專利名稱：具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量波前形狀的精密儀器—哈特曼波前傳感器，特別是一種能簡單、快捷、精準地調節入射光束進入測量視場的哈特曼波前傳感器。
背景技術：
哈特曼波前傳感器是一種能夠檢測波面形狀的儀器，它在光學鏡面檢測、醫療儀器和天體目標成像中得到了廣泛的應用。在以往的哈特曼波前傳感器中，通常只包括測量光源系統、光束匹配系統、微透鏡陣列、光電探測器(通常為CCD)和數據處理系統。哈特曼波前傳感器在使用之前，被測波面都須被調整到微透鏡陣列的測量視場以內。以往都是通過觀察子孔徑內的光斑位置進行調節。相對于入射光路來說，微透鏡陣列的測量視場通常顯得很小，被測體改變很小的角度，子孔徑內的光斑就會發生大的偏移，所以很難把入射波面調進微透鏡陣列的測量視場。從而，在使用哈特曼波前傳感器的過程中，過多的精力花在了被測件的對準上；并易造成被測光束和系統光軸偏離，從而導致波面的測量誤差變大。
發明內容
本發明的技術解決的問題是提供了一種具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器及其檢測方法，該哈特曼波前傳感利用粗對準和精對準部分可以方便、精準地對準被測件和系統的光軸，從而減小測量誤差，提高了哈特曼系統的測量精度；同時利用該哈特曼波前傳感器的檢測方法可以方便地進行正透鏡，負透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡等的檢測，檢測誤差小。
本發明的技術解決方案具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器，包括測量光源系統、光束匹配系統、分光鏡、微透鏡陣列、光電探測器，其特點在于還包括粗對準部分和精對準部分，粗對準部分包括帶孔的成像屏、粗對準探測系統，其中成像屏位于光束匹配系統的前透鏡組的焦平面上，屏上的中心孔位于焦點上，工作時由測量光源系統發出的光由成像屏的孔出射，經過光束匹配系統的前透鏡組后經被測物體后返回，重新聚焦到成像屏上，通過觀察由粗對準探測系統得到的小孔和聚焦光斑的相對位置，調節被測件的位置使小孔和聚焦光斑重合，經過粗對準以后，保證了光束能夠進入精對準的范圍內；精對準部分包括精對準分光鏡、聚焦透鏡和精對準探測系統，精對準分光鏡位于聚焦透鏡之前，聚焦透鏡位于精對準探測系統之前，測量光源系統發出的光先后經過粗對準分光鏡、分光鏡后，由光束匹配系統的前鏡組出射，經被測件后返回，先后經過光束匹配系統的前鏡組、光束匹配系統的后鏡組、分光鏡、精對準分光鏡后，再經聚焦透鏡成像于精對準探測系統上，通過質心計算公式得到聚焦光斑的位置，調節被測件使光斑質心與事先標定點即系統光軸的位置重合，至此精對準過程完成，經過精對準后，光束已經進入到微透鏡陣列的測量視場以內，并可進行直接測量。
本發明與現有技術相比的有益效果本發明能快捷地調整被測件的位置，讓被測光束或自準直光束進入微透鏡陣列的測量視場內；并且被測件的調節方向，都是通過比較聚焦光斑和參照點之間的相對關系得來的，具有直觀、簡單、精準的特性，對使用人員的要求降低；在粗對準過程中，若激光光源系統產生的是小口徑的平行光，本發明還能簡便的對準被測件和哈特曼系統的光軸，經過粗對準和精對準后，避免了子孔徑內的光斑發生整體偏移的情況，從而提高了測量精度；同時利用本發明的檢測方法可以方便地進行正透鏡，負透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡等的檢測，檢測誤差小；本發明中對所用的元件的規格要求低，價格便宜，容易購買。
圖1為原有哈特曼波前傳感器的結構示意圖；
圖2為具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器的結構示意圖；圖3為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼傳感器進行粗對準時的工作示意圖；圖4為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器進行精對準時的工作示意圖；圖5為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器測量正透鏡面形的工作原理圖；圖6為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器測量負透鏡面形的工作原理圖；圖7為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器測量凸面鏡面形的工作原理圖；圖8為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器測量凹面鏡面形的工作原理圖；圖9為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器測量平面鏡面形的工作原理圖；圖10為本發明中的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器測量激光光束質量的工作原理圖。
圖中1.光束匹配系統的前鏡組(簡稱前鏡組)，2.光束匹配系統的后鏡組(簡稱后鏡組)，3.分光鏡，4.微透鏡陣列，5.光電探測器，6.測量光源系統，7.標準平面鏡，8.平面鏡，10.凸面鏡，11.凹面鏡，12.正透鏡，13.負透鏡，14.標準球面鏡，15.附加透鏡，16.激光器，17.光束匹配系統(前鏡組1和后鏡組2可合稱為光束匹配系統)，18、外置激光器、C1.粗對準探測系統，C2.帶孔的成像屏，J1.精對準分光鏡，J2.聚焦透鏡，J3.精對準探測系統。
具體實施例方式
哈特曼波前傳感器在工作時，需要首先標定系統本身的誤差。
如圖1所示，在標定系統誤差時，由測量光源系統6發射的光束首經過分光鏡3，再經過光束匹配系統后，最終從系統中出射。經過標準平面鏡7反射后返回系統內，經過光束匹配系統、分光鏡3，微透鏡陣列4后，成像于光電探測器5上，調節標準平面鏡7的位置，最終使光電探測器5上的光斑排布符合測量要求，但微透鏡陣列4的面積約為1cm2，相對于整體光路來說很小，造成標準平面鏡7可調節的范圍較小，調節難度很大。采用標準平面鏡7標定之后，再將被測件放置在系統中進行檢測。
如圖2所示，本發明所述的哈特曼波前傳感器和圖1中相比，增加了用于粗對準的部分和用于精對準的部分。粗對準部分由粗對準探測系統C1和帶孔的成像屏C2，精對準部分包括精對準分光鏡J1、聚焦透鏡J2、精對準探測系統J3，其中成像屏C2位于前鏡組1的焦平面上，粗對準探測系統C1能對整個成像屏C2成像，精對準分光鏡J1位于聚焦透鏡J2之前，聚焦透鏡J2位于精對準探測系統J3之前；精對準時入射光穿過后鏡組2、分光鏡3、精對準分光鏡J1后，經聚焦透鏡J2后匯聚到光電探測J3上。
如圖3所示，粗對準時，入射光束經過前鏡組1后，聚焦到成像屏C2上，探測系統C1能觀察到整個成像屏C2，并將結果顯示在監視器上；通過觀察聚焦光斑和成像屏C2中心小孔的相對位置，調整被測件的位置使二者重合，成像屏C2上小孔的大小保證了經過粗調以后光束能夠進入精調的范圍之內。
如圖4所示，在精對準時，測量光源系統6發出的光先后經過精對準分光鏡J1、分光鏡3后，由前鏡組1出射；經被測件后返回，先后經過前鏡組1、后鏡組2、分光鏡3、精對準分光鏡J1后，再經聚焦透鏡J2成像于光電探測器J3上。通過計算入射光斑的質心位置，比較入射光斑的質心和事先標定點之間的相對位置關系，調整被測件位置直至兩點重合。此時已能保證光束完美地進入微透鏡陣列4的測量視場內，并且與系統嚴格同光軸。
利用本發明的哈特曼波前傳感器系統可以對被測件，包括正透鏡、負透鏡、凸鏡、凹鏡、平面鏡進行面形檢測，而且還可以對激光光束質量進行檢測，其檢測方法結合圖5-圖10進行敘述。
如圖5所示，圖中的光束匹配系統17是前鏡組1和后鏡組2的合稱；利用本發明對正透鏡進行面形檢測時，進行以下四個步驟的調節(1)把標準平面鏡7放置在哈特曼波前傳感器系統的前面，即圖中的虛線位置，根據圖3、圖4所述調節標準平面鏡7的傾斜，讓由測量光源系統6發出的光能被反射到精對準探測系統J3上，并且讓聚焦光斑與事先標定點重合，記錄下各子孔徑內的光斑在光電探測器5上的位置，作為標定點。
(2)撤去標準平面鏡7后，在哈特曼系統的前面放置激光器18，即圖中虛線位置，激光器18發出的細光束經過前鏡組1后，聚焦到成像屏C2上，根據聚焦光斑和小孔上的相對位置，調整激光器18的位置使二者重合，此時激光器18發出的光束和系統光軸大致重合；而后利用圖2所示的精對準部分，進一步調節激光器18的位置，使精對準探測系統J3上的光斑和事先標定點重合，此時激光光束和系統光軸已精確對準。
(3)把正透鏡12放置在外置激光器18和哈特曼傳感器系統之間，按照步驟(2)所述，通過觀察光斑的位置精準調節正透鏡和系統同光軸。
(4)撤去外置激光器18，換上標準球面鏡14，由測量光源系統6出射的光被標準球面鏡14反射回哈特曼波前傳感器系統內，同樣按步驟(1)中所述調節標準球面鏡14和哈特曼波前傳感器系統同軸，并根據聚焦光斑的大小調整標準球面鏡14和正透鏡12同焦點，記錄下各子孔徑內的光斑在光電探測器5上的位置，聯合步驟(1)中得到的標定點來復原波面。
如圖6所示，圖中的光束匹配系統17是前鏡組1和后鏡組2的合稱；在對負透鏡進行面形檢測時，同樣需要圖5中的四個步驟，和對正透鏡面形檢測相比，差別只在于把正透鏡12換成了負透鏡13。
如圖7所示，圖中的光束匹配系統17是前鏡組1和后鏡組2的合稱；在對凸面鏡進行面形檢測時，須在哈特曼波前傳感器系統的外面增加一個附加透鏡15，由哈特曼波前傳感器系統的出射的平行光束經附加透鏡15后會變成匯聚光束或發散光束，這樣就需要首先調節附加透鏡15和系統同光軸。
(1)首先把外置激光器18放置在哈特曼系統的前面，按照圖5中步驟(2)所述的調節方法，讓由外置激光器18發出的光能匯聚到精對準探測系統J3上，并且聚焦光斑和事先標定點重合，此時保證了外置激光器18和哈特曼系統的同光軸。
(2)再把附加透鏡15放置在外置激光器18和哈特曼系統之間，調節附加透鏡15與哈特曼系統的相對位置，讓由外置激光器18發出的細光束仍能夠匯聚到精對準探測系統J3上，并且聚焦光斑和事先標定點重合，這樣便保證了附加透鏡15和哈特曼系統同光軸。
(3)拿掉外置激光器18，把標準球面鏡14放入檢測光路中，此時探測光源系統6開始工作，依次根據由粗對準探測系統C1和精對準探測系統J3觀察到的聚焦光斑和小孔、事先標定之間的位置關系，調節標準球面鏡14和系統同光軸，和附加透鏡15同焦點，，調節標準球面鏡14和附加透鏡15、系統同光軸，標準球面鏡14和附加透鏡15同焦點，并記錄下光電探測器5上各個光斑的位置，作為標定點。
(4)最后用被測凸面鏡10替代標準球面鏡14，同樣按調節標準球面鏡14和系統同光軸的方法對凸面鏡10進行調節，最終使凸面鏡10，附加透鏡15同焦點，和哈特曼系統同光軸；以上調節完成以后，便可以運用光電探測器5新測得的光斑位置和標定點來復原波面。
如圖8所示，圖中的光束匹配系統17是前鏡組1和后鏡組2的合稱；在對凹面鏡進行面形檢測時，測量前的步驟和圖7所述的步驟是一樣的，只是把凸面鏡10換成了凹面鏡11。
如圖9所示，本發明在對平面鏡進行面形檢測時，須進行以下兩個步驟地調節(1)首先讓探測光源系統6工作，光束被放置在哈特曼系統前面的標準平面鏡7反射，調節標準平面鏡7的傾斜，讓光束首先經過成像屏上的小孔，最終匯聚到精對準探測系統J3上，并且聚焦光斑與事先標定點重合，記錄下各子孔徑內的光斑在光電探測器5上的位置，作為標定點；(2)用被測平面鏡代替標準平面鏡7，同樣通過觀察由粗對準系統C1和精對準探測系統J3得到的聚焦光斑和小孔、事先標定之間的相對關系，調節平面鏡的位置，讓光束首先經過成像屏上的小孔，然后匯聚到精對準探測系統J3上，并且聚焦光斑與事先標定點重合，記錄下各個子孔徑內的光斑在光電探測器5上的位置，聯合標定點，便可以復原波面。
如圖10所示，圖中的光束匹配系統17是前鏡組1和后鏡組2的合稱；在對激光光束質量進行檢測時，首先在哈特曼系統的前面放置標準平面鏡7，測量光源系統6開始工作，同樣根據由粗對準探測系統C1和精對準探測系統J3觀察到的聚焦光斑和小孔、事先標定之間的位置關系，對標準平面鏡7進行調節，最終使精對準探測系統J3上的聚焦光斑和事先標定點重合，記錄下此時各個子孔徑內的光斑位置作為標定點；然后利用激光器16代替標準平面鏡7，此時測量光源系統6不再工作，調節激光器16的位置，讓光束首先經過小孔，最后聚焦到精對準探測系統J3上，聚焦光斑和事先標定點重合，記錄下此時各個子孔徑內的光斑位置，聯合標定點來復原波面。
按圖5～10所述完成對準測量后，通過以下步驟來復原波面。首先采用離散質心算法，由式(1)計算光斑位置(xi，yi)，xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInmyi=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm---(1)]]>式中，m＝1～M，n＝1～N為子孔徑映射到探測器靶面上對應的像素區域，Inm是探測器靶面上第(n，m)個像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m )個像素的x坐標和y坐標。
利用在標定時刻和測量時刻得到的子孔徑內的兩組光斑位置，可以得到波前在每個子孔徑上的平均斜率gxi=Δx2πλf=xi-xo2πλf]]>gyi=Δy2πλf=yi-yo2πλf]]>式中，(x0，y0)為用標準平面波標定時，每個子孔徑上獲得的光斑中心基準位置，利用由上式計算得到的每個子孔徑上被測波面的斜率值，然后再通過模式法或區域法來復原波前。
權利要求
1.具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器，包括測量光源系統(6)、光束匹配系統、分光鏡(3)、微透鏡陣列(4)、光電探測器(5)，其特征在于還包括粗對準部分和精對準部分，粗對準部分包括帶孔的成像屏(C3)、粗對準探測系統(C1)，其中成像屏(C3)位于光束匹配系統的前透鏡組(1)的焦平面上，屏上的中心孔位于焦點上，工作時由測量光源系統(6)發出的光由成像屏(C3)的孔出射，經過光束匹配系統的前透鏡組(1)后經被測物體后返回，重新聚焦到成像屏(C3)上，通過觀察由粗對準探測系統(C1)得到的小孔和聚焦光斑的相對位置，調節被測件的位置使小孔和聚焦光斑重合，經過粗對準以后，保證了光束能夠進入精對準的范圍內；精對準部分包括精對準分光鏡(J1)、聚焦透鏡(J2)和精對準探測系統(J3)，精對準分光鏡(J1)位于聚焦透鏡(J2)之前，聚焦透鏡(J2)位于精對準探測系統(J3)之前，測量光源系統(6)發出的光先后經過粗對準分光鏡(J1)、分光鏡(3)后，由光束匹配系統的前鏡組(1)出射，經被測件后返回，先后經過光束匹配系統的前鏡組(1)、光束匹配系統的后鏡組(2)、分光鏡(3)、精對準分光鏡(J1)后，再經聚焦透鏡(J2)成像于精對準探測系統(J3)上，通過質心計算公式得到聚焦光斑的位置，調節被測件使光斑質心與事先標定點即系統光軸的位置重合，至此精對準過程完成，經過精對準后，光束已經進入到微透鏡陣列(4)的測量視場以內，并可進行直接測量。
2.根據權利要求1所述的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的粗對準探測系統(C1)和精對準探測系統(J3)由光電探測器，及圖像采集和顯示系統組成。
3.采用權利要求1所述的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器對正透鏡或負透鏡進行面形檢測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)把標準平面鏡(7)放置在哈特曼波前傳感器系統的前面，調節標準平面鏡(7)的傾斜，讓由測量光源系統(6)發出的光能被反射到精對準探測系統(J3)上，并且讓聚焦光斑與事先標定點重合，記錄下各子孔徑內的光斑在光電探測器(5)上的位置，作為標定點；(2)撤去標準平面鏡(7)后，放置激光器(18)在哈特曼波前傳感器系統的前面，激光器(18)發出的細光束經過前鏡組(1)后，聚焦到成像屏(C2)上，根據聚焦光斑和小孔上的相對位置，調整激光器(18)的位置使聚焦光斑和小孔重合，此時激光器(18)發出的光束和系統光軸大致重合；而后利用精對準部分，進一步調節激光器(18)的位置，使精對準探測系統(J3)上的光斑和事先標定點重合，此時激光光束和系統光軸已精確對準；(3)把正透鏡(12)或負透鏡(13)放置在外置激光器(18)和哈特曼傳感器系統之間，按照步驟(2)所述，通過觀察光斑的位置精準調節正透鏡和系統同光軸；(4)撤去外置激光器(18)，換上標準球面鏡(14)，由測量光源系統(6)出射的光被標準球面鏡(14)反射回哈特曼波前傳感器系統內，同樣按步驟(1)中所述調節標準球面鏡(14)和系統同軸，并根據聚焦光斑的大小調整標準球面鏡(14)和正透鏡(12)同焦點，記錄下各子孔徑內的光斑在光電探測器5上的位置，聯合步驟(1)中得到的標定點來復原波面。
4.采用權利要求1所述的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器對凸面鏡或凹面鏡進行面形檢測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在對凸面鏡進行面形檢測時，在權利要求1所述的哈特曼波前傳感器系統的外面增加一個附加透鏡(15)，由該哈特曼波前傳感器系統出射的平行光束經附加透鏡(15)后會變成匯聚光束或發散光束，這樣就需要首先調節附加透鏡(15)和系統同光軸；(2)把外置激光器(18)放置在哈特曼系統的前面，依次根據由粗對準探測系統C1和精對準探測系統(J3)觀察到的聚焦光斑和小孔、事先標定之間的位置關系，調節外置激光器(18)，讓由外置激光器(18)發出的光能匯聚到精對準探測系統(J3)上，并且聚焦光斑和事先標定點重合，此時保證了外置激光器(18)和哈特曼系統的同光軸；(3)再把附加透鏡(15)放置在外置激光器(18)和哈特曼系統之間，同樣根據聚焦光斑和小孔、事先標定點之間的位置關系，調節附加透鏡的位置，讓由外置激光器(18)發出的細光束仍能夠匯聚到精對準探測系統(J3)上，并且聚焦光斑和事先標定點重合，這樣便保證了附加透鏡15和哈特曼系統同光軸；(4)拿掉外置激光器(18)，把標準球面鏡(14)放在附加透鏡(15)的前面，此時探測光源系統(6)開始工作，仍然根據聚焦光斑的位置，調節標準球面鏡(14)和系統同光軸，和附加透鏡(15)同焦點；并記錄下光電探測器(5)上各個光斑的位置，作為標定點；(5)最后用被測凸面鏡(10)替代標準球面鏡(14)，同樣按調節標準球面鏡(14)和系統同光軸的方法對凸面鏡(10)進行調節，最終使凸面鏡10，附加透鏡15同焦點，和哈特曼系統同光軸；以上調節完成以后，便可以運用光電探測器5新測得的光斑位置和標定點來復原波面；(6)把凸面鏡(10)或凹面鏡(11)放置在標準平面鏡(7)和哈特曼波前傳感器之間，運用標準平面鏡(7)和粗對準部分進行調節；然后把標準球面鏡(14)放入檢測光路中，調節標準球面鏡(14)和附加透鏡(15)、系統同光軸，使標準球面鏡(14)和附加透鏡(15)同焦點，并記錄下光電探測器(5)上各個光斑的位置，作為標定點；再利用被測凸面鏡(10)凹面鏡(11)替代標準球面鏡(14)，讓凸面鏡(10)和附加透鏡(15)同焦點，和系統同光軸；完成以后，運用光電探測器(5)測得的光斑位置和標定點來復原波面。
5.采用權利要求1所述的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器對平面鏡進行面形檢測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)首先讓探測光源系統(6)工作，光束被放置在哈特曼系統前面的標準平面鏡(7)反射，調節標準平面鏡(7)的傾斜，讓光束首先經過成像屏上的小孔，最終匯聚到精對準探測系統(J3)上，并且聚焦光斑與事先標定點重合，記錄下各子孔徑內的光斑在光電探測器(5)上的位置，作為標定點；(2)用被測平面鏡代替標準平面鏡(7)，同樣通過觀察由粗對準系統(C1)和精對準探測系統(J3)得到的聚焦光斑和小孔、事先標定之間的相對關系，調節平面鏡的位置，讓光束首先經過成像屏上的小孔，然后匯聚到精對準探測系統(J3)上，并且聚焦光斑與事先標定點重合，記錄下各個子孔徑內的光斑在光電探測器(5)上的位置，聯合標定點，便可以復原波面。
6.采用權利要求1所述的具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器對激光光束質量進行檢測的方法，其特征在于首先把標準平面鏡(7)放置在權利要求1所述的哈特曼系統的前面，測量光源系統6開始工作，同樣根據由粗對準探測系統C1和精對準探測系統J3觀察到的聚焦光斑和小孔、事先標定之間的位置關系，對標準平面鏡7進行調節，最終使精對準探測系統J3上的聚焦光斑和事先標定點重合，記錄下此時各個子孔徑內的光斑位置作為標定點；然后利用激光器16代替標準平面鏡7，此時測量光源系統6不再工作，調節激光器16的位置，讓光束首先經過小孔，最后聚焦到精對準探測系統J3上，聚焦光斑和事先標定點重合，記錄下此時各個子孔徑內的光斑位置，聯合標定點來復原波面。
全文摘要
具有被動式對準功能的哈特曼波前傳感器及其檢測方法，在原有系統中添加了粗對準和精對準兩項功能；其中粗對準部分包括帶孔的成像屏、探測系統，精對準部分包括聚焦透鏡、分光鏡、探測系統。入射光束經過粗對準和精對準兩個步驟后，能快捷方便地進入到微透鏡陣列的測量視場內，并且能與系統嚴格同光軸，從而提高了哈特曼波前傳感器的測量精度。同時利用該哈特曼波前傳感器可以方便地進行正透鏡，負透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡等的檢測。本發明能把調整的結果實時地顯示出來，具有直觀、易懂的特性，從而降低了對使用人員的要求，減少了調節時間；并且本發明對所用的器件規格要求低，價格低廉，容易購買。
文檔編號G01M99/00GK1963433SQ200610165079
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者李華強, 饒學軍 申請人:中國科學院光電技術研究所
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