CN101963543A - 基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***及方法，通过对被测透镜入射一束参考光，使用波前传感器对出射被测透镜的光波前加以探测，重构光波前并计算波前的汇聚/发散中心从而获得正/负透镜焦距、焦点与主面位置；使用不同波长的入射光入射被测透镜，可获得不同波长的焦距、焦点与主面位置；对重构并还原的波前进行波前分析，根据波前叠加原理，使用最小二乘法将测得的波前展开为像差基元的叠加形式，使得每个像差基元都对应有一定大小的权重因子，讨论权重因子的分布可得到透镜像差的分布情况。可以全面地考察透镜的焦距参数与像差品质，结合波长可调的激光器，还可实现对色差的测量，考察不同波长情况下透镜焦距与像差分布的变化情况。

Description

基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***及方法

技术领域

本发明涉及一种自动化检测设备，特别涉及一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***及方法。

背景技术

焦距是一个透镜最为重要的参数之一，对于一个透镜，焦距、焦点测量精确度的高低会极大地影响其应用效果甚至决定其应用的成败。由于色差的存在，透镜在设计和制造之时，其设计焦距和像差往往只针对一个或几个波长情况加以优化，而在大多数应用透镜的情况下，实际使用的光波长往往与透镜的设计波长有所出入，这就使得透镜的使用效果在一定程度上发生下降。另外，受限于制造工艺，透镜在制造的批次与批次之间，以及每片透镜的个体之间，不可避免地存在参数品质的差异，对这样的差异如果不能事先把握，那么对透镜的应用，尤其是其在光学精密测量领域内的应用无疑是有害的。传统的光学方法测量透镜焦距时，无论是放大率法、物距像距法、二次成像法还是莫尔条纹法，都主要靠人眼的判断来完成，而且要反复多次测量，测量数据靠人工记录，人眼容易疲劳，不同的人眼以及同一人眼在不同时间对同一光学像的判断也存在或大或小的差别，因此传统的光学测量手段带有很大的主观性，虽说这样的测量方法能满足一定的测量精度要求，但测量工作量大，测量速度慢，工作效率低。其后，随着电子学技术的发展，电荷耦合器件(CCD)被逐渐地应用到焦距测量的技术中去，CCD的应用尽管使得焦距的测量变得更加客观，排除了主观误差所带来的影响，但并未带来实质性的突破，上述提到的方法依然仅限于测量透镜焦距，而对透镜的其它诸如单色像差以及色差等其它对其应用同样有着重要意义的指标却始终不能给出有效的评判。

目前，各种基于哈特曼-夏克原理的光学波前传感器已成功发明(见中国专利申请号01136993.0、98112210.8、01108430.8、01108433.2和00814577.6)，其结构简单，稳定，使用方便，精确度高，并能测量和表示各阶像差；但其目前的应用还相对有限。将哈特曼-夏克波前传感器引入透镜参数和品质测量则是一个全新的尝试。

发明内容

本发明是针对现在的测试设备测试透镜的参数单一、操作复杂的问题，提出了一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***及方法，它既能测量透镜对于不同入射波长所对应的焦距长度、焦点与主面位置参数，又能对透镜的色差、球差、彗差、像散以及高阶像差予以测量的光学检测***，同时还具有简便易行的特点。使得人们对透镜品质参数有个快速全面的了解，为透镜的合理、正确应用提供有力的支持。

本发明的技术方案为：一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，依次包括三个波长可调激光光源、分光镜、信标光准直***、口径控制***、被测透镜、哈特曼-夏克波前传感器和计算机，三个波长可调激光光源分别垂直指向分光镜的三个入射面，信标光准直***位于三路信标光共同的出射方向；孔径控制装置位于信标光准直***的后方；三个波长可调激光光源、分光镜、信标光准直***和口径控制装置共同组成信标光输出光路，被测透镜置于信标光输出光路的出射端；哈特曼-夏克波前传感器位于靠近被测透镜的出射端，哈特曼-夏克波前传感器和三个波长可调激光光源连接同一计算机，计算机对数据进行处理。

所述三个波长可调激光光源的可调波长分别覆盖三个不同的波长范围。

所述信标光准直***包括显微物镜、低通滤波器以及准直透镜(组)。

所述被测透镜可以是单一透镜，也可是透镜组。

一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试方法，包括基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，所述测试方法包括如下具体步骤：

1)首先设置并选择被测透镜的测量波长，开启激光光源，并将孔径控制装置的通光孔调节至最大通光孔径，信标光通过信标光准直***后出射并被哈特曼-夏克波前传感器探测，计算机根据采集得到的波前斜率信息对出射波前进行重构后处理并输出到显示器；

2)根据重构得到的波前，调整信标光准直***以实现准直平行光的输出，校准完成后可以看到哈特曼-夏克波前传感器探测到的经由准直***准直的出射光波前其光焦度为零；

3)将被测透镜安装于孔径控制装置与哈特曼-夏克波前传感器之间，准直光束通过被测透镜后进入哈特曼-夏克波前传感器的入瞳，哈特曼-夏克波前传感器的CCD采集得到会聚或发散光束照射传感器后所形成的光斑图像；

4)调节孔径控制装置的大小使得光斑像刚好充满哈特曼-夏克波前传感器的入瞳，设哈特曼-夏克波前传感器的入瞳直径为R_H(单位：m)，测量得到此时孔径控制装置的通光直径为R_A(单位：m)，哈特曼-夏克波前传感器测得的出射波前光焦度为Dpt(单位：m^-1)，则此时所测得的被测透镜的焦距可由公式

计算得到；

5)切换不同波长的激光，重复1)～4)步骤，比较不同波长下对应的焦距值，即可获得透镜的位置色差。

本发明的有益效果在于：本发明基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***及方法，将哈特曼-夏克波前传感器的波前测量功能运用到透镜参数和品质的测定中来，可以全面地考察透镜的焦距参数与像差品质，结合波长可调的激光器，还可实现对色差的测量，考察不同波长情况下透镜焦距与像差分布的变化情况。

附图说明

图1为本发明基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***结构原理框图。

具体实施方式

如图1所示***结构原理框图，基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***依次包括三个波长可调激光光源1、2、3，分光镜4、信标光准直***12、口径控制***8、被测透镜(组)9、哈特曼-夏克波前传感器10和计算机11，波长可调激光光源1、2、3分别垂直指向分光镜4的三个入射面，其可调波长分别覆盖三个不同的波长范围，三个波长范围可依据被测透镜(组)9的具体测量内容和要求予以适当地选定，在本例中选取F光(486.13nm)、C光(656.27nm)和D光(587.56nm)三种波长的激光器；信标光准直***12位于三路信标光共同的出射方向；孔径控制装置8位于信标光准直***12的后方；激光光源1、2、3、分光镜4、信标光准直***12和口径控制装置8共同组成信标光输出光路，被测透镜(组)9置于信标光输出光路的出射端；哈特曼-夏克波前传感器10位于靠近被测透镜(组)9的出射端，哈特曼-夏克波前传感器10和激光光源1、2、3可连接同一计算机11作统一的控制，计算机11同时还承担对波前数据的处理和还原工作。信标光准直***12包括显微物镜5、低通滤波器6以及准直透镜(组)7。

三个激光器1、2、3可以独立地分别依次点亮，以实现对F光(486.13nm)、C光(656.27nm)和D光(587.56nm)三种典型波长的色光进行焦距和像差的测定。孔径控制装置8可以是一个可变光阑装置，通过调节8可以改变准直出射的光束直径大小，进而控制光束在哈特曼-夏克波前传感器10的CCD上所形成的光斑大小。

测量时，首先设置并选择被测透镜(组)9的测量波长，开启激光光源，并将孔径控制装置8的通光孔调节至最大通光孔径，信标光通过信标光准直***12后出射并被哈特曼-夏克波前传感器10探测，计算机11根据采集得到的波前斜率信息对出射波前进行重构后处理并输出到显示器，根据重构得到的波前，调整信标光准直***12，在本发明所列举的信标光准直***12中，我们可以通过对安装在三维调整支架上的准直透镜(组)7进行沿轴和垂轴方向上的微调以实现准直平行光的输出，校准完成后应当可以看到哈特曼-夏克波前传感器10探测到的经由准直***准直的出射光波前其光焦度为零。此时将被测透镜(组)9安装于孔径控制装置8与哈特曼-夏克波前传感器10之间：可以在安装被测透镜(组)9的位置上事先安装一组依据透镜直径设计的预制架，被测透镜只需按照其直径大小对应放置即可。准直光束通过被测透镜(组)9后照射到哈特曼-夏克波前传感器10的入瞳，观测哈特曼-夏克波前传感器10的CCD所采集到的光斑图像，调节孔径控制装置8的大小使得光斑像刚好充满哈特曼-夏克波前传感器10的入瞳，设哈特曼-夏克波前传感器10的入瞳直径为R_H，测量得到此时孔径控制装置8的通光直径为R_A，哈特曼-夏克波前传感器10测得的出射波前光焦度为Dpt，则此时所测得的被测透镜(组)9的焦距可由公式(1)计算得到： $f^{\′}=\frac{R_A}{\mathrm{Dpt}\×R_H}---\left(1\right)$

这一方法对于无论是正透镜(组)还是负透镜(组)都是同样有效的：对于正透镜(组)，测得的Dpt＞0，此时，f′＞0；对于负透镜(组)，测得的Dpt＜0，此时，f′＜0。

被测透镜透镜(组)焦点所在的位置，则在距离哈特曼-夏克波前传感器10入瞳|Dpt^-1|位置处，且有当Dpt＞0时，焦点位于哈特曼-夏克波前传感器10入瞳的后方|Dpt^-1|位置处；当Dpt＜0时，焦点位于哈特曼-夏克波前传感器10入瞳的前方|Dpt^-1|位置处。

被测透镜透镜(组)9像方主面到哈特曼-夏克波前传感器10入瞳的距离可以由公式(2)计算得到：

$L_p=\frac{R_H-R_A}{\mathrm{Dpt}\×R_H}---\left(2\right)$

L_p＞0表示被测透镜透镜(组)9像方主面位于哈特曼-夏克波前传感器10的后方；反之，L_p＜0表示被测透镜透镜(组)9像方主面位于哈特曼-夏克波前传感器10的前方。

切换不同波长的激光，重复以上测量方法，比较不同波长下对应的焦距值，我们即可获得透镜的位置色差。

对于探测到的波前，我们可以通过使用最小二乘法拟合为Zernike基元多项式的线性组合，公式(3)分别表示使用直角坐标和极坐标的Zernike多项式的拟合：

$W(x,y)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{Z}_k(x,y)$

$W(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{C}_n^m{Z}_n^m(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i{Z}_i(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})---\left(3\right)$

由于Zernike多项式与低阶和高阶像差描述有着直接的对应关系，因而通过考察Zernike拟合后每一项多项式前的系数大小，我们可以很直观地对透镜的像差情况有个全面而详细的了解。

Claims (5)

1.一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，其特征在于，依次包括三个波长可调激光光源、分光镜、信标光准直***、口径控制***、被测透镜、哈特曼-夏克波前传感器和计算机，三个波长可调激光光源分别垂直指向分光镜的三个入射面，信标光准直***位于三路信标光共同的出射方向；孔径控制装置位于信标光准直***的后方；三个波长可调激光光源、分光镜、信标光准直***和口径控制装置共同组成信标光输出光路，被测透镜置于信标光输出光路的出射端；哈特曼-夏克波前传感器位于靠近被测透镜的出射端，哈特曼-夏克波前传感器和三个波长可调激光光源连接同一计算机，计算机对数据进行处理。

2.根据权利要求1所述基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，其特征在于，所述三个波长可调激光光源的可调波长分别覆盖三个不同的波长范围。

3.根据权利要求1所述基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，其特征在于，所述信标光准直***包括显微物镜、低通滤波器以及准直透镜(组)。

4.根据权利要求1所述基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，其特征在于，所述被测透镜可以是单一透镜，也可是透镜组。

5.一种基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试方法，包括基于哈特曼-夏克传感器的透镜参数测试***，其特征在于，所述测试方法包括如下具体步骤：

1)首先设置并选择被测透镜的测量波长，开启激光光源，并将孔径控制装置的通光孔调节至最大通光孔径，信标光通过信标光准直***后出射并被哈特曼-夏克波前传感器探测，计算机根据采集得到的波前斜率信息对出射波前进行重构后处理并输出到显示器；

2)根据重构得到的波前，调整信标光准直***以实现准直平行光的输出，校准完成后可以看到哈特曼-夏克波前传感器探测到的经由准直***准直的出射光波前其光焦度为零；

3)将被测透镜安装于孔径控制装置与哈特曼-夏克波前传感器之间，准直光束通过被测透镜后进入哈特曼-夏克波前传感器的入瞳，哈特曼-夏克波前传感器的CCD采集得到会聚或发散光束照射传感器后所形成的光斑图像；

4)调节孔径控制装置的大小使得光斑像刚好充满哈特曼-夏克波前传感器的入瞳，设哈特曼-夏克波前传感器的入瞳直径为R_H(单位：m)，测量得到此时孔径控制装置的通光直径为R_A(单位：m)，哈特曼-夏克波前传感器测得的出射波前光焦度为Dpt(单位：m^-1)，则此时所测得的被测透镜的焦距可由公式

计算得到；

5)切换不同波长的激光，重复1)～4)步骤，比较不同波长下对应的焦距值，即可获得透镜的位置色差。

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