CN100573081C - 具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器及其检测方法，在原有***中添加了粗对准和精对准两项功能；其中粗对准部分包括：带孔的成像屏、探测***，精对准部分包括：聚焦透镜、分光镜、探测***。入射光束经过粗对准和精对准两个步骤后，能快捷方便地进入到微透镜阵列的测量视场内，并且能与***严格同光轴，从而提高了哈特曼波前传感器的测量精度。同时利用该哈特曼波前传感器可以方便地进行正透镜，负透镜，凸镜，凹镜，平面镜等的检测。本发明能把调整的结果实时地显示出来，具有直观、易懂的特性，从而降低了对使用人员的要求，减少了调节时间；并且本发明对所用的器件规格要求低，价格低廉，容易购买。

Description

具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量波前形状的精密仪器-哈特曼波前传感器，特别是一种能简单、快捷、精准地调节入射光束进入测量视场的哈特曼波前传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种能够检测波面形状的仪器，它在光学镜面检测、医疗仪器和天体目标成像中得到了广泛的应用。在以往的哈特曼波前传感器中，通常只包括测量光源***、光束匹配***、微透镜阵列、光电探测器(通常为CCD)和数据处理***。哈特曼波前传感器在使用之前，被测波面都须被调整到微透镜阵列的测量视场以内。以往都是通过观察子孔径内的光斑位置进行调节。相对于入射光路来说，微透镜阵列的测量视场通常显得很小，被测体改变很小的角度，子孔径内的光斑就会发生大的偏移，所以很难把入射波面调进微透镜阵列的测量视场。从而，在使用哈特曼波前传感器的过程中，过多的精力花在了被测件的对准上；并易造成被测光束和***光轴偏离，从而导致波面的测量误差变大。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：提供了一种具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器及其检测方法，该哈特曼波前传感利用粗对准和精对准部分可以方便、精准地对准被测件和***的光轴，从而减小测量误差，提高了哈特曼***的测量精度；同时利用该哈特曼波前传感器的检测方法可以方便地进行正透镜，负透镜，凸镜，凹镜，平面镜等的检测，检测误差小。

本发明的技术解决方案：具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器，包括：测量光源***、光束匹配***、分光镜、微透镜阵列、光电探测器，其特点在于还包括：粗对准部分和精对准部分，粗对准部分包括：带孔的成像屏、粗对准探测***，其中成像屏位于光束匹配***的前透镜组的焦平面上，屏上的中心孔位于焦点上，工作时由测量光源***发出的光由成像屏的孔出射，经过光束匹配***的前透镜组后经被测物体后返回，重新聚焦到成像屏上，通过观察由粗对准探测***得到的小孔和聚焦光斑的相对位置，调节被测件的位置使小孔和聚焦光斑重合，经过粗对准以后，保证了光束能够进入精对准的范围内；精对准部分包括：精对准分光镜、聚焦透镜和精对准探测***，精对准分光镜位于聚焦透镜之前，聚焦透镜位于精对准探测***之前，测量光源***发出的光先后经过粗对准分光镜、分光镜后，由光束匹配***的前镜组出射，经被测件后返回，先后经过光束匹配***的前镜组、光束匹配***的后镜组、分光镜、精对准分光镜后，再经聚焦透镜成像于精对准探测***上，通过质心计算公式得到聚焦光斑的位置，调节被测件使光斑质心与事先标定点即***光轴的位置重合，至此精对准过程完成，经过精对准后，光束已经进入到微透镜阵列的测量视场以内，并可进行直接测量。

本发明与现有技术相比的有益效果：本发明能快捷地调整被测件的位置，让被测光束或自准直光束进入微透镜阵列的测量视场内；并且被测件的调节方向，都是通过比较聚焦光斑和参照点之间的相对关系得来的，具有直观、简单、精准的特性，对使用人员的要求降低；在粗对准过程中，若激光光源***产生的是小口径的平行光，本发明还能简便的对准被测件和哈特曼***的光轴，经过粗对准和精对准后，避免了子孔径内的光斑发生整体偏移的情况，从而提高了测量精度；同时利用本发明的检测方法可以方便地进行正透镜，负透镜，凸镜，凹镜，平面镜等的检测，检测误差小；本发明中对所用的元件的规格要求低，价格便宜，容易购买。

附图说明

图1为原有哈特曼波前传感器的结构示意图；

图2为具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器的结构示意图；

图3为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼传感器进行粗对准时的工作示意图；

图4为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器进行精对准时的工作示意图；

图5为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器测量正透镜面形的工作原理图；

图6为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器测量负透镜面形的工作原理图；

图7为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器测量凸面镜面形的工作原理图；

图8为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器测量凹面镜面形的工作原理图；

图9为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器测量平面镜面形的工作原理图；

图10为本发明中的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器测量激光光束质量的工作原理图。

图中1.光束匹配***的前镜组(简称：前镜组)，2.光束匹配***的后镜组(简称：后镜组)，3.分光镜，4.微透镜阵列，5.光电探测器，6.测量光源***，7.标准平面镜，8.平面镜，10.凸面镜，11.凹面镜，12.正透镜，13.负透镜，14.标准球面镜，15.附加透镜，16.激光器，17.光束匹配***(前镜组1和后镜组2可合称为光束匹配***)，18、外置激光器、C1.粗对准探测***，C2.带孔的成像屏，J1.精对准分光镜，J2.聚焦透镜，J3.精对准探测***。

具体实施方式

哈特曼波前传感器在工作时，需要首先标定***本身的误差。

如图1所示，在标定***误差时，由测量光源***6发射的光束首经过分光镜3，再经过光束匹配***后，最终从***中出射。经过标准平面镜7反射后返回***内，经过光束匹配***、分光镜3，微透镜阵列4后，成像于光电探测器5上，调节标准平面镜7的位置，最终使光电探测器5上的光斑排布符合测量要求，但微透镜阵列4的面积约为1cm²，相对于整体光路来说很小，造成标准平面镜7可调节的范围较小，调节难度很大。采用标准平面镜7标定之后，再将被测件放置在***中进行检测。

如图2所示，本发明所述的哈特曼波前传感器和图1中相比，增加了用于粗对准的部分和用于精对准的部分。粗对准部分由粗对准探测***C1和带孔的成像屏C2，精对准部分包括：精对准分光镜J1、聚焦透镜J2、精对准探测***J3，其中成像屏C2位于前镜组1的焦平面上，粗对准探测***C1能对整个成像屏C2成像，精对准分光镜J1位于聚焦透镜J2之前，聚焦透镜J2位于精对准探测***J3之前；精对准时入射光穿过后镜组2、分光镜3、精对准分光镜J1后，经聚焦透镜J2后汇聚到光电探测J3上。

如图3所示，粗对准时，入射光束经过前镜组1后，聚焦到成像屏C2上，探测***C1能观察到整个成像屏C2，并将结果显示在监视器上；通过观察聚焦光斑和成像屏C2中心小孔的相对位置，调整被测件的位置使二者重合，成像屏C2上小孔的大小保证了经过粗调以后光束能够进入精调的范围之内。

如图4所示，在精对准时，测量光源***6发出的光先后经过精对准分光镜J1、分光镜3后，由前镜组1出射；经被测件后返回，先后经过前镜组1、后镜组2、分光镜3、精对准分光镜J1后，再经聚焦透镜J2成像于光电探测器J3上。通过计算入射光斑的质心位置，比较入射光斑的质心和事先标定点之间的相对位置关系，调整被测件位置直至两点重合。此时已能保证光束完美地进入微透镜阵列4的测量视场内，并且与***严格同光轴。

利用本发明的哈特曼波前传感器***可以对被测件，包括正透镜、负透镜、凸镜、凹镜、平面镜进行面形检测，而且还可以对激光光束质量进行检测，其检测方法结合图5-图10进行叙述。

如图5所示，图中的光束匹配***17是前镜组1和后镜组2的合称；利用本发明对正透镜进行面形检测时，进行以下四个步骤的调节：

(1)把标准平面镜7放置在哈特曼波前传感器***的前面，即图中的虚线位置，根据图3、图4所述调节标准平面镜7的倾斜，让由测量光源***6发出的光能被反射到精对准探测***J3上，并且让聚焦光斑与事先标定点重合，记录下各子孔径内的光斑在光电探测器5上的位置，作为标定点。

(2)撤去标准平面镜7后，在哈特曼***的前面放置激光器18，即图中虚线位置，激光器18发出的细光束经过前镜组1后，聚焦到成像屏C2上，根据聚焦光斑和小孔上的相对位置，调整激光器18的位置使二者重合，此时激光器18发出的光束和***光轴大致重合；而后利用图2所示的精对准部分，进一步调节激光器18的位置，使精对准探测***J3上的光斑和事先标定点重合，此时激光光束和***光轴已精确对准。

(3)把正透镜12放置在外置激光器18和哈特曼传感器***之间，按照步骤(2)所述，通过观察光斑的位置精准调节正透镜和***同光轴。

(4)撤去外置激光器18，换上标准球面镜14，由测量光源***6出射的光被标准球面镜14反射回哈特曼波前传感器***内，同样按步骤(1)中所述调节标准球面镜14和哈特曼波前传感器***同轴，并根据聚焦光斑的大小调整标准球面镜14和正透镜12同焦点，记录下各子孔径内的光斑在光电探测器5上的位置，联合步骤(1)中得到的标定点来复原波面。

如图6所示，图中的光束匹配***17是前镜组1和后镜组2的合称；在对负透镜进行面形检测时，同样需要图5中的四个步骤，和对正透镜面形检测相比，差别只在于把正透镜12换成了负透镜13。

如图7所示，图中的光束匹配***17是前镜组1和后镜组2的合称；在对凸面镜进行面形检测时，须在哈特曼波前传感器***的外面增加一个附加透镜15，由哈特曼波前传感器***的出射的平行光束经附加透镜15后会变成汇聚光束或发散光束，这样就需要首先调节附加透镜15和***同光轴。

(1)首先把外置激光器18放置在哈特曼***的前面，按照图5中步骤(2)所述的调节方法，让由外置激光器18发出的光能汇聚到精对准探测***J3上，并且聚焦光斑和事先标定点重合，此时保证了外置激光器18和哈特曼***的同光轴。

(2)再把附加透镜15放置在外置激光器18和哈特曼***之间，调节附加透镜15与哈特曼***的相对位置，让由外置激光器18发出的细光束仍能够汇聚到精对准探测***J3上，并且聚焦光斑和事先标定点重合，这样便保证了附加透镜15和哈特曼***同光轴。

(3)拿掉外置激光器18，把标准球面镜14放入检测光路中，此时探测光源***6开始工作，依次根据由粗对准探测***C1和精对准探测***J3观察到的聚焦光斑和小孔、事先标定之间的位置关系，调节标准球面镜14和***同光轴，和附加透镜15同焦点，，调节标准球面镜14和附加透镜15、***同光轴，标准球面镜14和附加透镜15同焦点，并记录下光电探测器5上各个光斑的位置，作为标定点。

(4)最后用被测凸面镜10替代标准球面镜14，同样按调节标准球面镜14和***同光轴的方法对凸面镜10进行调节，最终使凸面镜10，附加透镜15同焦点，和哈特曼***同光轴；以上调节完成以后，便可以运用光电探测器5新测得的光斑位置和标定点来复原波面。

如图8所示，图中的光束匹配***17是前镜组1和后镜组2的合称；在对凹面镜进行面形检测时，测量前的步骤和图7所述的步骤是一样的，只是把凸面镜10换成了凹面镜11。

如图9所示，本发明在对平面镜进行面形检测时，须进行以下两个步骤地调节：

(1)首先让探测光源***6工作，光束被放置在哈特曼***前面的标准平面镜7反射，调节标准平面镜7的倾钭，让光束首先经过成像屏上的小孔，最终汇聚到精对准探测***J3上，并且聚焦光斑与事先标定点重合，记录下各子孔径内的光斑在光电探测器5上的位置，作为标定点；

(2)用被测平面镜代替标准平面镜7，同样通过观察由粗对准***C 1和精对准探测***J3得到的聚焦光斑和小孔、事先标定之间的相对关系，调节平面镜的位置，让光束首先经过成像屏上的小孔，然后汇聚到精对准探测***J3上，并且聚焦光斑与事先标定点重合，记录下各个子孔径内的光斑在光电探测器5上的位置，联合标定点，便可以复原波面。

如图10所示，图中的光束匹配***17是前镜组1和后镜组2的合称；在对激光光束质量进行检测时，首先在哈特曼***的前面放置标准平面镜7，测量光源***6开始工作，同样根据由粗对准探测***C1和精对准探测***J3观察到的聚焦光斑和小孔、事先标定之间的位置关系，对标准平面镜7进行调节，最终使精对准探测***J3上的聚焦光斑和事先标定点重合，记录下此时各个子孔径内的光斑位置作为标定点；然后利用激光器16代替标准平面镜7，此时测量光源***6不再工作，调节激光器16的位置，让光束首先经过小孔，最后聚焦到精对准探测***J3上，聚焦光斑和事先标定点重合，记录下此时各个子孔径内的光斑位置，联合标定点来复原波面。

按图5～10所述完成对准测量后，通过以下步骤来复原波面。首先采用离散质心算法，由式(1)计算光斑位置(x_i，y_j)，

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到探测器靶面上对应的像素区域，I_nm是探测器靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

利用在标定时刻和测量时刻得到的子孔径内的两组光斑位置，可以得到波前在每个子孔径上的平均斜率：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π\λf}}=\frac{x_i-x_o}{2\mathrm{\π\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{2\mathrm{\π\λf}}=\frac{y_i-y_o}{2\mathrm{\π\λf}}$

式中，(x₀，y₀)为用标准平面波标定时，每个子孔径上获得的光斑中心基准位置，利用由上式计算得到的每个子孔径上被测波面的斜率值，然后再通过模式法或区域法来复原波前。

Claims (6)

1、具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器，包括：测量光源***(6)、光束匹配***、分光镜(3)、微透镜阵列(4)、光电探测器(5)，其特征在于还包括：粗对准部分和精对准部分，粗对准部分包括：带孔的成像屏(C2)、粗对准探测***(C1)，其中带孔的成像屏(C2)位于光束匹配***的前透镜组(1)的焦平面上，屏上的中心孔位于焦点上，工作时由测量光源***(6)发出的光由带孔的成像屏(C2)的孔出射，经过光束匹配***的前透镜组(1)后经被测物体后返回，重新聚焦到带孔的成像屏(C2)上，通过观察由粗对准探测***(C1)得到的小孔和聚焦光斑的相对位置，调节被测件的位置使小孔和聚焦光斑重合，经过粗对准以后，保证了光束能够进入精对准的范围内；精对准部分包括：精对准分光镜(J1)、聚焦透镜(J2)和精对准探测***(J3)，精对准分光镜(J1)位于聚焦透镜(J2)之前，聚焦透镜(J2)位于精对准探测***(J3)之前，测量光源***(6)发出的光先后经过粗对准分光镜(J1)、分光镜(3)后，由光束匹配***的前镜组(1)出射，经被测件后返回，先后经过光束匹配***的前镜组(1)、光束匹配***的后镜组(2)、分光镜(3)、精对准分光镜(J1)后，再经聚焦透镜(J2)成像于精对准探测***(J3)上，通过质心计算公式得到聚焦光斑的位置，调节被测件使光斑质心与事先标定点即***光轴的位置重合，至此精对准过程完成，经过精对准后，光束已经进入到微透镜阵列(4)的测量视场以内，并可进行直接测量。

2、根据权利要求1所述的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的粗对准探测***(C1)和精对准探测***(J3)由光电探测器，及图像采集和显示***组成。

3、采用权利要求1所述的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器对正透镜或负透镜进行面形检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)把标准平面镜(7)放置在哈特曼波前传感器的前面，调节标准平面镜(7)的倾斜，让由测量光源***(6)发出的光能被反射到精对准探测***(J3)上，并且让聚焦光斑与事先标定点重合，记录下各子孔径内的光斑在光电探测器(5)上的位置，作为标定点；

(2)撤去标准平面镜(7)后，放置激光器(18)在哈特曼波前传感器的前面，激光器(18)发出的细光束经过前镜组(1)后，聚焦到成像屏(C2)上，根据聚焦光斑和小孔上的相对位置，调整激光器(18)的位置使聚焦光斑和小孔重合，此时激光器(18)发出的光束和***光轴大致重合；而后利用精对准部分，进一步调节激光器(18)的位置，使精对准探测***(J3)上的光斑和事先标定点重合，此时激光光束和哈特曼波前传感器光轴已精确对准；

(3)把正透镜(12)或负透镜(13)放置在外置激光器(18)和哈特曼传感器之间，按照步骤(2)所述，通过观察光斑的位置精准调节正透镜和和哈特曼传感器同光轴；

(4)撤去外置激光器(18)，换上标准球面镜(14)，由测量光源***(6)出射的光被标准球面镜(14)反射回哈特曼波前传感器***内，同样按步骤(1)中所述调节标准球面镜(14)和***同轴，并根据聚焦光斑的大小调整标准球面镜(14)和正透镜(12)或负透镜(13)同焦点，记录下各子孔径内的光斑在光电探测器(5)上的位置，联合步骤(1)中得到的标定点来复原波面。

4、采用权利要求1所述的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器对凸面镜或凹面镜进行面形检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在对凸面镜(10)或凹面镜(11)进行面形检测时，在权利要求1所述的哈特曼波前传感器的外面增加一个附加透镜(15)，由该哈特曼波前传感器出射的平行光束经附加透镜(15)后会变成汇聚光束或发散光束，这样就需要首先调节附加透镜(15)和哈特曼波前传感器同光轴；

(2)把外置激光器(18)放置在哈特曼波前传感器的前面，依次根据由粗对准探测***(C1)和精对准探测***(J3)观察到的聚焦光斑和小孔、事先标定之间的位置关系，调节外置激光器(18)，让由外置激光器(18)发出的光能汇聚到精对准探测***(J3)上，并且聚焦光斑和事先标定点重合，此时保证了外置激光器(18)和哈特曼波前传感器的同光轴；

(3)再把附加透镜(15)放置在外置激光器(18)和哈特曼波前传感器之间，同样根据聚焦光斑和小孔、事先标定点之间的位置关系，调节附加透镜的位置，让由外置激光器(18)发出的细光束仍能够汇聚到精对准探测***(J3)上，并且聚焦光斑和事先标定点重合，这样便保证了附加透镜(15)和哈特曼波前传感器同光轴；

(4)拿掉外置激光器(18)，把标准球面镜(14)放在附加透镜(15)的前面，此时探测光源***(6)开始工作，仍然根据聚焦光斑的位置，调节标准球面镜(14)和***同光轴，和附加透镜(15)同焦点；并记录下光电探测器(5)上各个光斑的位置，作为标定点；

(5)最后用被测凸面镜(10)或凹面镜(11)替代标准球面镜(14)，同样按调节标准球面镜(14)和***同光轴的方法对凸面镜(10)或凹面镜(11)进行调节，最终使凸面镜(10)或凹面镜(11)，附加透镜(15)同焦点，和哈特曼波前传感器同光轴；以上调节完成以后，便可以运用光电探测器(5)新测得的光斑位置和标定点来复原波面。

5、采用权利要求1所述的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器对平面镜进行面形检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)首先让探测光源***(6)工作，光束被放置在哈特曼波前传感器前面的标准平面镜(7)反射，调节标准平面镜(7)的倾斜，让光束首先经过成像屏上的小孔，最终汇聚到精对准探测***(J3)上，并且聚焦光斑与事先标定点重合，记录下各子孔径内的光斑在光电探测器(5)上的位置，作为标定点；

(2)用被测平面镜代替标准平面镜(7)，同样通过观察由粗对准***(C1)和精对准探测***(J3)得到的聚焦光斑和小孔、事先标定之间的相对关系，调节平面镜的位置，让光束首先经过成像屏上的小孔，然后汇聚到精对准探测***(J3)上，并且聚焦光斑与事先标定点重合，记录下各个子孔径内的光斑在光电探测器(5)上的位置，联合标定点，便可以复原波面。

6、采用权利要求1所述的具有被动式对准功能的哈特曼波前传感器对激光光束质量进行检测的方法，其特征在于：首先把标准平面镜(7)放置在权利要求1所述的哈特曼波前传感器的前面，测量光源***(6)开始工作，同样根据由粗对准探测***(C1)和精对准探测***(J3)观察到的聚焦光斑和小孔、事先标定之间的位置关系，对标准平面镜(7)进行调节，最终使精对准探测***(J3)上的聚焦光斑和事先标定点重合，记录下此时各个子孔径内的光斑位置作为标定点；然后利用激光器(16)代替标准平面镜(7)，此时测量光源***(6)不再工作，调节激光器(16)的位置，让光束首先经过小孔，最后聚焦到精对准探测***(J3)上，聚焦光斑和事先标定点重合，记录下此时各个子孔径内的光斑位置，联合标定点来复原波面。

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