專利名稱：光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種哈特曼波前傳感器，尤其是一種能夠達(dá)到最大動態(tài)測量范圍的光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器。
現(xiàn)有的哈特曼波前傳感器通常采用微透鏡陣列-CCD探測器結(jié)構(gòu)。1995年7月20日出版的《應(yīng)用光學(xué)》34卷21期第4186頁的“哈特曼和剪切干涉波前傳感器的基本性能比較”(“Fundamental performance comparison of aHartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor”4186APPLIED OPTICS/Vol 34 No 21 20 July 1995)一文公開的一種哈特曼波前傳感器，由微透鏡陣列和CCD探測器構(gòu)成，微透鏡陣列和CCD探測器由機械結(jié)構(gòu)耦合于一體。以往所有的哈特曼波前傳感器微透鏡陣列的排布與布局與CCD探測器靶面上子孔徑的劃分都是對應(yīng)一致的，例如張強，許冰，姜文漢在《光學(xué)學(xué)報》，1999，Vol.19，No.3，pp.386～389“環(huán)形光斑的波前傳感器與波前校正器優(yōu)化布局”中介紹的哈特曼波前傳感器，微透鏡陣列布局是環(huán)形的，則形成的光斑陣列也是環(huán)形的，CCD探測器靶面上子孔徑也是環(huán)形的，如附圖6所示，靶面上中心和邊緣大量的像素在工作過程中沒有探測作用，總的像素利用率只有62.5％。這樣的設(shè)計嚴(yán)重局限了哈特曼波前傳感器的動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能充分提高CCD像素利用率，使之達(dá)到最大動態(tài)測量范圍的光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一是光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器，包括陣列孔徑分割元件和CCD探測器件，其特征在于陣列孔徑分割元件由透鏡-楔板陣列構(gòu)成，不僅可以聚焦光束成光斑陣列，而且光斑陣列的排布可以任意設(shè)計調(diào)節(jié)。其中透鏡-楔板陣列由一個楔板陣列和一個微透鏡陣列組成或楔板和透鏡設(shè)計為一體的二元光學(xué)或連續(xù)表面陣列元件。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案二是光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器，包括陣列孔徑分割元件和CCD探測器件，其特征在于陣列孔徑分割元件由離軸透鏡陣列構(gòu)成，不僅可以聚焦光束成光斑陣列，而且光斑陣列的排布可以任意設(shè)計調(diào)節(jié)。離軸透鏡陣列可以是二元光學(xué)菲涅爾離軸微透鏡陣列，也可以是連續(xù)表面離軸微透鏡陣列，或變折射率的離軸微透鏡陣列。
本發(fā)明由于陣列孔徑分割元件由透鏡-楔板陣列或離軸透鏡陣列構(gòu)成，通過對透鏡-楔板陣列中各楔板的角度不同設(shè)計或通過對離軸透鏡陣列中各透鏡的光軸位置的不同設(shè)計，不僅可以達(dá)到聚焦光束成光斑陣列的目的，而且無論光束形狀和孔徑分割元件布局如何，都可以使光斑陣列按預(yù)期希望排布，這樣能充分提高CCD像素利用率，使之達(dá)到最大動態(tài)測量范圍。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如

圖1所示，在本發(fā)明技術(shù)解決方案一中哈特曼波前傳感器包括陣列孔徑分割元件1和CCD探測器件2，陣列孔徑分割元件1由透鏡-楔板陣列構(gòu)成，透鏡-楔板陣列由一個楔板陣列和一個微透鏡陣列組成或是楔板和透鏡設(shè)計為一體的一個陣列元件。
平面光波經(jīng)透鏡聚焦，焦斑位置將在焦面與透鏡的光軸的交點(x0，y0)處，而當(dāng)光束通過楔板時再由透鏡聚焦時，如圖2所示，有角度楔板為光波附加一定量的傾斜像差，光波出射方向?qū)⒃趚和y方向與原方向偏轉(zhuǎn)δx和δyδi=I-θi-arcsin{n·sin[arcsin(1n·sinI)-θi]},]]>其中i＝x， y，n是楔板的折射率，I是光波相對于楔板表面的入射角，θx和θy分別是楔板在x和y方向的角度，經(jīng)過透鏡聚焦后，焦斑的位置為 其中f是透鏡的焦距。因此，通過改變楔板的角度我們可以將平面光波經(jīng)透鏡聚焦的光斑排布到任意希望的位置(x1，y1)上。
當(dāng)透鏡-楔板陣列由一個楔板陣列和一個微透鏡陣列組成時，光束通過楔板陣列時，楔板陣列光波進(jìn)行了孔徑分割并且每一個子孔徑的光波附加一定量的傾斜像差，經(jīng)過相應(yīng)的微透鏡陣列上相應(yīng)透鏡聚焦成像于CCD形成光斑陣列。每一個光斑位置都由相應(yīng)的楔板角度決定，那么整個光斑陣列的排布也就可以通過改變楔板陣列中每個楔板的設(shè)計角度來決定，且無論原光束形狀和孔徑分割元件布局如何，光斑陣列排布都可以按預(yù)定希望設(shè)計。例如，環(huán)形光束通過設(shè)計的透鏡-楔板陣列后，其光斑的排布可以成為如圖5所示的方形陣列排布，相比圖6中的環(huán)形排布，這樣大大提高了CCD像素利用率，可以達(dá)到95％以上。在其它參數(shù)如微透鏡焦距和CCD總像素數(shù)一定的情況下，此時每個子孔徑的像素數(shù)最多，哈特曼波前傳感器的動態(tài)范圍為最大。
楔板陣列和微透鏡陣列也可以設(shè)計為一體成為一個陣列元件，即將楔板陣列和微透鏡陣列用微光刻的方法同時刻畫于同一個基板上，該陣列元件的每一個單元即是一組楔板和透鏡的組合，用于實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)和聚焦，其工作原理完全如前所述。
如圖3所示，本發(fā)明技術(shù)解決方案二中，陣列孔徑分割元件可以由離軸微透鏡陣列1′構(gòu)成。離軸透鏡陣列1′可以是二元光學(xué)菲涅爾離軸微透鏡陣列，也可以是連續(xù)表面離軸微透鏡陣列，還可以是變折射率的離軸微透鏡陣列。
透鏡光軸位置決定了焦點位置，如圖4所示，透鏡光軸與幾何形狀軸線重合時，聚焦光斑的位置是光軸(幾何形狀軸線)與焦面的交點(x0，y0)，離軸透鏡的光軸位置與幾何形狀軸線不重合，聚焦光斑的位置是光軸與焦面的交點(x1，y1)，那么通過改變離軸透鏡的光軸位置，可以改變相應(yīng)聚焦光斑的位置。離軸透鏡陣列上每個透鏡的光軸位置，決定了相應(yīng)的聚焦光斑在焦面上的位置，因而也最終決定光斑陣列的排布，那么無論原光束形狀和孔徑分割元件布局如何，整個光斑陣列的排布可以通過改變離軸透鏡陣列每個透鏡的光軸位置按預(yù)定希望設(shè)計。同樣，例如環(huán)形光束通過設(shè)計的離軸微透鏡陣列后，其光斑的排布也可以成為如圖5所示的方形陣列排布，相比圖6中的環(huán)形排布，這樣大大提高了CCD像素利用率，達(dá)到95％以上。在其它參數(shù)如微透鏡焦距和CCD總像素數(shù)一定的情況下，此時每個子孔徑的像素數(shù)最多，哈特曼波前傳感器的動態(tài)范圍為最大。離軸微透鏡陣列的制作可以是微光刻的二元光學(xué)元件或連續(xù)表面元件，也可以是變折射率離軸微透鏡陣列，其子透鏡是通過折射率成梯度變化，達(dá)到聚焦光束的目的。離軸微透鏡陣列子透鏡形狀可以是柱面鏡，也可以是立方體、圓柱體，或其它形狀。
權(quán)利要求
1.光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器，包括陣列孔徑分割元件和CCD探測器件，其特征在于所述的陣列孔徑分割元件由透鏡-楔板陣列構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器其特征在于所述的透鏡-楔板陣列由一個楔板陣列和一個微透鏡陣列組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器其特征在于所述的透鏡-楔板陣列是楔板和透鏡設(shè)計為一體的二元光學(xué)或連續(xù)表面陣列元件。
4.光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器，包括陣列孔徑分割元件和CCD探測器件，其特征在于所述的陣列孔徑分割元件由離軸透鏡陣列構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的離軸透鏡陣列是二元光學(xué)菲涅爾離軸微透鏡陣列，或連續(xù)表面離軸微透鏡陣列，或變折射率的離軸微透鏡陣列。
全文摘要
光斑陣列排布可調(diào)的哈特曼波前傳感器，包括陣列孔徑分割元件和CCD探測器件，其特點在于陣列孔徑分割元件由透鏡－楔板陣列或離軸透鏡陣列構(gòu)成，通過對透鏡－楔板陣列中各楔板的角度不同設(shè)計或通過對離軸透鏡陣列中各透鏡的光軸位置的不同設(shè)計，不僅可以達(dá)到聚焦光束成光斑陣列的目的，而且無論光束形狀和孔徑分割元件布局如何，都可以使光斑陣列按預(yù)期希望排布。本發(fā)明能充分提高CCD像素利用率，使之達(dá)到最大動態(tài)測量范圍。
文檔編號G02B27/22GK1465967SQ0212375
公開日2004年1月7日 申請日期2002年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者侯靜, 凌寧, 姜文漢, 靜 侯 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所