈特曼波前傳感器梯度折射率微透鏡陣列的子透鏡的折射率從中心向邊緣呈梯度變化。
本發明與現有技術相比有如下優點本發明所公開的集成式哈特曼波前傳感器，採用微光學技術或二元光學技術直接將微透鏡陣列製作在背照式CCD探測器上，構成哈特曼波前傳感器集成晶片。微透鏡陣列與背照式CCD探測器集成於一體，二者之間的相對位置完全固定，結構簡單，穩定性高，精度不易受到振動影響，能在惡劣條件下正常工作；同時由於微透鏡陣列與背照式CCD探測器之間不需要耦合結構，避免了複雜的耦合技術。這種集成式哈特曼波前傳感器，其微透鏡陣列以及所包含的子透鏡可根據需要製作成各種形狀，能適應入射波前的不同形狀；且有波前誤差獲取方便、速度快、適用波長範圍大等優點，可廣泛應用於自適應光學系統。
圖1為本發明實施例一集成式哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖2為圖1的左視圖。
圖3為圖1的右視圖。
圖4為本發明實施例的集成式哈特曼波前傳感器的原理示意圖。
圖5為本發明實施例二集成式哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖6為圖5的左視圖。
圖7為圖5的右視圖。
圖8為本發明實施例三集成式哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖9為圖8的右視圖。
圖10為實施例三梯度折射率微透鏡陣列的子透鏡軸向截面的坐標。
圖11為實施例三梯度折射率微透鏡陣列的子透鏡的折射率分布曲線。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，本發明實施例一的集成式哈特曼波前傳感器包括二元菲涅爾微透鏡陣列1和背照式CCD探測器2。背照式CCD探測器2是一種光電轉換器件，由光敏單元、透明電極等通過集成電路工藝在一塊基片上製作而成，其光敏單元的光敏靶面3位於基片的背面。通過微光學技術或二元光學技術將微透鏡陣列1製作於背照式CCD探測器2的基片上，成為哈特曼波前傳感器集成晶片，微透鏡陣列1和背照式CCD探測器2的光敏靶面3分別位於集成晶片的兩個側面，集成晶片的背面是CCD探測器2的光敏靶面3，其正面是由多個子透鏡4組成的一維或二維的微透鏡陣列1。設計製作時精確確定微透鏡陣列1和CCD探測器2之間的相對位置，保證微透鏡陣列1的焦平面和CCD探測器2的光敏靶面3重合。
如圖2所示，二元菲涅爾微透鏡陣列1是由二個子透鏡4組成的一維陣列。子透鏡4是微光學技術或二元光學技術製作的臺階型的二元菲涅爾微透鏡。子透鏡4的焦平面是微透鏡陣列1的焦平面。如圖3所示，背照式CCD探測器2的光敏靶面3上共有八個像素5，與入射波前的全孔徑相對應。二元菲涅爾微透鏡陣列1包含的二個子透鏡4將入射波前全孔徑分割為二個子孔徑。每個子透鏡4與背照式CCD探測器2的光敏靶面3上(2×2)個像素5的位置相對應。
如圖4所示，當任意波前入射到集成式哈特曼波前傳感器時，被微透鏡陣列1分割成若干子波前。被分割的子波前分別經子透鏡4會聚，在背照式CCD探測器2的光敏靶面3上形成子孔徑光斑；子孔徑光斑組成光斑陣列。光斑的中心位置(xi，yi)由①式計算xi=m=1Mn=1NxnmInmm=1Mn=1NInm,yi=m=1Mn=1NynmInm,m=1Mn=1NInm,---(1)]]>①式中，xi，yj分別是像素5在x、y方向的坐標；n＝1～N，m＝1～M是子透鏡4映射到CCD探測器2的光敏靶面3上對應的像素5(實施例一中，n＝N＝2，m＝M＝2)，Inm為第(n，m)個像素5輸出的光斑強度值。
通過①式可以計算所有光斑的位置。然後，根據②式求出波前斜率gxi，gyigxi=xi-x0f,gyi=yi-y0f---(2)]]>(式中，(x0，y0)為標準平面波標定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準位置；哈特曼傳感器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(xi，yi))，實現哈特曼波前傳感器對畸變波前的探測功能。
如圖5所示，實施例二的集成式哈特曼波前傳感器，是包括連續表面微透鏡陣列6和背照式CCD探測器7的集成晶片。連續表面微透鏡陣列6與背照式CCD探測器7的光敏靶面8分別位於集成晶片的正面和背面，二者之間的相對位置靠加工保證。如圖6所示，連續表面微透鏡陣列6是由七個子透鏡9組成的二維陣列，形狀為圓形。子透鏡9是六邊形的連續表面微透鏡，其焦平面也是連續表面微透鏡陣列6的焦平面，與CCD探測器7的光敏靶面8重合。如圖7所示，背照式CCD探測器7的光敏靶面8上共有二十八個像素10。七個子透鏡9將入射波前的全孔徑分割為七個子孔徑。其中，每個子透鏡9與背照式CCD探測器7的光敏靶面8上(2×2)個像素10的位置相對應。
入射波前經過連續表面微透鏡陣列6被分割、會聚在CCD探測器7的光敏靶面8上，形成光斑陣列。通過同實施例一所述的公式①計算所有光斑的位置(xi，yi)。然後，根據實施例一所述的公式②求出波前斜率gxi，gyi，實現哈特曼波前傳感器的探測功能。
如圖8所示，本發明實施例三的集成式哈特曼波前傳感器，是由梯度折射率微透鏡陣列11和背照式CCD探測器12組成的集成晶片。集成晶片的正面和背面分別是梯度折射率微透鏡陣列11和背照式CCD探測器12的光敏靶面13。梯度折射率微透鏡陣列11的焦平面和CCD探測器12的光敏靶面13重合。梯度折射率微透鏡陣列11由四個子透鏡14排列成2行×2列的矩陣組成。子透鏡14將入射波前的全孔徑分割為四個子孔徑。如圖9所示，背照式CCD探測器12的光敏靶面13上共有十六個像素15。每個子透鏡14與背照式CCD探測器12光敏靶面13上的(2×2)個像素15的位置相對應。
如圖8所示，梯度折射率微透鏡陣列11的子透鏡14為摻入其它物質的梯度折射率微透鏡。入射波前經過梯度折射率微透鏡陣列11時被分割為子波前，子波前因子透鏡14的折射率呈梯度變化而會聚到背照式CCD探測器12的光敏靶面13上。實施例三中，梯度折射率子透鏡14是圓柱體(亦可以是其它形狀)，其垂直於光軸的截面是半徑為r的圓形(圖10表示子透鏡14軸向截面的坐標，17為截面圓形的半徑r)，每個子透鏡14的折射率n從截面圓形的中心向邊緣呈梯度變化，其折射率分布曲線如圖11所示(圖11中縱坐標表示子透鏡14的折射率n，橫坐標表示子透鏡14截面圓形的半徑r)。
入射波前經過梯度折射率微透鏡陣列11分割會聚後，在CCD探測器12的光敏靶面13上形成光斑陣列。通過同實施例一所述的公式①計算所有光斑的位置(xi，yi)。然後，根據實施例一所述的公式②求出波前斜率gxi，gyi，實現哈特曼波前傳感器對畸變波前的探測功能
權利要求
1.一種哈特曼波前傳感器，包括微透鏡陣列(1)和背照式CCD探測器(2)，微透鏡陣列(1)的焦平面和背照式CCD探測器(2)的光敏靶面(3)重合；其特徵在於該哈特曼波前傳感器是由背照式CCD探測器(2)，和在其上製作成的微透鏡陣列(1)構成的集成晶片，集成晶片的正面是由多個子透鏡(4)組成的一維或二維的微透鏡陣列(1)，其反面是背照式CCD探測器(2)的光敏靶面(3)；微透鏡陣列(1)和子透鏡(4)具有各種形狀，每個子透鏡(4)與背照式CCD探測器(2)光敏靶面(3)上(n×m)個像素的位置相對應，其中，有n＝1～N，m＝1～M，並須滿足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥(2，2)。
2.根據權利要求1所述的哈特曼波前傳感器，其特徵在於微透鏡陣列可以是二元菲涅爾微透鏡陣列(1)，也可以是連續表面微透鏡陣列(6)，還可以是梯度折射率微透鏡陣列(11)。
3.根據權利要求1和2所述的哈特曼波前傳感器，其特徵在於梯度折射率微透鏡陣列(11)的子透鏡(14)的折射率從中心向邊緣呈梯度變化。
全文摘要
本發明公開了一種由微光學技術或二元光學技術製作的集成式哈特曼波前傳感器,是由微透鏡陣列和背照式CCD探測器構成的集成晶片。微透鏡陣列的子透鏡單元映射到CCD探測器的光敏靶面上像素區域內所包含的像素不少於2×2。本發明的結構保證了微透鏡陣列與CCD探測器之間的相對位置完全固定,避免了複雜的耦合裝調技術,結構簡單、穩定,減小了振動對傳感器精度的影響,能在較惡劣條件下工作,可用於自適應光學系統。
文檔編號G01D5/26GK1385676SQ0110843
公開日2002年12月18日 申請日期2001年5月16日 優先權日2001年5月16日
發明者張雨東, 凌寧, 姜文漢 申請人:中國科學院光電技術研究所