波前傳感器的製作方法

2023-09-27 06:25:55 2

專利名稱：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，尤其涉及一種哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件。
哈特曼波前傳感器基於改進的哈特曼測試法。哈特曼測試法是哈特曼1900年發明的用於檢測天文望遠鏡鏡面質量的方法，該方法在1900年出版的《儀器雜誌》20期47頁「分光鏡的製作和檢測評述」中公開(參考文獻「Bemerkungen underden Bau und die Justirung von Spektrogaphen」Zeit.f.Instrument20，P47，1900)。哈特曼波前傳感器是對哈特曼測試法進行改進的基礎上發展起來的，於1971年出版的《美國光學學會雜誌》61期，656頁「雙凸透鏡式哈特曼板的製作和應用」中公開。(參考文獻「production and use of alenticular Hartmann screen」J.Opt.Soc.Am 61，P656，1971)。經典哈特曼法的測量原理是在被測物鏡(或反射鏡)入射孔徑上放置哈特曼光闌，使入射光線通過哈特曼光闌的小孔後被分為細光束，通過探測細光束形成的光斑位置信號，計算被測物鏡的像差。哈特曼波前傳感器則在此基礎上採用孔徑分割元件和聚焦光學元件分割入射波前的被測孔徑，並將其聚焦到CCD探測器上，形成光斑；通過計算機對CCD探測到的光斑信號進行處理，計算光斑的重心位置，獲得被測入射波前的波面誤差信息。由此哈特曼波前傳感器常被應用於自適應光學系統。
現有的哈特曼波前傳感器，通常採用微透鏡陣列作為孔徑分割元件分割光束孔徑，並將入射光聚焦到CCD探測器的光敏靶面，或者通過一轉像系統將微透鏡的焦面光斑圖象成像於CCD探測器光敏靶面。這種哈特曼波前傳感器在1997年《國際光學工程學會會議錄》314卷，398頁「用於光學檢測的哈特曼波前傳感器」的文章中公開，(參考文獻「Hartmann Sensers for Optical Testing」SPIE Vol.314，P398，1997)。這類哈特曼傳感器的缺陷在於其孔徑分割元件微透鏡陣列與CCD探測器的耦合技術比較複雜，微透鏡陣列的微透鏡單元的焦距誤差不一致導致影響傳感器精度，對微透鏡陣列製作技術的要求很高，安裝、調試困難，不適宜大批量製造。我們曾提出和製作過一種帶有不同楔角的稜鏡(本文中「稜鏡」一律指光楔或楔板，下同)組成的分割鏡分割光束孔徑，並用物鏡聚焦於CCD光敏靶面的哈特曼傳感器，可以克服孔徑分割元件與CCD探測器耦合的困難。這種哈特曼傳感器在1995年《光電工程》22卷1期38～45頁「37單元自適應光學系統」中公開(參考文獻「37單元自適應光學系統」，光電工程，22卷1期38～45頁，1995年)。但用單個子稜鏡拼裝成孔徑分割元件的製造技術複雜而昂貴，也不適宜於批量生產。
本發明的目的在於克服現有技術的不足而提供一種適宜於工業化批量生產的哈特曼波前傳感器。
本發明的目的可以通過以下措施實現哈特曼波前傳感器包括孔徑分割元件、聚焦光學元件和CCD探測器，聚焦光學元件聚焦透鏡的焦平面與CCD探測器的光敏靶面重合；孔徑分割元件是由多個子稜鏡組成的一維或者二維的微稜鏡陣列，稜鏡是光楔或楔板，微稜鏡陣列和子稜鏡可根據需要製造成各種孔徑的形狀，子稜鏡的數量只受限於製作技術，相鄰子稜鏡的楔角或等效楔角可以不同，入射波前經過微稜鏡陣列和聚焦透鏡會聚於CCD探測器的光敏靶面。
本發明的目的也可以通過以下措施實現哈特曼波前傳感器包括孔徑分割元件、聚焦光學元件和CCD探測器，聚焦光學元件的焦平面與CCD探測器的光敏靶面重合；孔徑分割元件和聚焦光學元件是微稜鏡陣列和聚焦透鏡製作於同一光學基板的集成式孔徑分割-聚焦元件，光學基板的兩個側面分別是微稜鏡陣列和聚焦透鏡，入射波前通過集成式孔徑分割-聚焦元件分割會聚於CCD探測器的光敏靶面。
本發明的目的還可通過以下措施實現哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件可以是二元菲涅爾微稜鏡陣列，也可以是連續表面微稜鏡陣列，還可以是梯度折射率的微稜鏡陣列。
本發明與現有技術相比有以下優點本發明所公開的哈特曼波前傳感器，其孔徑分割元件是採用微光學技術或二元光學技術製作的微光學元件一集成式微稜鏡陣列，較之於用單個子稜鏡拼裝的孔徑分割元件，具有結構簡單、穩定的優點。微稜鏡陣列是由多個子稜鏡相鄰排列組成的一維或者二維陣列。微稜鏡陣列和子稜鏡可以根據需要設計並製作成為各種形狀，故能適應入射波前各種形狀的孔徑。微稜鏡陣列包含的子稜鏡是採用微光學技術或二元光學技術製造的微稜鏡。子稜鏡的楔角可以根據要求設計製作，精度較易控制，故能保證入射波前的各個子孔徑焦點光斑會聚在CCD光敏靶面的所需位置。
本發明所公開的哈特曼波前傳感器，採用聚焦透鏡作為聚焦元件，所有子波前通過公共的聚焦透鏡會聚到CCD探測器光敏靶面，克服了現有技術中微透鏡陣列的微透鏡單元焦距不一致對哈特曼波前傳感器精度產生的影響。
本發明所公開的這種波前傳感器避免了分別加工單個子稜鏡，然後進行子稜鏡拼裝的複雜、繁瑣、昂貴的工藝；並且製作時只要保證聚焦透鏡焦面與CCD探測器光敏靶面重合，所需的自由度遠少於現有技術，安裝和調試比較容易，因此適合於工業化批量生產。
本發明公開的另一技術方案由微稜鏡陣列和聚焦透鏡集成在一起構成的集成式孔徑分割-聚焦元件和CCD探測器組成哈特曼波前傳感器，不僅具有上述優點，而且省去了微稜鏡陣列和聚焦透鏡之間的裝調機構，進一步簡化了波前傳感器的結構和裝調工藝。


圖1是本發明實施例一的哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖2是實施例一哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件的結構示意圖。
圖3是圖2的右視圖。
圖4是本發明實施例二的哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖5是實施例二哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件的結構示意圖。
圖6是圖5的右視圖。
圖7是實施例三的哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖8是實施例三哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件的結構示意圖。
圖9是圖8的左視圖(示意圖)。
圖10表示實施例三孔徑分割元件的梯度折射率子稜鏡的坐標。
圖11是實施例四的哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
圖12是實施例四的哈特曼波前傳感器的集成式孔徑分割-聚焦元件結構示意圖。
圖13是圖12的左視圖。
圖14是實施例五的哈特曼波前傳感器的結構示意圖。
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，本發明實施例一的哈特曼波前傳感器，由分割入射波前的孔徑分割元件、聚焦光學元件和CCD探測器3組成。孔徑分割元件是採用微光學技術或二元光學技術製作的集成式二元菲涅爾微稜鏡陣列1。聚焦光學元件是聚焦透鏡2。所用的CCD探測器3(型號XC-77)是一種利用光電子效應、輸出光電流隨入射光強變化的器件。聚焦透鏡2的焦面與CCD探測器3的光敏靶面4重合。被測光學系統的入射波前通過二元菲涅爾微稜鏡陣列1，再經聚焦透鏡2會聚於CCD探測器3的光敏靶面4。
圖2所示為二元菲涅爾微稜鏡陣列1的結構示意圖。圖3是該結構示意圖的右視圖。如圖3所示，二元菲涅爾微稜鏡陣列1的形狀為四邊形，是由九個子稜鏡5(包括子稜鏡5-1、子稜鏡5-2等)組成的二維陣列。光學系統的入射波前經過二元菲涅爾微稜鏡陣列1時被子稜鏡5分割成九個子孔徑。每個子稜鏡5是具有一定的楔角6的四邊形微稜鏡。如圖2所示，相鄰的子稜鏡5-1的楔角6和子稜鏡5-2的等效楔角(子稜鏡5-2的等效楔角為零)彼此不同。
入射波前經過二元菲涅爾微稜鏡陣列1時被子稜鏡5偏折一定角度，再經聚焦透鏡2會聚於CCD探測器3的光敏靶面4，形成子孔徑光斑。每個子孔徑焦點光斑在CCD探測器3光敏靶面4上的位置因各子稜鏡5的楔角6不同而彼此相互分開，形成光斑陣列。CCD探測器3接收到的光斑信號可通過計算機進行處理，由公式①計算光斑的位置(xi，yi)，探測全孔徑的波面誤差信息xi=m=1Mn=1NxnmInmm=1Mn=1NInm,yi=m=1Mn=1NynmInmm=1Mn=1NInm---(1)]]>(式中，m＝1~M，n＝1~N為子孔徑映射到CCD探測器3光敏靶面4上對應的像素區域，Inm是CCD探測器3光敏靶面4上第(n，m)個像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m)個像素的x坐標和y坐標)。再根據公式②計算入射波前的波前斜率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))，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖4所示，本發明實施例二的哈特曼波前傳感器，由孔徑分割元件、聚焦光學元件和CCD探測器9(型號XC-77)組成。孔徑分割元件是由微光學技術或二元光學技術製作的連續表面微稜鏡陣列7。聚焦光學元件聚焦透鏡8的焦平面與CCD探測器9的光敏靶面10重合。被測光學系統的入射波前通過聚焦透鏡8後，再經過連續表面微稜鏡陣列7，被分割會聚於CCD探測器9的光敏靶面10。
圖5所示為連續表面微稜鏡陣列7的結構示意圖。如該結構示意圖的右視6所示，連續表面微稜鏡陣列7的形狀為四邊形，包含的二十五個子稜鏡11(包括子稜鏡11-1，子稜鏡11-2等)排列為二維陣列。子稜鏡11是由微光學技術製作的連續表面微稜鏡。如圖5所示，相鄰子稜鏡11-1的楔角12和子稜鏡11-2的楔角13彼此不同。
光學系統的入射波前被分割會聚於CCD探測器9的光敏靶面10，形成光斑陣列。CCD探測器9接收到的光斑陣列信號通過計算機進行處理，由實施例一中所述的公式①計算像素信號重心的位置，再利用實施例一中所述的公式②計算波前斜率，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖7所示，本發明實施例三的波前傳感器，由微光學技術或二元光學技術製作的集成式梯度折射率微稜鏡陣列14、聚焦透鏡15和CCD探測器16(型號XC-77)組成。聚焦透鏡15的焦平面與CCD探測器16的光敏靶面17重合。
圖8所示為梯度折射率微稜鏡陣列14的結構示意圖。如圖8的左視9所示，梯度折射率微稜鏡陣列14是一維的陣列，由五個子稜鏡18(包括子稜鏡18-1、子稜鏡18-2等)集成在一起構成。子稜鏡18是具有梯度折射率的六邊形微稜鏡。子稜鏡18-2的梯度折射率為零。其餘子稜鏡的梯度折射率由下式表示n(x,y)=F(x,y)=1f(x|x|+y|y|)---(3)]]>(式中，f為聚焦透鏡15的焦距，δ為子稜鏡18的基板厚度，x、y為子稜鏡18的坐標值；子稜鏡18、18-1、18-3、18-4的坐標位置如圖10所示；圖10中，橫坐標為x，縱坐標為y；Δx、Δy為子稜鏡18形成的子孔徑光斑在聚焦透鏡15焦平面的偏移量)。
被測入射波前經過梯度折射率微稜鏡陣列14，由於子稜鏡18具有梯度折射率而被偏折一定角度，再經聚焦透鏡15會聚於CCD探測器16的光敏靶面17，形成子孔徑光斑。每個子孔徑焦點光斑在CCD探測器16的光敏靶面17上的位置因各個子稜鏡18的梯度折射率不同而彼此相互分開，形成光斑陣列。CCD探測器16接收到的光斑信號通過計算機進行處理，由實施例一中所述公式①計算像素信號重心的位置；再利用實施例一中所述公式②計算波前斜率，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖11所示，本發明實施例四的哈特曼波前傳感器，由集成式孔徑分割-聚焦元件19和CCD探測器20(型號XC-77)組成。被測光學系統的入射波前經集成式孔徑分割-聚焦元件19分割會聚於CCD探測器20的光敏靶面21。
圖12所示為集成式孔徑分割-聚焦元件19的結構示意圖。如圖12所示，集成式孔徑分割-聚焦元件19是由微光學技術或二元光學技術將連續表面微稜鏡陣列22和聚焦透鏡23集成在同一光學基板上構成。連續表面微稜鏡陣列22和聚焦透鏡23分別是同一光學基板的兩個側面。聚焦透鏡23的焦平面與CCD探測器20的光敏靶面21重合。
實施例四中，連續表面微稜鏡陣列22是集成式孔徑分割-聚焦元件19的入射面，聚焦透鏡23是集成式孔徑分割-聚焦元件19的出射面。(聚焦透鏡和微稜鏡陣也可以分別作為集成式孔徑分割-聚焦元件的入射面和出射面。如圖14所示的實施例五中的哈特曼波前傳感器，由集成式孔徑分割-聚焦元件27和CCD探測器28(型號XC-77)組成，集成式孔徑分割-聚焦元件27的入射面是聚焦透鏡30，出射面為微稜鏡陣列31，聚焦透鏡30的焦平面與CCD探測器28的光敏靶面29重合；被測入射波前經過集成式孔徑分割-聚焦元件27的聚焦透鏡30，再經微稜鏡陣列31，分割、會聚於CCD探測器28的光敏靶面29。)如圖13所示，實施例四的集成式孔徑分割-聚焦元件19的連續表面微稜鏡陣列22是圓形形狀，包含二十一個子稜鏡24(包括子稜鏡24-1、子稜鏡24-2等)。子稜鏡24是採用微光學技術製作的連續表面微稜鏡。如圖12所示，子稜鏡24具有一定的楔角。相鄰子稜鏡24-1的楔角25和子稜鏡24-2的楔角26彼此不同。
被測光束入射到集成式孔徑分割-聚焦元件19，被連續表面微稜鏡陣列22分割為多個子孔徑，再經集成式孔徑分割-聚焦元件19的聚焦透鏡23會聚於CCD探測器20光敏靶面21的不同位置，形成光斑陣列。CCD探測器20接收到的光斑信號通過計算機進行處理，由實施例一中所述的公式①計算像素信號重心的位置，即可探測全孔徑的波面誤差信息；再利用實施例一中所述的公式②計算波前斜率，實現哈特曼波前傳感器檢測信號的功能。
權利要求
1.一種哈特曼波前傳感器，包括孔徑分割元件、聚焦光學元件和CCD探測器(3)，聚焦光學元件聚焦透鏡(2)的焦平面與CCD探測器(3)的光敏靶面(4)重合；其特徵在於孔徑分割元件是由多個子稜鏡(5)組成的一維或者二維的微稜鏡陣列(1)，稜鏡是光楔或楔板，微稜鏡陣列(1)和子稜鏡(5)可根據需要製造成各種孔徑的形狀，子稜鏡(5)的數量只受限於製作技術，相鄰子稜鏡(5)的楔角或等效楔角(6)可以不同；入射波前通過微稜鏡陣列(1)和聚焦透鏡(2)分割會聚於CCD探測器(3)的光敏靶面(4)。
2.一種哈特曼波前傳感器，包括孔徑分割元件、聚焦光學元件和CCD探測器(20)，聚焦光學元件的焦平面與CCD探測器(20)的光敏靶面(21)重合；其特徵在於孔徑分割元件和聚焦光學元件是微稜鏡陣列(22)和聚焦透鏡(23)製作於同一光學基板的集成式孔徑分割-聚焦元件(19)，光學基板的兩個側面分別是微稜鏡陣列(22)和聚焦透鏡(23)，入射波前通過集成式孔徑分割-聚焦元件(19)分割會聚於CCD探測器(20)的光敏靶面(21)。
3.根據權利要求1和2所述的哈特曼波前傳感器，其特徵在於孔徑分割元件可以是二元菲涅爾微稜鏡陣列(1)，也可以是連續表面微稜鏡陣列(7)，還可以是梯度折射率微稜鏡陣列(14)。
全文摘要
本發明公開的用於自適應光學系統的波前傳感器,由包含多個子稜鏡(即光楔或楔板,下同)的集成式微稜鏡陣列構成的孔徑分割元件、聚焦透鏡和CCD探測器組成;或者由微稜鏡陣列和聚焦透鏡集成於同一光學基板構成集成式孔徑分割－聚焦元件。被測入射波前通過孔徑分割元件和聚焦光學元件分割會聚於CCD探測器。集成式微稜鏡陣列是一種微光學元件。本發明結構簡單、穩定,精度較高,容易安裝調試,適合於工業化批量生產。
文檔編號G01D5/26GK1385675SQ01108430
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