專利名稱：哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對(duì)準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電信號(hào)探測領(lǐng)域，涉及一種用于波前形狀測量的光學(xué)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(duì)準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
哈特曼波前探測器是一種在光學(xué)面形檢測、光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)、尤其是在自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)中廣泛使用的波前測量裝置。傳統(tǒng)的哈特曼波前探測器主要包括微透鏡陣列、轉(zhuǎn)接鏡頭、光電探測器(通常為CXD或CMOS)和數(shù)據(jù)處理軟件。入射光先通過微透鏡陣列，然后通 過轉(zhuǎn)接鏡頭使光束直徑正好與光電探測器的口徑相同而進(jìn)入其中成像，最后從光電探測器上讀出探測數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)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(xué)波前進(jìn)行空間分害I]，使得每個(gè)子波面上只有簡單的傾斜而沒有高階像差，其通過微透鏡后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(gè)光點(diǎn)陣列。具有傾斜的子波前對(duì)應(yīng)的聚焦光點(diǎn)在光電探測器中發(fā)生位置偏移，其偏移量與子波前的傾斜量和傾斜方向嚴(yán)格相關(guān)。因此，在獲得子波前傾斜信息的空間分布后就可以重構(gòu)出整個(gè)波前的畸變分布。在哈特曼波前探測器與待探測系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接時(shí)，通常只考慮光束需要正入射進(jìn)入哈特曼波前探測器，以減少波前的傾斜像差。而對(duì)于入射光束是否能完整地覆蓋所設(shè)計(jì)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(duì)準(zhǔn)是無法精確控制的。而為了提高哈特曼波前探測器的數(shù)據(jù)讀出速度，微透鏡后的聚焦光點(diǎn)要盡量占據(jù)較少的光電探測器像素，甚至可以少到只覆蓋2X2個(gè)像素，因此將光點(diǎn)放大到像素尺寸之后已經(jīng)看不出“圓點(diǎn)”的形狀，無法直接由聚焦光點(diǎn)的光強(qiáng)分布得知微透鏡陣列與待測系統(tǒng)孔徑間的對(duì)準(zhǔn)關(guān)系?？讖轿恢玫钠顣?huì)導(dǎo)致邊緣部分的光點(diǎn)只有半個(gè)或部分進(jìn)入光電探測器，這必然會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，從而引入很大的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決波前探測中的孔徑對(duì)準(zhǔn)問題，提出一種可視化的哈特曼波前探測器孔徑對(duì)準(zhǔn)方法。目的是便于精確調(diào)節(jié)入射光束孔徑與哈特曼波前探測器孔徑的相對(duì)位置，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)，使微透鏡陣列的有效光點(diǎn)數(shù)目與設(shè)計(jì)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(fā)明在哈特曼波前探測器的轉(zhuǎn)接鏡頭上設(shè)計(jì)能插入、拔出一個(gè)凹透鏡的結(jié)構(gòu)，以在進(jìn)行哈特曼波前探測器與入射光束孔徑對(duì)準(zhǔn)時(shí)，將凹透鏡插入到轉(zhuǎn)接鏡頭中的光路上，從而使哈特曼的光電探測器上的光點(diǎn)陣列像切換為微透鏡陣列的實(shí)物像，實(shí)現(xiàn)可視化地調(diào)節(jié)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(duì)準(zhǔn)?？讖綄?duì)準(zhǔn)完成后將凹透鏡移出光路，恢復(fù)為傳統(tǒng)配置的哈特曼波前探測器，可以進(jìn)行波前探測。為了更好地理解本發(fā)明，下面詳述本發(fā)明的光路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的哈特曼波前探測器的光路設(shè)計(jì)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(diǎn)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(zhuǎn)接鏡頭，光電探測器4置于第二透鏡3的焦點(diǎn)處。此處轉(zhuǎn)接鏡頭的作用是將通過微透鏡陣列I的光束口徑調(diào)整為與光電探測器4的口徑相同，使光點(diǎn)陣列經(jīng)過轉(zhuǎn)接鏡頭后完整地重新成像于光電探測器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(duì)是已知的，則轉(zhuǎn)接鏡頭中兩透鏡的焦距f2與f3和D1與D4的關(guān)系滿足下式Vf3=D1At4(I)其中第一透鏡2的焦距f2根據(jù)微透鏡陣列I的焦距來確定，范圍在IOmm 50mm之間，設(shè)計(jì)條件比較寬松，而f2確定后則可以由(I)式確定第二透鏡3的焦距f3。當(dāng)進(jìn)行入射光束與哈特曼波前探測器孔徑對(duì)準(zhǔn)時(shí)，首先要使光電探測器4中光點(diǎn)陣列的像切換為微透鏡陣列I的實(shí)物像。因此將凹透鏡5插入轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)為Cl^d3+(10mm^l5mm)。此處d3的數(shù)值和凹透鏡5的焦距f5必須嚴(yán)格確定，以使微透鏡陣列I出射的光束經(jīng)過凹透鏡5后變?yōu)槠叫泄?，再?jīng)第二透鏡3后會(huì)聚于光電探測器4中，呈現(xiàn)出微透鏡陣列I的實(shí)物像。為此計(jì)算微透鏡陣列I 一次成像于第一透鏡2后d2的位置，如圖2所示虛線的會(huì)聚點(diǎn)，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(yīng)該等于凹透鏡5的焦距f5，從而保證從微透鏡陣列I出射的光束經(jīng)過凹透鏡5后變?yōu)槠叫泄?，利用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)微透鏡陣列I成像的放大倍率關(guān)系，可以得出Wf^f5=D4ZD1(2) 結(jié)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，即等于第一透鏡2的焦距。由于微透鏡陣列I的焦距和第一透鏡2的焦距f2都是已知數(shù)，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(yán)格確定下來。按照d3決定的位置在轉(zhuǎn)接鏡頭中安放凹透鏡5的插槽，即可在其它元件不動(dòng)的條件下通過插入凹透鏡5實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列I在光電探測器4中成像，從而監(jiān)視著微透鏡陣列I的實(shí)物像在光束截面的二維方向上調(diào)節(jié)哈特曼波前探測器的位置，使邊緣的微透鏡盡可能完整地進(jìn)入光電探測器4的視場，使有效微透鏡數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值，從而完成哈特曼波前探測器孔徑與入射光束孔徑的對(duì)準(zhǔn)；然后將凹透鏡5移出光路，即可進(jìn)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(zhuǎn)接鏡頭，使進(jìn)入光電探測器4的光束口徑正好調(diào)整為全口徑入射，光電探測器4置于第二透鏡3的焦點(diǎn)處，使微透鏡光點(diǎn)陣列成像。凹透鏡5在進(jìn)行孔徑對(duì)準(zhǔn)時(shí)切入光路，位于第一透鏡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(shí)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置于第一透鏡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 一次成像于第一透鏡2后虛線的會(huì)聚點(diǎn)，從一次成像位置到第一透鏡2的距離為d2。圖3是具體實(shí)施例中進(jìn)行參考光點(diǎn)陣列標(biāo)定的光路圖。其中6為ZYGO干涉儀，用來作為標(biāo)準(zhǔn)平行光光源，7為微位移臺(tái)，用來對(duì)哈特曼波前探測器的光軸進(jìn)行調(diào)節(jié)，光束通過微透鏡陣列I后在決定的焦面處。圖4為具體實(shí)施例中在光電探測器4中看到的微透鏡陣列I的實(shí)物成像。其中(a)為孔徑對(duì)準(zhǔn)前微透鏡陣列I的形貌圖像，(b)為孔徑對(duì)準(zhǔn)前光點(diǎn)陣列的圖像，(c)為孔徑對(duì)準(zhǔn)后微透鏡陣列I的形貌圖像，Cd)為孔徑對(duì)準(zhǔn)后光點(diǎn)陣列的圖像。
具體實(shí)施例方式I)微透鏡陣列I為德國SUSS公司制作的矩形排列的圓形平凸透鏡陣列面板，單個(gè)微透鏡的直徑為150 μ m，曲率半徑3400 μ m，焦距4=4. 40mm,整個(gè)面板尺寸為IOmmX IOmmX I. 20mm,安裝在一個(gè)開有I. 5mm圓孔的機(jī)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?cái)?shù)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(nèi)包含像素?cái)?shù)80 X 80個(gè)，使用2X2binning模式，采樣頻率達(dá)到960Hz，探測波段350nm lOOOnm，每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)binning后的4X4個(gè)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(jǐn)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(jǐn)。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?qǐng)D2所示的光路搭建系統(tǒng)，其中凹透鏡5安放于一維平移機(jī)構(gòu)上，可以垂直進(jìn)出光路。6)進(jìn)行參考光點(diǎn)陣列的標(biāo)定如圖3所示，其中6為標(biāo)準(zhǔn)平行光光源ZYGO干涉儀(GPIXP/D)，7為微位移臺(tái)，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(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)構(gòu)固定在微位移臺(tái)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干涉儀6監(jiān)視微透鏡陣列I表面的反射光位置，調(diào)節(jié)微位移臺(tái)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(jìn)入干涉儀，由此證明ZYGO干涉儀6發(fā)出的平行光正入射進(jìn)入哈特曼波前探測器，記錄此時(shí)光電探測器4中的光點(diǎn)陣列作為參考光點(diǎn)陣列。7)進(jìn)行入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對(duì)準(zhǔn)在ZYGO干涉儀6與微透鏡陣列I之間任意一個(gè)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?qǐng)D2所示平移進(jìn)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(gè)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(duì)準(zhǔn)，此時(shí)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(diǎn)陣列圖，同樣發(fā)現(xiàn)邊緣的多個(gè)光點(diǎn)不完整，這將導(dǎo)致錯(cuò)誤的波前探測，或者是用來進(jìn)行波前測量的微透鏡個(gè)數(shù)減少，只有45個(gè)，影響波前測量精度；再將凹透鏡5移入光路，調(diào)整微位移臺(tái)7的兩個(gè)平移旋鈕，使哈特曼波前探測器整體垂直于光軸發(fā)生平移，尋找與孔徑光闌的對(duì)準(zhǔn)位置，一邊調(diào)整一邊監(jiān)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(gè)直徑端點(diǎn)都出現(xiàn)完整的微透鏡時(shí)，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(duì)準(zhǔn)過程；將凹透鏡5移出光路，檢測此時(shí)的光點(diǎn)陣列分布如圖4 Cd)所示，看出完整的光點(diǎn)數(shù)達(dá)到52個(gè)。采用此方法進(jìn)行入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對(duì)準(zhǔn)，可以保證哈特曼波前 探測器的波前測量精度達(dá)到設(shè)計(jì)精度。
權(quán)利要求
1.哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對(duì)準(zhǔn)方法，其特征是在哈特曼波前探測器的轉(zhuǎn)接鏡頭上設(shè)計(jì)能插入、拔出ー個(gè)凹透鏡的結(jié)構(gòu)，以在進(jìn)行哈特曼波前探測器與入射光束孔徑對(duì)準(zhǔn)時(shí)，將凹透鏡插入到轉(zhuǎn)接鏡頭中的光路上，從而使哈特曼的光電探測器上的光點(diǎn)陣列像切換為微透鏡陣列的實(shí)物像，實(shí)現(xiàn)可視化地調(diào)節(jié)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(duì)準(zhǔn)，然后將凹透鏡移出光路即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對(duì)準(zhǔn)方法，其特征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(zhuǎn)接鏡頭，光電探測器(4)置于第二透鏡(3)的焦點(diǎn)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(jù)微透鏡陣列(I)的焦距も來確定，范圍在IOmm 50mm之間，則轉(zhuǎn)接鏡頭中兩透鏡的焦距f2與f3和D1與D4的關(guān)系滿足^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(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2所述的哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于1)微透鏡陣列(I)為德國SUSS公司制作的矩形排列的圓形平凸透鏡陣列面板，單個(gè)微透鏡的直徑為150 μ m,焦距:1^=4. 4mm,整個(gè)面板尺寸為IOmmX IOmmX I. 2mm,安裝在ー個(gè)開有I. 5mm圓孔的機(jī)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?cái)?shù)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(nèi)包含像素?cái)?shù)80X80個(gè)，使用2X2binning模式，采樣頻率達(dá)到960Hz，探測波段350nm lOOOnm，每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)binning后的4X4個(gè)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?qǐng)D2所示的光路搭建系統(tǒng)，其中凹透鏡(5)安放于ー維平移機(jī)構(gòu)上，可以垂直進(jìn)出光路；6)進(jìn)行參考光點(diǎn)陣列的標(biāo)定按照?qǐng)D3所示，采用ZYGO干涉儀(6)為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)固定在微位移臺(tái)(7)上，微位移臺(tái)(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(zhuǎn)動(dòng)；將凹透鏡(5)移出光路；利用ZYGO干涉儀(6)監(jiān)視微透鏡陣列(I)表面的反射光，調(diào)節(jié)微位移臺(tái)(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(jìn)入干涉儀，記錄此時(shí)光電探測器(4)中的光點(diǎn)陣列作為參考光點(diǎn)陣列；7)進(jìn)行入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對(duì)準(zhǔn)在ZYGO干涉儀(6)與微透鏡陣列(I)之間任意ー個(gè)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(quán)利要求I所述的位置平移進(jìn)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(diào)整微位移臺(tái)(7)的平移旋鈕，使哈特 曼波前探測器整體垂直于光軸發(fā)生平移，尋找與孔徑光闌的對(duì)準(zhǔn)位置，一邊調(diào)整一邊監(jiān)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(gè)直徑端點(diǎn)都出現(xiàn)完整的微透鏡時(shí)，即完成入射光束與哈特曼波前探測器的孔徑對(duì)準(zhǔn)過程；將凹透鏡(5)移出光路。
全文摘要
本發(fā)明是哈特曼波前探測器與入射光束的孔徑對(duì)準(zhǔn)方法。其特征如圖所示，傳統(tǒng)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(gòu)成哈特曼波前探測器的轉(zhuǎn)接鏡頭；本發(fā)明在哈特曼波前探測器的轉(zhuǎn)接鏡頭上設(shè)計(jì)能插入、拔出的凹透鏡5，當(dāng)進(jìn)行哈特曼波前探測器與入射光束孔徑對(duì)準(zhǔn)時(shí)，將凹透鏡5插入到轉(zhuǎn)接鏡頭中的光路上，從而使光電探測器4上的光點(diǎn)陣列像切換為微透鏡陣列1的實(shí)物像，實(shí)現(xiàn)可視化地調(diào)節(jié)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(duì)準(zhǔn)?？讖綄?duì)準(zhǔn)完成后將凹透鏡5移出光路，恢復(fù)為傳統(tǒng)配置的哈特曼波前探測器，可以進(jìn)行波前探測。
文檔編號(hào)G01J9/00GK102829882SQ20121026403
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者宣麗, 穆全全, 曹召良, 胡立發(fā), 彭增輝, 李大禹, 劉永剛, 夏明亮, 姚麗雙, 楊程亮, 魯興海 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所