專利名稱：基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學波前傳感器，特別是一種基于微柱透鏡陣列的大動態(tài)測量范圍的哈特曼波前傳感器，屬于光學檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
哈特曼波前傳感器是一種有效的光學動態(tài)波前檢測儀器。它廣泛應(yīng)用人眼波前像差探測，高功率波前像差檢測和各種光束質(zhì)量綜合檢測，尤其是在人眼波前像差探測領(lǐng)域中，對自適應(yīng)光學檢眼鏡、個性化隱形眼鏡、個性化激光角膜手術(shù)都具有重要的指導意義。傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器通常選用微透鏡陣列實現(xiàn)波面分割。當入射光波為平行光時，所有子光束均聚焦在相應(yīng)微透鏡的光軸上；當入射光波存在波前畸變，他們在焦平面上形成的光斑便會偏離相對應(yīng)的光軸，產(chǎn)生一定的位移，通過判定光斑質(zhì)心與參考質(zhì)心的位置關(guān)系，獲取入射光波波前正交方向上的斜率信息后，可重構(gòu)待測入射光波波前分布情況。 傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器的動態(tài)測量范圍由微透鏡陣列的子透鏡的通光孔徑和焦距所決定，即微透鏡陣列的子孔徑將光電探測器的靶面分隔成相應(yīng)的子區(qū)域，當入射光波存在大像差時，有些聚焦光斑會超出其對應(yīng)子區(qū)域的范圍，進而無法進行正確的識別，對精確地重構(gòu)波前像差造成了影響。在實際的光學檢測中，哈特曼波前傳感器應(yīng)在保證高精度的測量前提下，盡可能地提高測量的動態(tài)范圍。目前，文獻“增大夏克哈特曼波前傳感器動態(tài)測量范圍的方法”，光學精密工程，2008，16 (7)，介紹了一種增大動態(tài)測量范圍的軟件處理方法一外推法，這種方法預先給定某個子孔徑對應(yīng)的焦斑，便能以此為起點外推得到所有子孔徑對應(yīng)的焦斑。文獻“增大夏克哈特曼波前傳感器動態(tài)范圍的算法研究”，光學學報，2011，31 (8)，提出了能夠有效增大傳感器動態(tài)范圍的數(shù)據(jù)處理方法光斑歸位法，這種方法使排列不規(guī)則的光斑回到各種原來的位置，重新排列成規(guī)則的光斑陣列，再找到其中某個光斑與微透鏡的對應(yīng)關(guān)系。這些方法的優(yōu)點在于不改變傳感器硬件的前提下有效地提高了動態(tài)測量范圍，但缺點在于復雜的算法影響了傳感器的運行速度，動態(tài)范圍提升的幅度有限，存在一定局限性的。中國專利號為ZL02123756. 5的專利，公開了一種測量精度和動態(tài)范圍可調(diào)的哈特曼波前傳感器，加入了測量子孔徑選通的控制元件，通過此元件控制波面分割取樣陣列的采樣周期，以達到調(diào)整傳感器測量動態(tài)范圍的目的。該專利的缺點是結(jié)構(gòu)過于復雜，在提高傳感器測量動態(tài)范圍的同時降低了測量精度。又有文獻Measurement and compensationof optical aberrations using a single spatial light modulator. (OPTICS EXPRESS.Vol. 15, No. 23,作者Justo Arines)提出在分波前子孔徑之前加入一個液晶空間光調(diào)制器以實現(xiàn)可移動掩膜功能，從而提高哈特曼傳感器的動態(tài)范圍，但是仍存在測量精度下降的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，兼顧高精度與大動態(tài)測量范圍的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器。本發(fā)明提供的基于微柱透鏡陣列的大動態(tài)測量范圍的哈特曼波前傳感器，包括光學匹配系統(tǒng)(I)、第一微柱透鏡陣列(3)和第二微柱透鏡陣列(5)、分光鏡(2)、第一光電探測器(4)和第二光電探測器￠);光學匹配系統(tǒng)(I)之后添加一個分光鏡(2)，在分光鏡(2)的透射端放置第一微柱透鏡陣列(3)和第一光電探測器(4)，在分光鏡(2)的反射端放置第二微柱透鏡陣列(5)和第二光電探測器￠);所述的光學匹配系統(tǒng)(I)對入射光波進行擴束，使入射光波的尺寸匹配微柱透鏡陣列的通光孔徑；所述的微柱透鏡陣列實現(xiàn)波前孔徑分割；所述的分光鏡(2)將入射光波分為兩束，一束經(jīng)過第一微柱透鏡陣列(3)后形成聚焦線斑陣列，聚焦線斑陣列被位于第一微柱透鏡(3)焦平面處的第一光電探測器(4)采集；另一束經(jīng)過第二微柱透鏡陣列(5)后形成聚焦線斑陣列，聚焦線斑陣列被位于第二微柱透鏡
(5)焦平面處的第二光電探測器(6)采集。將第一光電探測器(4)采集的圖像與第二光電探測器(6)采集的圖像進行正交融合疊加，形成連續(xù)的網(wǎng)格狀聚焦線斑。通過追跡連續(xù)的 線斑來精確判定光斑質(zhì)心與參考質(zhì)心的位置關(guān)系，獲取入射光波波前正交方向上的斜率信息后，可重構(gòu)待測入射光波波前分布情況。上述技術(shù)方案中，所述的光學匹配系統(tǒng)放置于分光鏡的前端，分光鏡將擴束后的入射光波分為兩束，其中透射光到第一微柱透鏡陣列的光程與反射光到第二微柱透鏡陣列的光程相等。所述的第一微柱透鏡陣列和第二微柱透鏡陣列分別對透射光束和反射光束實現(xiàn)波前孔徑分割。所述的第二微柱透鏡陣列和第一微柱透鏡陣列的通光口徑、子透鏡的大小、曲率半徑、厚度、材料和數(shù)量完全相同，但與第一微柱透鏡陣列放置位置相互垂直。所述的第二微柱透鏡陣列和第一微柱透鏡陣列通光孔徑內(nèi)的子透鏡數(shù)量決定哈曼特波前傳感器的精度。所述的微柱透鏡陣列通光孔徑內(nèi)的子透鏡數(shù)量行列數(shù)均大于10。所述的第一光電探測器和第二光電探測器采用CCD探測器、CMOS探測器，或者是四象限傳感器陣列。上述技術(shù)方案中，所述的分光鏡米用平面分光鏡，或者是分光棱鏡。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明所公開的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，采用了微柱透鏡陣列實現(xiàn)波前孔徑分割，以獲得連續(xù)的網(wǎng)格狀聚焦線斑。在測量大像差時，即使光斑質(zhì)心偏移較大，超出了其對應(yīng)子區(qū)域的范圍，可通過追跡連續(xù)的線斑來精確判定光斑質(zhì)心與參考質(zhì)心的位置關(guān)系，因此克服了傳統(tǒng)哈曼特波前傳感器動態(tài)范圍小，無法精確測量大像差光波的缺陷，在保證高精度的前提下顯著提高了測量的動態(tài)范圍。


圖I是本發(fā)明基于微透鏡陣列的哈曼特波前傳感器實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明微柱透鏡陣列的子透鏡陣列4X1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明微柱透鏡陣列對待測光波實現(xiàn)波前孔徑分割，并在光電探測器上獲得連續(xù)聚焦線斑陣列的工作示意圖。
圖4是本發(fā)明電探測器接收到的連續(xù)聚焦線斑陣列的示意圖，其中(a)是第一光電探測器接收到的線斑陣列示意圖，(b)是第二光電探測器接收到的線斑陣列示意圖。圖5是本發(fā)明第一光電探測器采集的圖像與第二光電探測器采集的圖像進行正交融合疊加，形成連續(xù)的網(wǎng)格狀聚焦線斑示意圖。圖中，I—光學匹配系統(tǒng),2—分光鏡,3—第一微柱透鏡陣列,4一第一光電探測器，5一第二微柱透鏡陣列,6—第二光電探測器。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護范圍的任務(wù)限定。如圖I所示，本發(fā)明基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，包括光學匹配系統(tǒng)I及其后面的分光鏡2,分光鏡2的透射端放置著第一微柱透鏡陣列3,第一光電探測器4放 置在第一微柱透鏡陣列3的焦平面上；分光鏡2的反射端放置著第二微柱透鏡陣列5，第二光電探測器6放置在第二微柱透鏡陣列5的焦平面上。本實例中，光學匹配系統(tǒng)I采用放大倍數(shù)為3的望遠鏡系統(tǒng)，分光鏡2采用透反比為5:5的平面分光鏡；為了減小微柱透鏡陣列引入的外界像差，對入射光波造成額外波前畸變的影響，第一微柱透鏡陣列3和第二微柱透鏡陣列5的子透鏡均采用焦距為IOmm的消像差透鏡。所述的第一微柱透鏡陣列3和第二微柱透鏡陣列5實現(xiàn)波前孔徑分割；在對入射光波的波前像差進行綜合測量時，待測光波經(jīng)過光學匹配系統(tǒng)2實現(xiàn)擴束，然后被分光鏡分為兩束，其中一束入射到第一微柱透鏡陣列3上并通過其成像，整個光束被孔徑分割并在第一微柱透鏡陣列3焦平面處的第一光電探測器4的靶面上形成連續(xù)的聚焦線斑陣列；另一束光則入射到第二微柱透鏡陣列5上并通過其成像，整個光束被孔徑分割并在第二微柱透鏡陣列5焦平面處的第二光電探測器6的靶面上形成連續(xù)的聚焦線斑陣列。如圖2所示，微柱透鏡陣列的子透鏡4X1陣列的結(jié)構(gòu)示意圖，其中子透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)如表一所示。表一，微柱透鏡陣列的子透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位毫米mm)
Γ
厚度
材料塑料PMMA如圖3所示，微柱透鏡陣列對待測光波實現(xiàn)波前孔徑分割，形成連續(xù)的聚焦線斑陣列。微柱透鏡陣列將待測光波進行波前分割，再由每一個子透鏡對分割后的子光波進行成像，由柱透鏡線狀成像的特性可知，獲得的是線狀焦斑。如圖4所示，將圖4的(a)和(b)中光電探測器獲取的線斑陣列進行比較可知，第一微柱透鏡陣列和第二微柱透鏡陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，但放置位置相互垂直。如圖5所示，首先參照微柱透鏡陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)對光電探測器的像素進行劃分，以確定參考質(zhì)心坐標(Xtl, I)。將第一光電探測器獲取的圖像與第二光電探測器獲得的圖像進行正交融合疊加，計算光斑交點的質(zhì)心坐標(Xi, Yi)與參考質(zhì)心坐標(Xtl, Ytl)在X和Y方向上的偏移量(AXi, AYi),再通過下列公式計算光波波前斜率信息，便可重構(gòu)待測光波波前分布情況
權(quán)利要求
1.一種基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，包括光學匹配系統(tǒng)(I)、第一微柱透鏡陣列(3)和第二微柱透鏡陣列(5)、分光鏡(2)、第一光電探測器(4)和第二光電探測器(6);其特征在于光學匹配系統(tǒng)(I)之后添加一個分光鏡(2),在分光鏡(2)的透射端放置第一微柱透鏡陣列(3)和第一光電探測器(4),在分光鏡(2)的反射端放置第二微柱透鏡陣列(5)和第二光電探測器￠);所述的光學匹配系統(tǒng)(I)對入射光波進行擴束，使入射光波的尺寸匹配微柱透鏡陣列的通光孔徑；所述的微柱透鏡陣列實現(xiàn)波前孔徑分割；所述的分光鏡(2)將入射光波分為兩束，一束經(jīng)過第一微柱透鏡陣列(3)后形成聚焦線斑陣列，聚焦線斑陣列被位于第一微柱透鏡(3)焦平面處的第一光電探測器(4)采集；另一束經(jīng)過第二微柱透鏡陣列(5)后形成聚焦線斑陣列，聚焦線斑陣列被位于第二微柱透鏡(5)焦平面處的第二光電探測器(6)采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的光學匹配系統(tǒng)(I)放置于分光鏡(2)的前端,分光鏡(2)將擴束后的入射光波分為兩束,其中透射光到第一微柱透鏡陣列的光程與反射光到第二微柱透鏡陣列的光程相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的第二微柱透鏡陣列(5)和第一微柱透鏡陣列(3)的通光口徑、子透鏡的大小、曲率半徑、厚度、材料和數(shù)量完全相同，但與第一微柱透鏡陣列(3)放置位置相互垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的第二微柱透鏡陣列(5)和第一微柱透鏡陣列(3)通光孔徑內(nèi)的子透鏡數(shù)量決定哈特曼波前 傳感器的精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于微柱透鏡陣列通光孔徑內(nèi)的子透鏡數(shù)量行列數(shù)均大于10。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的第一光電探測器⑷和第二光電探測器(6)采用CCD探測器、CMOS探測器，或者是四象限傳感器陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光鏡(2)米用平面分光鏡,或者是分光棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微柱透鏡陣列的哈特曼波前傳感器。該傳感器包括光學匹配系統(tǒng)，第一微柱透鏡陣列，第二微柱透鏡陣列；還包括分光鏡，第一光電探測器和第二光電探測器；光學匹配系統(tǒng)用于將入射光波擴束，使入射光波的尺寸匹配微柱透鏡陣列的通光口徑；第一和第二微柱透鏡陣列將入射光波分割成多束子光波，并分別聚焦到位于其焦平面的光電探測器靶面上。將第一光電探測器采集的圖像與第二光電探測器采集的圖像進行正交融合疊加，形成連續(xù)的網(wǎng)格狀聚焦線斑。本發(fā)明在保證測量精度的前提下克服了傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器的測量動態(tài)范圍小的缺點，可廣泛應(yīng)用于大像差波前的探測。
文檔編號G01J9/00GK102914373SQ20121047279
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者楊曉蘋, 史光遠, 馬華 申請人:天津理工大學