專利名稱：雙光楔拼接四棱錐波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)、波前探測等技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵器件，涉及一個(gè)四棱錐波 前傳感器的關(guān)鍵器件的制作方法。
背景技術(shù)：
波前傳感器是自適應(yīng)系統(tǒng)中測量波前畸變的重要器件，根據(jù)測量信號(hào)與波面之間 的聯(lián)系可以分為兩類一類是通過測量波前斜率(即波前一階導(dǎo)數(shù))獲得波前相位，較典型 的有哈特曼波前傳感器，剪切干涉儀等；另一類是測量波前曲率(即波前二階導(dǎo)數(shù))來獲得 波前相位，主要有曲率波前傳感器。最常用的哈特曼波前傳感器使用微透鏡陣列對(duì)入射光瞳進(jìn)行分割，通過測量透鏡 陣列焦面上各像斑的質(zhì)心坐標(biāo)與參考波前質(zhì)心坐標(biāo)之差求解波前斜率。另外一種光瞳分光 的波前傳感器利用N(N > 1)個(gè)棱面的棱錐將入射波面分束，進(jìn)而測量波前畸變(1983年授 權(quán)的美國專利 US4399356 "Optical wavefront sensing system”)。對(duì)于上面兩種分波前的波前傳感器，它們的空間采樣率由子孔徑數(shù)目決定，而增 加子孔徑數(shù)目將對(duì)光電成像元件的分辨率提出更高的要求，而且兩種波前傳感器的光能利 用率較低。四棱錐波前傳感器(PWFS)是Ragazzoni于1996年首次提出的一種斜率型 波前傳感器，利用金字塔形狀的折射鏡在焦平面處將入射光的遠(yuǎn)場焦斑分成4束， 接著利用中繼透鏡成像到CCD圖像探測器，通過分析光瞳共軛面上的四個(gè)光瞳像的 光強(qiáng)獲得測量信號(hào)，然后采用線性重構(gòu)算法復(fù)原波前(2002年授權(quán)的澳大利亞專利 AU2003267457A1 "Pyramidsensor for determing the wave aberration of the human eye”)。它與前面兩種分波前的波前傳感器相比較，具有光能利用率高、測量波前的空間分 辯力更高，對(duì)弱目標(biāo)探測能力更強(qiáng)，采樣率易于改變等優(yōu)點(diǎn)(A&A，350，L23-L26，1999，Opt. Commun, 268，189-195，2006)。此外，PffFS在測量拼接型望遠(yuǎn)鏡鏡面間的piston像差時(shí)， 具有不需要更改光路的優(yōu)點(diǎn)(Opt. lett. Vol. 27，No. 7,2002 ；Opt. Lett. 3465-3467，Vol32, No. 23，2007)，它也是一種發(fā)展前景較好的波前傳感器。PffFS的核心器件是一個(gè)金字塔形狀的折射棱鏡，簡稱四棱錐。制作四棱錐的時(shí) 候，四個(gè)錐側(cè)面交匯的頂點(diǎn)處并非是一個(gè)嚴(yán)格意義上的點(diǎn)，而是一個(gè)平臺(tái)。然而由于四棱 錐在PWFS中的作用是在頻譜面對(duì)入射波進(jìn)行分束，因此對(duì)其表面粗糙度與平臺(tái)寬度有嚴(yán)
格要求。合格的產(chǎn)品其面形誤差RMS <入/^，平臺(tái)寬度？·44^^^ (SPIE, Vol.4007,
423-430，2000)。目前，國內(nèi)外四棱錐的制作方法可分為兩種1.傳統(tǒng)的光學(xué)拋光法；2.光刻電鑄壓膜法(LIGA)。采用第一種方法加工的四棱 錐，錐頂?shù)钠脚_(tái)寬度一般大于 30um(PhD Thesis，JoanaBiichler Costa. 2005)。采用 LIGA 方 法雖然可以批量生產(chǎn)光學(xué)性質(zhì)一致的四棱錐，但是目前提供的成品四棱錐的平臺(tái)寬度也在20 30um (Microelectronic Engineering 67-68，566-573，2003)。而采用傳統(tǒng)的光學(xué)拋 光法制作的兩面錐棱鏡，可以保證面形RMS < λ /20且棱邊〒臺(tái)寬度< 2M^ID，這樣如 果將兩個(gè)兩面錐棱鏡拼接成一個(gè)四棱錐就可以滿足四棱錐波前傳感器光學(xué)系統(tǒng)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的解決的技術(shù)問題是降低器件加工難度，便于實(shí)際系統(tǒng)的光路調(diào)整， 克服加工四棱錐周期長、面形誤差大和平臺(tái)寬度大的問題，為此，提供一種雙光楔拼接四棱 錐波前傳感器。為達(dá)成所述目的，本發(fā)明雙光楔拼接四棱錐波前傳感器的技術(shù)解決方案是由第 一兩面錐棱鏡、第二兩面錐棱鏡、鏡架、兩個(gè)二維平移臺(tái)、第一透鏡和第二透鏡構(gòu)成，第一透 鏡、組合的第一兩面錐棱鏡與第二兩面錐棱鏡及第二透鏡沿光線方向依序排列，其中第一 兩面錐棱鏡和第二兩面錐棱鏡分別固定在兩個(gè)鏡架內(nèi)，鏡架用于調(diào)整第一兩面錐棱鏡和第 二兩面錐屋脊棱的方向、屋脊面的傾斜和俯仰角度；裝有第一兩面錐棱鏡的鏡架和第二兩 面錐棱鏡的鏡架固定在二維平移臺(tái)上，每一個(gè)二維平移臺(tái)用于調(diào)整第一兩面錐棱鏡和第二 兩面錐棱鏡的前后和水平位置；第一兩面錐棱鏡具有第一屋脊棱邊，第二兩面錐棱鏡具有 第二屋脊棱邊；第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊相互垂直放置，第一屋脊棱邊與第二屋脊棱 邊拼接，第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊之間具有拼接交點(diǎn)，所述的拼接交點(diǎn)與第一透鏡的 后焦點(diǎn)重合，使第一兩面錐棱鏡和第二兩面錐棱鏡具有與四棱錐相同的分光作用；入射畸 變波前經(jīng)第一透鏡后會(huì)聚到第一兩面錐棱鏡上，會(huì)聚后的光束沿垂直于第一屋脊棱邊的棱 線方向分成兩束，經(jīng)過第二兩面錐棱鏡后進(jìn)一步分成四束，由第二透鏡將4束光成像到CXD 圖像探測器上，其中第二透鏡的前焦平面與第一透鏡后焦平面重合，CXD圖像探測器的探測 面是待測畸變波前共軛面。本發(fā)明工作時(shí)，將兩面錐棱鏡固定在鏡架內(nèi)，調(diào)節(jié)第一兩面錐棱鏡和第二兩面錐 棱鏡棱邊的方向，確保兩個(gè)屋脊棱邊中一個(gè)沿水平和另一個(gè)豎直方向且相互靠緊，裝有兩 面錐棱鏡的鏡架固定在二維平移臺(tái)上，調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)的位置使兩兩面錐棱鏡的交點(diǎn)位于 第一透鏡的后焦點(diǎn)。調(diào)節(jié)兩面錐棱鏡的俯仰保證兩面錐棱鏡的兩個(gè)面與光軸對(duì)稱。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出雙光楔拼接四棱錐波前傳感器的方案，可以大大 降低四棱錐加工難度，具有實(shí)用好、可操作性強(qiáng)，滿足四棱錐波前傳感器光學(xué)系統(tǒng)要求等優(yōu) 點(diǎn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有易于加工、方便調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明雙光楔拼接四棱錐波前傳感器原理圖。圖Ia是第一兩面錐棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib是第二兩面錐棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是光瞳像的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。 如圖1示出雙光楔拼接四棱錐波前傳感器原理圖，圖Ia是第一兩面錐棱鏡結(jié)構(gòu)示 意圖，圖Ib是第二兩面錐棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明是由第一兩面錐棱鏡1、第二兩面錐棱鏡 2、兩個(gè)可調(diào)旋轉(zhuǎn)和二維傾斜的鏡架(圖中未示出標(biāo)記)、兩個(gè)二維平移臺(tái)(圖中未示出標(biāo) 記)、第一透鏡L1和第二透鏡L2構(gòu)成，第一透鏡L1、組合的第一兩面錐棱鏡1與第二兩面錐 棱鏡2及第二透鏡L2沿光線方向依序排列，其中第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐棱鏡2 分別固定在兩個(gè)鏡架內(nèi)，鏡架用于調(diào)整第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐屋脊棱2的方向、屋 脊面的傾斜和俯仰角度；裝有第一兩面錐棱鏡1的鏡架和第二兩面錐棱鏡2的鏡架固定在 二維平移臺(tái)上，每一個(gè)二維平移臺(tái)用于調(diào)整第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐棱鏡2的前后 和水平位置；第一兩面錐棱鏡1具有第一屋脊棱邊11，第二兩面錐棱鏡2具有第二屋脊棱 邊21 ；第一屋脊棱邊11與第二屋脊棱邊21相互垂直放置，第一屋脊棱邊11與第二屋脊棱 邊21拼接，第一屋脊棱邊11與第二屋脊棱邊21之間具有拼接交點(diǎn)，所述的拼接交點(diǎn)與第 一透鏡L1的后焦點(diǎn)重合，使第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐棱鏡2具有與四棱錐相同的分 光作用；入射畸變波前經(jīng)第一透鏡L1后會(huì)聚到第一兩面錐棱鏡1上，會(huì)聚后的光束沿垂直 于第一屋脊棱邊11的棱線方向分成兩束，經(jīng)過第二兩面錐棱鏡2后進(jìn)一步分成四束，第二 透鏡前焦平面與第一透鏡后焦平面重合，CCD圖像探測器的探測面是待測畸變波前共軛面。 所述的第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐棱鏡2為傳統(tǒng)光學(xué)器件加工工藝制作的折射型兩面 錐棱鏡，第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐棱鏡2在光路中的作用等價(jià)，位置可以互換。所述 兩面錐棱鏡的兩個(gè)頂角接近180°。 第一兩面錐棱鏡1和第二兩面錐棱鏡2各自的底角《 =
權(quán)利要求
雙光楔拼接四棱錐波前傳感器，其特征在于由第一兩面錐棱鏡、第二兩面錐棱鏡、鏡架、兩個(gè)二維平移臺(tái)、第一透鏡和第二透鏡構(gòu)成，第一透鏡、組合的第一兩面錐棱鏡與第二兩面錐棱鏡及第二透鏡沿光線方向依序排列，其中第一兩面錐棱鏡和第二兩面錐棱鏡分別固定在兩個(gè)鏡架內(nèi)，鏡架用于調(diào)整第一兩面錐棱鏡和第二兩面錐屋脊棱的方向、屋脊面的傾斜和俯仰角度；裝有第一兩面錐棱鏡的鏡架和第二兩面錐棱鏡的鏡架固定在二維平移臺(tái)上，每一個(gè)二維平移臺(tái)用于調(diào)整第一兩面錐棱鏡和第二兩面錐棱鏡的前后和水平位置；第一兩面錐棱鏡具有第一屋脊棱邊，第二兩面錐棱鏡具有第二屋脊棱邊；第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊相互垂直放置，第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊拼接，第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊之間具有拼接交點(diǎn)，所述的拼接交點(diǎn)與第一透鏡的后焦點(diǎn)重合，使第一兩面錐棱鏡和第二兩面錐棱鏡具有與四棱錐相同的分光作用；入射畸變波前經(jīng)第一透鏡后會(huì)聚到第一兩面錐棱鏡上，會(huì)聚后的光束沿垂直于第一屋脊棱邊的棱線方向分成兩束，經(jīng)過第二兩面錐棱鏡后進(jìn)一步分成四束，由第二透鏡將4束光成像到CCD圖像探測器上，其中第二透鏡的前焦平面與第一透鏡后焦平面重合，CCD圖像探測器的探測面是待測畸變波前共軛面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光楔拼接四棱錐波前傳感器，其特征在于所述的第一兩 面錐棱鏡和第二兩面錐棱鏡為傳統(tǒng)光學(xué)器件加工工藝制作的折射型兩面錐棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光楔拼接四棱錐波前傳感器，其特征在于第一兩面錐棱MD鏡和第二兩面錐棱鏡各自的底角α^r，a <5°，其中，M為相鄰光瞳像中心間距2( - 1)/ι與光瞳像的比值為M > 2，D為入射光瞳的直徑，η為材料的折射率，為第一透鏡L1的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光楔拼接四棱錐波前傳感器，其特征在于第一兩面錐棱 鏡和第二兩面錐棱鏡各自的屋脊面和底面鍍?cè)鐾改?，透過率大于99. 9 %，面形RMS < A，棱邊平臺(tái)的寬度小于，λ為波長，為第一透鏡的焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光楔拼接四棱錐波前傳感器，其特征在于第一兩面錐棱 鏡和第二兩面錐棱鏡在光路中的作用等價(jià)，位置可以互換，第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊 的拼接交點(diǎn)不要求必須是棱邊的中心，第一屋脊棱邊與第二屋脊棱邊之間的間隔要求緊密 接觸。
全文摘要
本發(fā)明是雙光楔拼接四棱錐波前傳感器，由兩個(gè)兩面錐棱鏡、鏡架、兩個(gè)二維平移臺(tái)、第一透鏡和第二透鏡構(gòu)成，所述兩面錐棱鏡的屋脊棱邊相互垂直放置拼接而成。調(diào)節(jié)兩個(gè)兩面錐棱鏡使其接合點(diǎn)與第一透鏡的后焦點(diǎn)重合，入射畸變波前經(jīng)第一透鏡聚焦到兩面錐棱鏡上，被其分成四束光，后面的第二透鏡將其成像到CCD圖像探測器上，通過分析四個(gè)光瞳像之間的光強(qiáng)差獲取測量信號(hào)，經(jīng)過波前復(fù)原計(jì)算可以得到入射波前的相位分布。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)四棱錐波前傳感器的所有功能，其器件加工難度大大低于四棱錐器件的加工難度，易于操作，滿足四棱錐波前傳感器光學(xué)系統(tǒng)要求。
文檔編號(hào)G01J9/00GK101936779SQ20101025316
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者姜文漢, 王建新 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所