CN107144419B - 一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置与方法 - Google Patents
一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置和测量方法，该装置包括波长可调谐激光器、衰减器、聚焦物镜、Y型光纤耦合器、第一五维调整台、第一物镜、第一小孔板、准直物镜、分光板、第一夏克‐哈特曼波前传感器、成像物镜、待测光学***、球面反射镜、第二夏克‐哈特曼波前传感器和数据处理模块。该测量装置结合了第一夏克‐哈特曼波前传感器和第二夏克‐哈特曼波前传感器，从测量结果中计算待测光学***的波像差，只需一套测量装置便可实现不同工作波长光学***像差的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量。
背景技术
夏克-哈特曼波前传感器具有结构简单、测量速度快、抗振能力强、对测量光束的线宽、相干性和偏振态无特殊要求、无需参考光、可实时记录波前变化过程、同时适用于连续光和脉冲光测量等优点。在自适应光学、人眼像差检测、光学元件面形检测、光学***波像差检测等方面有着广泛的应用。
光学***的波像差通常需要在工作波长下进行测试，而在实际应用中，光学***种类繁多，工作波段也不一样，因此，需要根据不同工作波长来搭建相应的波像差测量装置，这在实际应用中既不方便又存在一定的浪费。由于夏克-哈特曼波前传感器具有对测量光束线宽无特殊要求的特点，因此，可以在较大光谱工作范围内保持相同的测量精度。
本发明给出一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置与方法，通过波长可调谐激光器输出与待测光学***工作波长一致的激光光束，通过第一夏克-哈特曼波前传感器测量***误差并实时监测测量***的稳定性，通过第二夏克-哈特曼波前传感器测量***误差及待测***的波像差，从测量结果中计算待测光学***的波像差，因此，只要一个测量装置，便可实现不同工作波长光学***波像差的高稳定性测量。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，该装置包括波长可调谐激光器(1)、衰减器(2)、聚焦物镜(3)、Y型光纤耦合器(4)、第一五维调整台(5)、第一物镜(6)、第一小孔板(7)、准直物镜(8)、分光板(9)、第一夏克- 哈特曼波前传感器(10)、成像物镜(11)、待测光学***(12)、球面反射镜(13)、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)和数据处理模块(15)；其中，波长可调谐激光器(1)发出特定波长的激光光束，经衰减器(2)和聚焦物镜(3)后耦合入Y型光纤耦合器(4)的总端(400)，然后分别从Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)和第二分支端(40b) 出射，Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)出射的光束经第一物镜(6)后聚焦到第一小孔板(7)上，经第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)衍射后，获得近于理想的球面波，该球面波经准直物镜(8)准直后，被分光板(9)分成两束，一束光通过分光板(9)，另一束光被分光板(9)反射，透过分光板(9)的光束，进入第一夏克-哈特曼波前传感器(10)，将第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)的波像差，被分光板(9)反射的光束经成像物镜(11)后，进入待测光学***(12)，透过待测光学***(12)后，由球面反射镜(13)反射后，沿原路返回，分别经过待测光学***(12)、成像物镜(11)后，透过分光板(9)进入第二夏克-哈特曼波前传感器(14)，将第二夏克-哈特曼波前传感器(14) 的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)、成像物镜(11)、待测光学***(12)和球面反射镜(13)的波像差信息，数据处理模块 (15)再根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果、第二夏克-哈特曼波前传感器 (14)测量结果以及球面反射镜的面形信息，计算得待测光学***(12)的波像差。
优选地，所述波长可调谐激光器(1)输出与待测光学***(12)工作波长一致的激光光束。
优选地，所述衰减器(2)通过电动装置做360度旋转，从而实现衰减器(2)透过率的连续控制，衰减器(2)的透过率根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)或第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小进行自动调整，以保证第一夏克-哈特曼波前传感器(10)或第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值保持在其探测器饱和光强的 90％～99％之间。
优选地，所述Y型光纤耦合器(4)由单模光纤做成，包括总端(400)、第一分支端(40a)和第二分支端(40b)，光束经总端(400)耦合入Y型光纤耦合器(4)后，同时以相同的强度从第一分支端(40a)和第二分支端(40b)输出。
优选地，所述第一物镜(6)中的光学元件镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。
优选地，所述第一物镜(6)安放在第一电动调整台(6a)上，当波长可调谐激光器(1) 发出不同波长的激光光束时，第一电动调整台(6a)将根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10) 的光强幅值大小进行第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的位置调整，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上光强幅值达到最大时，完成第一物镜(6)的位置调整。
优选地，所述第一五维调整台(5)上放置Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)，通过第一五维调整台(5)进行Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整***置的调整，从而改变经准直物镜(8)后到达第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜 (6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整***置的调整。
优选地，所述分光板(9)的分光比根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)和第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小来确定，使得透过分光板(9)到达第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小和透过分光板(9)到达第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小基本一致。
优选地，所述成像物镜(11)将待测光学***(11)的出瞳成像在第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的微透镜阵列所在平面上，同时将球面反射镜(13)反射后沿待测光学***(11)原路返回的光束转换成平行光束；所述成像物镜(11)中各光学元件均镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率；所述成像物镜(11)同时具有变焦和变倍功能，从而在测量不同数值孔径待测光学***(11)时，第二夏克-哈特曼波前传感器(14)探测器上的光斑始终保持和探测器有效像素的边缘相切；所述成像物镜(11)的波像差通过Y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b) 出射光束进行测量。
一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量方法，其采用上述的装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、根据待测光学***(12)的工作波长选择波长可调谐激光器(1)的输出波长；
S2、通过第一电动调整台(6a)调节第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的距离，使得第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得的从第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔 (7a)出射的光束强度最大；
S3、通过第一五维调整台(5)调整Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)的位置，使得第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；
S4、通过第二电动调整台(17a)调节第二物镜(17)相对于第二小孔板(18)的距离，使得第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得的从第二小孔板(18)上的第二小孔板小孔(18a)出射的光束强度最大；
S5、通过第二五维调整台(16)调整Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)的位置，使得第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；
S6、采用第一夏克-哈特曼波前传感器(10)和第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量***误差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算得准直物镜(8)和成像物镜(11)的波像差分别为WCL和WIM；
S7、移去Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)，将待测光学***(12)及球面反射镜(13)安放在上述基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置中；
S8、采用第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量此时***的波像差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算此时的***波像差W；
S9、由数据处理模块(15)根据下式计算待测光学***(12)的波像差WOS：
式中，FSP为球面反射镜(13)的面形误差，其值由干涉仪直接测量得到。
S10、测量中，通过第一夏克-哈特曼波前传感器(10)监测整个测量***的稳定性，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果变化超出测量精度的1/5时，需要重复步骤S2～S6进行***误差的重新测量，然后再重复步骤S7～S9进行待测光学***(12)的波像差测量，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果变化小于测量精度的1/5时，满足测量要求，完成待测光学***(12)的波像差测量
本发明提供的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置与方法，可实现不同工作波长光学***波像差的高精度、高稳定性测量。通过波长可调谐激光器输出与待测光学***工作波长一致的激光光束，通过第一夏克-哈特曼波前传感器测量***误差并实时监测测量***的稳定性，通过第二夏克-哈特曼波前传感器测量***误差及待测***的波像差，从测量结果中计算待测光学***的波像差。只需一套测量装置便可实现不同工作波长光学***像差的测量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本发明实施方式的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置示意图；
图2为根据本发明实施方式的Y型光纤耦合器结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的第一物镜位置调整组成结构示意图；
图4为根据本发明实施方式的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量***误差标定装置示意图；
图5为根据本发明实施方式的第二物镜位置调整组成结构示意图；
图6为根据本发明实施方式的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量方法流程图；
其中，波像差测量装置包括：1、波长可调谐激光器，2、衰减器，3、聚焦物镜，4、Y 型光纤耦合器，5、第一五维调整台，6、第一物镜，7、第一小孔板，8、准直物镜，9、分光板，10、第一夏克-哈特曼波前传感器，11、成像物镜，12、待测光学***，13、球面反射镜，14、第二夏克-哈特曼波前传感器，15、数据处理模块。
Y型光纤耦合器4包括：400、总端，40a、第一分支端，40b、第二分支端。
第一物镜位置调整组成结构包括：6、第一物镜，6a、第一电动调整台，7、第一小孔板，7a、第一小孔板小孔。
***误差标定装置包括：1、波长可调谐激光器，2、衰减器，3、聚焦物镜，4、Y型光纤耦合器，5、第一五维调整台，6、第一物镜，7、第一小孔板，8、准直物镜，9、分光板，10、第一夏克-哈特曼波前传感器，11、成像物镜，14、第二夏克-哈特曼波前传感器，15、数据处理模块，16、第二五维调整台，17、第二物镜，18、第二小孔板。
第二物镜位置调整组成结构包括：17、第二物镜，17a、第二电动调整台，18、第二小孔板， 18a、第二小孔板小孔。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，为本发明所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置示意图，包括波长可调谐激光器(1)、衰减器(2)、聚焦物镜(3)、Y型光纤耦合器(4)、第一五维调整台(5)、第一物镜(6)、第一小孔板(7)、准直物镜(8)、分光板(9)、第一夏克-哈特曼波前传感器(10)、成像物镜(11)、待测光学***(12)、球面反射镜(13)、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)和数据处理模块(15)。
波长可调谐激光器(1)发出特定波长的激光光束，经衰减器(2)和聚焦物镜(3)后耦合入Y型光纤耦合器(4)的总端(400)，然后分别从Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)和第二分支端(40b)出射，Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)出射的光束经第一物镜(6)后聚焦到第一小孔板(7)上，经第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)衍射后，获得近于理想的球面波，该球面波经准直物镜(8)准直后，被分光板 (9)分成两束，一束光通过分光板(9)，另一束光被分光板(9)反射，透过分光板(9) 的光束，进入第一夏克-哈特曼波前传感器(10)，将第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)的波像差，被分光板(9)反射的光束经成像物镜(11)后，进入待测光学***(12)，透过待测光学***(12)后，由球面反射镜(13)反射后，沿原路返回，分别经过待测光学*** (12)、成像物镜(11)后，透过分光板(9)进入第二夏克-哈特曼波前传感器(14)，将第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块 (15)处理后得到准直物镜(8)、成像物镜(11)、待测光学***(12)和球面反射镜(13) 的波像差信息，数据处理模块(15)再根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量结果以及球面反射镜的面形信息，计算得待测光学***(12)的波像差。
波长可调谐激光器(1)输出与待测光学***(12)工作波长一致的激光光束。
衰减器(2)通过电动装置做360度旋转，从而实现衰减器(2)透过率的连续控制，衰减器(2)的透过率根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)或第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小进行自动调整，以保证第一夏克-哈特曼波前传感器(10)或第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值保持在其探测器饱和光强的90％～99％之间。
如图2所示，为本发明所述的Y型光纤耦合器结构示意图，Y型光纤耦合器(4)由单模光纤做成，包括总端(400)、第一分支端(40a)和第二分支端(40b)，光束经总端(400) 耦合入Y型光纤耦合器(4)后，同时以相同的强度从第一分支端(40a)和第二分支端(40b) 输出。
上述第一物镜(6)中的光学元件镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。
如图3所示，为本发明所述的第一物镜位置调整组成结构示意图，第一物镜(6)安放在第一电动调整台(6a)上，当波长可调谐激光器(1)发出不同波长的激光光束时，第一电动调整台(6a)将根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小进行第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的位置调整，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上光强幅值达到最大时，完成第一物镜(6)的位置调整。
所述第一五维调整台(5)上放置Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)，通过第一五维调整台(5)进行Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板 (7)整***置的调整，从而改变经准直物镜(8)后到达第一夏克-哈特曼波前传感器(10) 的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整***置的调整。
上述分光板(9)的分光比根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)和第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小来确定，使得透过分光板(9)到达第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小和透过分光板(9)到达第二夏克-哈特曼波前传感器(14) 上的光强幅值大小基本一致。
上述成像物镜(11)将待测光学***(11)的出瞳成像在第二夏克-哈特曼波前传感器 (14)的微透镜阵列所在平面上，同时将球面反射镜(13)反射后沿待测光学***(11) 原路返回的光束转换成平行光束。
上述成像物镜(11)中各光学元件均镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1) 发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。
上述成像物镜(11)同时具有变焦和变倍功能，从而在测量不同数值孔径待测光学***(11)时，第二夏克-哈特曼波前传感器(14)探测器上的光斑始终保持和探测器有效像素的边缘相切。
如图4所示，为本发明所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量***误差标定装置示意图，通过该装置进行成像物镜(11)和准直物镜(8)波像差的测量。
所述成像物镜(11)的波像差通过Y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束进行测量。
Y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束经第二物镜(17)聚焦到第二小孔板(18)上，由第二小孔板(18)上的第二小孔板小孔(18a)衍射产生近于理想的球面波，由该球面波、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)及数据处理模块(15)进行成像物镜 (11)波像差的测量。
如图5所示，为本发明所述的第二物镜位置调整组成结构示意图，第二物镜(17)安放在第二电动调整台(17a)上，当波长可调谐激光器(1)发出不同波长的激光光束时，第二电动调整台(17a)将根据第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的光强幅值大小进行第二物镜(17)相对于第二小孔板(18)的位置调整，当第二夏克-哈特曼波前传感器(14) 上光强幅值达到最大时，完成第二物镜(17)的位置调整。
所述第二五维调整台(16)上放置Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)，通过第二五维调整台(16)进行Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a) 及第二小孔板(18)整***置的调整，从而改变经成像物镜(11)后到达第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)整***置的调整。
如图6所示，为本发明所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量方法流程图，当采用上述基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置进行光学***波像差测量时，基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量方法包括如下步骤：
S1、根据待测光学***(12)的工作波长选择波长可调谐激光器(1)的输出波长；
S2、通过第一电动调整台(6a)调节第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的距离，使得第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得的从第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔 (7a)出射的光束强度最大；
S3、通过第一五维调整台(5)调整Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)的位置，使得第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；
S4、通过第二电动调整台(17a)调节第二物镜(17)相对于第二小孔板(18)的距离，使得第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得的从第二小孔板(18)上的第二小孔板小孔(18a)出射的光束强度最大；
S5、通过第二五维调整台(16)调整Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)的位置，使得第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；
S6、采用第一夏克-哈特曼波前传感器(10)和第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量***误差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算得准直物镜(8)和成像物镜(11)的波像差分别为WCL和WIM；
S7、移去Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)，将待测光学***(12)及球面反射镜(13)安放在上述基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置中；
S8、采用第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量此时***的波像差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算此时的***波像差W；
S9、由数据处理模块(15)根据下式计算待测光学***(12)的波像差WOS：
式中，FSP为球面反射镜(13)的面形误差，其值由干涉仪直接测量得到。
S10、测量中，通过第一夏克-哈特曼波前传感器(10)监测整个测量***的稳定性，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果变化超出测量精度的1/5时，需要重复步骤S2～S6进行***误差的重新测量，然后再重复步骤S7～S9进行待测光学***(12)的波像差测量，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果变化小于测量精度的1/5时，满足测量要求，完成待测光学***(12)的波像差测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，该装置包括波长可调谐激光器(1)、衰减器(2)、聚焦物镜(3)、Y型光纤耦合器(4)、第一五维调整台(5)、第一物镜(6)、第一小孔板(7)、准直物镜(8)、分光板(9)、第一夏克-哈特曼波前传感器(10)、成像物镜(11)、待测光学***(12)、球面反射镜(13)、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)和数据处理模块(15)；其中，波长可调谐激光器(1)发出特定波长的激光光束，经衰减器(2)和聚焦物镜(3)后耦合入Y型光纤耦合器(4)的总端(400)，然后分别从Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)和第二分支端(40b)出射，Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)出射的光束经第一物镜(6)后聚焦到第一小孔板(7)上，经第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)衍射后，获得近于理想的球面波，该球面波经准直物镜(8)准直后，被分光板(9)分成两束，一束光通过分光板(9)，另一束光被分光板(9)反射，透过分光板(9)的光束，进入第一夏克-哈特曼波前传感器(10)，将第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)的波像差，被分光板(9)反射的光束经成像物镜(11)后，进入待测光学***(12)，透过待测光学***(12)后，由球面反射镜(13)反射后，沿原路返回，分别经过待测光学***(12)、成像物镜(11)后，透过分光板(9)进入第二夏克-哈特曼波前传感器(14)，将第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)、成像物镜(11)、待测光学***(12)和球面反射镜(13)的波像差信息，数据处理模块(15)再根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量结果以及球面反射镜的面形信息，计算得待测光学***(12)的波像差。
2.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器(1)输出与待测光学***(12)工作波长一致的激光光束。
3.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述衰减器(2)通过电动装置做360度旋转，从而实现衰减器(2)透过率的连续控制，衰减器(2)的透过率根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)或第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小进行自动调整，以保证第一夏克-哈特曼波前传感器(10)或第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值保持在其探测器饱和光强的90％～99％之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述Y型光纤耦合器(4)由单模光纤做成，包括总端(400)、第一分支端(40a)和第二分支端(40b)，光束经总端(400)耦合入Y型光纤耦合器(4)后，同时以相同的强度从第一分支端(40a)和第二分支端(40b)输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述第一物镜(6)中的光学元件镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。
6.根据权利要求5所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述第一物镜(6)安放在第一电动调整台(6a)上，当波长可调谐激光器(1)发出不同波长的激光光束时，第一电动调整台(6a)将根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小进行第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的位置调整，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上光强幅值达到最大时，完成第一物镜(6)的位置调整。
7.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述第一五维调整台(5)上放置Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)，通过第一五维调整台(5)进行Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整***置的调整，从而改变经准直物镜(8)后到达第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整***置的调整。
8.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述分光板(9)的分光比根据第一夏克-哈特曼波前传感器(10)和第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小来确定，使得透过分光板(9)到达第一夏克-哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小和透过分光板(9)到达第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小基本一致。
9.根据权利要求1所述的一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置，其特征在于，所述成像物镜(11)将待测光学***(11)的出瞳成像在第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的微透镜阵列所在平面上，同时将球面反射镜(13)反射后沿待测光学***(11)原路返回的光束转换成平行光束；所述成像物镜(11)中各光学元件均镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率；所述成像物镜(11)同时具有变焦和变倍功能，从而在测量不同数值孔径待测光学***(11)时，第二夏克-哈特曼波前传感器(14)探测器上的光斑始终保持和探测器有效像素的边缘相切；所述成像物镜(11)的波像差通过Y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束进行测量。
10.一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量方法，其采用权利要求1-9中之一所述的装置，其特征在于，
该装置中，所述成像物镜(11)的波像差通过Y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束进行测量；Y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束经第二物镜(17)聚焦到第二小孔板(18)上，由第二小孔板(18)上的第二小孔板小孔(18a)衍射产生近于理想的球面波，由该球面波、第二夏克-哈特曼波前传感器(14)及数据处理模块(15)进行成像物镜(11)波像差的测量；其中，第二五维调整台(16)上放置Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)，通过第二五维调整台(16)进行Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)整***置的调整，从而改变经成像物镜(11)后到达第二夏克-哈特曼波前传感器(14)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)整***置的调整；
该方法包括以下步骤：
S1、根据待测光学***(12)的工作波长选择波长可调谐激光器(1)的输出波长；
S2、通过第一电动调整台(6a)调节第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的距离，使得第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得的从第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)出射的光束强度最大；
S3、通过第一五维调整台(5)调整Y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)的位置，使得第一夏克-哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；
S4、通过第二电动调整台(17a)调节第二物镜(17)相对于第二小孔板(18)的距离，使得第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得的从第二小孔板(18)上的第二小孔板小孔(18a)出射的光束强度最大；
S5、通过第二五维调整台(16)调整Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)的位置，使得第二夏克-哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；
S6、采用第一夏克-哈特曼波前传感器(10)和第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量***误差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算得准直物镜(8)和成像物镜(11)的波像差分别为WCL和WIM；
S7、移去Y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(17)、第二电动调整台(17a)及第二小孔板(18)，将待测光学***(12)及球面反射镜(13)安放在上述基于夏克-哈特曼波前传感器的光学***波像差测量装置中；
S8、采用第二夏克-哈特曼波前传感器(14)测量此时***的波像差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算此时的***波像差W；
S9、由数据处理模块(15)根据下式计算待测光学***(12)的波像差WOS：
式中，FSP为球面反射镜(13)的面形误差，其值由干涉仪直接测量得到。
S10、测量中，通过第一夏克-哈特曼波前传感器(10)监测整个测量***的稳定性，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果变化超出测量精度的1/5时，需要重复步骤S2～S6进行***误差的重新测量，然后再重复步骤S7～S9进行待测光学***(12)的波像差测量，当第一夏克-哈特曼波前传感器(10)测量结果变化小于测量精度的1/5时，满足测量要求，完成待测光学***(12)的波像差测量。
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| "多用途、模块化哈特曼波前传感器的研制";李宏壮 等;《光学技术》;20110531;第37卷(第3期);第362-365页 * |
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