本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種自聚焦透鏡透射波前測量裝置及方法，尤其涉及一種基于夏克-哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)自聚焦透鏡透射波前測量的裝置及方法。

背景技術(shù)：

自聚焦透鏡又稱為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。其能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生連續(xù)折射，從而實(shí)現(xiàn)出射光線平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。由于梯度折射率透鏡具有端面準(zhǔn)直、耦合和成像特性，加上它圓柱狀小巧的外形特點(diǎn)，不僅成功地應(yīng)用于成像領(lǐng)域(復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、內(nèi)窺鏡和光盤透鏡等)，而且在光纖通信中，廣泛應(yīng)用于光隔離器、光環(huán)形器、波分復(fù)用器和光濾波等無源器件以及有源耦合器件中。

對(duì)自聚焦透鏡透射波前進(jìn)行動(dòng)態(tài)高精度測量，從而直觀得到自聚焦透鏡像差與其折射率分布的關(guān)系。這將對(duì)自聚焦透鏡生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，從而提高其成像性能，具有重要的工程價(jià)值。

目前，多采用激光干涉儀法測量光學(xué)透射波前。由于自聚焦透鏡工作波段為可見光，數(shù)值孔徑大，外形尺寸小，且兩端面為平行平面，采用干涉法測量自聚焦透鏡透射波前存在如下缺點(diǎn)：1)激光干涉儀單波長工作，無法實(shí)現(xiàn)白光透射波前測量；2)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)相移式激光干涉儀易受空氣氣流擾動(dòng)和振動(dòng)的影響，動(dòng)態(tài)激光干涉儀只在特定波段工作，且測試效率和經(jīng)濟(jì)性差；3)由于自聚焦透鏡兩端面反射，使得干涉條紋相互疊加，嚴(yán)重影響透射波前測量結(jié)果。因此，采用激光干涉儀無法滿足自聚焦透鏡透射波前測試需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種不受外界環(huán)境影響以及能夠保證測試精度的基于夏克-哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)自聚焦透鏡透射波前測量的裝置及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種自聚焦透鏡透射波前測量裝置，其特征在于：所述自聚焦透鏡透射波前測量裝置包括光源、匯聚鏡、靶板、準(zhǔn)直鏡、光闌、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、夏克-哈特曼波前傳感器以及計(jì)算機(jī)；所述匯聚鏡、靶板、準(zhǔn)直鏡、光闌、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)以及夏克-哈特曼波前傳感器依次設(shè)置在光源的出射光路上；所述夏克-哈特曼波前傳感器與計(jì)算機(jī)相連；待測自聚焦透鏡置于第一顯微物鏡與第二顯微物鏡之間。

上述靶板置于準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)位置；所述靶板上設(shè)置有透光孔；所述透光孔的直徑滿足如下關(guān)系：

d＝2.44λf/d

其中：

λ為光源的中心波長；

f為準(zhǔn)直鏡的焦距；

d為準(zhǔn)直鏡的通光口徑；

d是靶板上透光孔的直徑。

上述第一顯微物鏡與第二顯微物鏡的數(shù)值孔徑均大于待測自聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。

上述定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)置于夏克-哈特曼波前傳感器的前端。

上述定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是一金屬板，該金屬板上設(shè)置有錐形透光孔；所述錐形透光孔的中心與夏克-哈特曼波前傳感器的靶面中心重合。

上述準(zhǔn)直鏡是消色差準(zhǔn)直鏡。

上述光闌是消雜光光闌。

上述光源是可見光波段范圍內(nèi)的單色光源或白光源。

一種自聚焦透鏡透射波前測量方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1)搭建自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)并對(duì)自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)的波前誤差進(jìn)行標(biāo)定；

2)根據(jù)自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)對(duì)待測自聚焦透鏡的波前進(jìn)行測量。

上述步驟1)的具體實(shí)施方式是：

1.1)搭建自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)，所述自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)包括光源、匯聚鏡、靶板、準(zhǔn)直鏡、光闌、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、夏克-哈特曼波前傳感器以及控制計(jì)算機(jī)；所述匯聚鏡、靶板、準(zhǔn)直鏡、光闌、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)以及夏克-哈特曼波前傳感器依次設(shè)置在光源的出射光路上；所述夏克-哈特曼波前傳感器與控制計(jì)算機(jī)相連；待測自聚焦透鏡置于第一顯微物鏡與第二顯微物鏡之間；

1.2)對(duì)自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)的波前誤差進(jìn)行標(biāo)定：光源輸出發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚鏡會(huì)聚到靶板的透光孔上，再經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直輸出，通過光闌以及第一顯微物鏡會(huì)聚，再通過第二顯微物鏡，入射至夏克-哈特曼波前傳感器上，通過控制計(jì)算機(jī)并分析后得到扣除離焦的波前為w0；然后，將定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)固定到夏克-哈特曼波前傳感器前端，記錄光斑的質(zhì)心位置，此位置為透射波前測量基準(zhǔn)位置；

所述步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方式是：

將待測自聚焦透鏡置于測試光路中；光源輸出發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚鏡會(huì)聚到靶板的透光孔上，再經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直輸出，通過光闌和第一顯微物鏡會(huì)聚到待測自聚焦透鏡的物方位置，經(jīng)待測自聚焦透鏡和第二顯微物鏡準(zhǔn)直成平行光，通過定位基準(zhǔn)機(jī)構(gòu)入射至夏克-哈特曼波前傳感器上；調(diào)節(jié)待測自聚焦透鏡的姿態(tài)，通過控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證光斑位置與系統(tǒng)波前誤差標(biāo)定的基準(zhǔn)位置重合；此時(shí)，取下定位基準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，計(jì)算得到測量波前為w1，則待測自聚焦透鏡的透射波前w測為：

w測＝w1-w0。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明提供了一種自聚焦透鏡透射波前測量裝置及方法，該自聚焦透鏡透射波前測量裝置包括光源、匯聚鏡、靶板、準(zhǔn)直鏡、光闌、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、夏克-哈特曼波前傳感器以及控制計(jì)算機(jī)；匯聚鏡、靶板、準(zhǔn)直鏡、光闌、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)以及夏克-哈特曼波前傳感器依次設(shè)置在光源的出射光路上；夏克-哈特曼波前傳感器與控制計(jì)算機(jī)相連；待測自聚焦透鏡置于第一顯微物鏡與第二顯微物鏡之間。本發(fā)明所提供的自聚焦透鏡透射波前測量裝置是基于夏克-哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)高精度自聚焦透鏡的透射波前測量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)激光干涉儀無法測量的缺點(diǎn)；采用大數(shù)值孔徑雙顯微物鏡實(shí)現(xiàn)了自聚焦透鏡的透射波前測量，不受自聚焦透鏡數(shù)值孔徑的限制，不受外界環(huán)境(空氣氣流擾動(dòng)、振動(dòng)等)的影響；通過事先對(duì)測量系統(tǒng)波前誤差標(biāo)定，實(shí)際測量結(jié)果將扣除系統(tǒng)波前誤差，從而提高了自聚焦透鏡透射波前測量精度；結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好，測量結(jié)果置信度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的自聚焦透鏡透射波前測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：

1-光源；2-匯聚鏡；3-靶板；4-準(zhǔn)直鏡；5-光闌；6-第一顯微物鏡；7-待測自聚焦透鏡；8-第二顯微物鏡；9-定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；10-夏克-哈特曼波前傳感器；11-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

參見圖1，本發(fā)明提供了一種自聚焦透鏡透射波前測量裝置，該自聚焦透鏡透射波前測量裝置包括光源1、匯聚鏡2、靶板3、準(zhǔn)直鏡4、光闌5、第一顯微物鏡6、第二顯微物鏡8、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9、夏克-哈特曼波前傳感器10以及計(jì)算機(jī)11；匯聚鏡2、靶板3、準(zhǔn)直鏡4、光闌5、第一顯微物鏡6、第二顯微物鏡8、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9以及夏克-哈特曼波前傳感器10依次設(shè)置在光源1的出射光路上；夏克-哈特曼波前傳感器10與計(jì)算機(jī)11相連；待測自聚焦透鏡7置于第一顯微物鏡6與第二顯微物鏡8之間。圖1中，黑實(shí)線為固定裝置，虛線為測試區(qū)域。

其中，靶板3置于準(zhǔn)直鏡4的焦點(diǎn)位置；靶板3上設(shè)置有透光孔；透光孔的直徑滿足如下關(guān)系：

d＝2.44λf/d

其中：

λ為光源1的中心波長；

f為準(zhǔn)直鏡4的焦距；

d為準(zhǔn)直鏡4的通光口徑；

d是靶板3上透光孔的直徑。

第一顯微物鏡6與第二顯微物鏡8的數(shù)值孔徑均大于待測自聚焦透鏡7的數(shù)值孔徑；定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9置于夏克-哈特曼波前傳感器10的前端，可方便拆除；定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9上設(shè)置有錐形透光孔；錐形透光孔的中心與夏克-哈特曼波前傳感器10的靶面中心重合；準(zhǔn)直鏡4是消色差準(zhǔn)直鏡，保證可見光波段范圍內(nèi)不同波長光準(zhǔn)直性一致；光闌5是消雜光光闌，可消除背景雜光對(duì)測量結(jié)果的影響；光源1是可見光波段范圍內(nèi)的單色光源或白光源。待測自聚焦透鏡7固定在五維調(diào)整機(jī)構(gòu)上。

本發(fā)明在提供一種自聚焦透鏡透射波前測量裝置的同時(shí)，還提供了一種自聚焦透鏡透射波前測量方法，該方法包括以下步驟：

1)搭建自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)并對(duì)自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)的波前誤差進(jìn)行標(biāo)定：

1.1)搭建自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)，自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)包括光源1、匯聚鏡2、靶板3、準(zhǔn)直鏡4、光闌5、第一顯微物鏡6、第二顯微物鏡8、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9、夏克-哈特曼波前傳感器10以及控制計(jì)算機(jī)11；匯聚鏡2、靶板3、準(zhǔn)直鏡4、光闌5、第一顯微物鏡6、第二顯微物鏡8、定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9以及夏克-哈特曼波前傳感器10依次設(shè)置在光源1的出射光路上；夏克-哈特曼波前傳感器10與計(jì)算機(jī)11相連；待測自聚焦透鏡7置于第一顯微物鏡6與第二顯微物鏡8之間；

1.2)對(duì)自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)的波前誤差進(jìn)行標(biāo)定：光源1輸出發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚鏡2會(huì)聚到靶板3的透光孔上，再經(jīng)準(zhǔn)直鏡4準(zhǔn)直輸出，通過光闌5以及第一顯微物鏡6會(huì)聚，再通過第二顯微物鏡8，入射至夏克-哈特曼波前傳感器10上，通過計(jì)算機(jī)11及波前采集及分析軟件得到扣除離焦的波前為w0；然后，將定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)9固定到夏克-哈特曼波前傳感器10前端，記錄光斑的中心位置，此位置為透射波前測量基準(zhǔn)位置；

2)根據(jù)自聚焦透鏡透射波前測量系統(tǒng)對(duì)待測自聚焦透鏡7的波前進(jìn)行測量。

將待測自聚焦透鏡7置于測試光路中；光源1輸出發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚鏡2會(huì)聚到靶板3的透光孔上，再經(jīng)準(zhǔn)直鏡4準(zhǔn)直輸出，通過光闌5和第一顯微物鏡6會(huì)聚到待測自聚焦透鏡7的物方位置，經(jīng)待測自聚焦透鏡7和第二顯微物鏡8準(zhǔn)直成平行光，通過定位基準(zhǔn)機(jī)構(gòu)9入射至夏克-哈特曼波前傳感器10上；調(diào)節(jié)待測自聚焦透鏡7的姿態(tài)，通過計(jì)算機(jī)11及波前采集分析軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證光斑位置與系統(tǒng)波前誤差標(biāo)定的基準(zhǔn)位置重合；此時(shí)，取下定位基準(zhǔn)機(jī)構(gòu)9，通過波前分析軟件計(jì)算得到測量波前為w1，扣除系統(tǒng)的波前誤差w0，得到待測自聚焦透鏡7的透射波前w測為：

w測＝w1-w0。