專利名稱：具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量波前形狀的精密儀器-哈特曼波前傳感器及其檢測方法，特別是一種能簡單、快捷、精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直光束或被測光束進(jìn)入測量視場的哈特曼波前傳感器。
背景技術(shù)：
哈特曼波前傳感器是是一種能夠檢測波面形狀的儀器，它在光學(xué)鏡面檢測、醫(yī)療儀器和天體目標(biāo)成像中得到了廣泛的應(yīng)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(tǒng)、光束匹配系統(tǒng)、微透鏡陣列、光電探測器(通常為CCD)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。哈特曼波前傳感器在使用之前，被測波面都須被調(diào)整到微透鏡陣列的測量視場以內(nèi)；以往都是通過觀察子孔徑內(nèi)的光斑位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。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，被測物體改變很小的角度，子孔徑內(nèi)的光斑就會發(fā)生大的偏移，所以很難把入射波面調(diào)進(jìn)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，過多的精力花在了對準(zhǔn)上；并易造成被測光束和系統(tǒng)光軸偏離，從而導(dǎo)致波面的測量誤差變大。

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，提供了一種具有主動式對準(zhǔn)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(zhǔn)和精對準(zhǔn)部分可以方便、精準(zhǔn)地對準(zhǔn)被測件和系統(tǒng)的光軸，從而減小測量誤差，提高了哈特曼系統(tǒng)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(jìn)行正透鏡，負(fù)透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡等的檢測，檢測誤差小。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器，包括測量光源系統(tǒng)、光束匹配系統(tǒng)、分光鏡、微透鏡陣列、光電探測器，其特征在于還包括粗對準(zhǔn)部分和精對準(zhǔn)部分，粗對準(zhǔn)部分包括對準(zhǔn)光源系統(tǒng)、帶孔的成像屏、移動反射鏡和粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)，其中成像屏位于光束匹配系統(tǒng)中前透鏡組的焦平面上，屏上的孔位于焦點上，對準(zhǔn)光源系統(tǒng)放置在成像屏中心孔的后面，移動反射鏡位于光束匹配系統(tǒng)中前透鏡組和成像屏之間，起改變光線傳輸方向的作用，粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)能觀察到整個成像屏，工作時由測量光源系統(tǒng)發(fā)出的光由成像屏的孔出射，經(jīng)過移動反射鏡、光束匹配系統(tǒng)中前透鏡組后經(jīng)被測件后返回，重新聚焦到成像屏上，通過觀察由粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)得到的小孔和聚焦光斑的相對位置，調(diào)節(jié)被測件的位置使小孔和聚焦光斑重合，經(jīng)過粗對準(zhǔn)以后，保證了光束能夠進(jìn)入精對準(zhǔn)的范圍內(nèi)；精對準(zhǔn)部分包括精對準(zhǔn)分光鏡、聚焦透鏡和精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)，精對準(zhǔn)分光鏡位于聚焦透鏡之前，聚焦透鏡位于精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)之前，測量光源系統(tǒng)發(fā)出的光先后經(jīng)過粗對準(zhǔn)分光鏡、分光鏡后，由光束匹配系統(tǒng)的前鏡組出射，經(jīng)被測件后返回，先后經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)的前鏡組、光束匹配系統(tǒng)的后鏡組、分光鏡、精對準(zhǔn)分光鏡后，再經(jīng)聚焦透鏡成像于精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)上，通過質(zhì)心計算公式得到聚焦光斑的位置，調(diào)節(jié)被測件使光斑質(zhì)心與事先標(biāo)定點即系統(tǒng)光軸的位置重合，至此精對準(zhǔn)過程完成，經(jīng)過精對準(zhǔn)后，光束已經(jīng)進(jìn)入到微透鏡陣列的測量視場以內(nèi)，并可進(jìn)行直接測量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果本發(fā)明能快捷地調(diào)整被測件的位置，讓被測光束或自準(zhǔn)直光束進(jìn)入微透鏡陣列的測量視場內(nèi)；并且被測件的調(diào)節(jié)方向，都是通過比較聚焦光斑和參照點之間的相對關(guān)系得來的，具有直觀、簡單、精準(zhǔn)的特性，對使用人員的要求降低；在粗對準(zhǔn)過程中，若激光光源系統(tǒng)產(chǎn)生的是小口徑的平行光，本發(fā)明還能簡便的對準(zhǔn)被測件和哈特曼系統(tǒng)的光軸，經(jīng)過粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)后，避免了子孔徑內(nèi)的光斑發(fā)生整體偏移的情況，從而提高了測量精度；同時利用本發(fā)明的檢測方法可以方便地進(jìn)行正透鏡，負(fù)透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡等的檢測，檢測誤差小；本發(fā)明中對所用的元件的規(guī)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(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器進(jìn)行粗對準(zhǔn)時的工作示意圖；圖4為本發(fā)明具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器進(jìn)行精對準(zhǔn)時的工作示意圖；圖5為本發(fā)明具有主動式對準(zhǔn)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(fā)明具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器測量負(fù)透鏡面形的工作原理圖；圖7為本發(fā)明具有主動式對準(zhǔn)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(fā)明具有主動式對準(zhǔn)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(fā)明具有主動式對準(zhǔn)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(fā)明具有精對準(zhǔn)和粗對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器測量激光光束質(zhì)量的工作原理圖。
圖中1.光束匹配系統(tǒng)的前鏡組(簡稱前鏡組)，2.光束匹配系統(tǒng)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(tǒng)，7.標(biāo)準(zhǔn)平面鏡，8.平面鏡，10.凸面鏡，11.凹面鏡，12.正透鏡，13.負(fù)透鏡，14.標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，15.附加透鏡，16.激光器，17.光束匹配系統(tǒng)(前鏡組1和后鏡組2的合稱)，C1.粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)，C2.移動反射鏡，C3.帶有中心孔的成像屏，C4.對準(zhǔn)光源系統(tǒng)，J1.精對準(zhǔn)分光鏡，J2.聚焦透鏡，J3.粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)。
具體實施例方式
哈特曼波前傳感器在工作時，需要首先標(biāo)定系統(tǒng)本身的誤差。
如圖1所示，在標(biāo)定系統(tǒng)誤差時，由測量光源系統(tǒng)6發(fā)射的光束首經(jīng)過分光鏡3，再經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)后，最終從系統(tǒng)中出射。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7反射后返回系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)、分光鏡3，微透鏡陣列4后，成像于光電探測器5上，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)平面鏡7可調(diào)節(jié)的范圍較小，調(diào)節(jié)難度很大。采用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7標(biāo)定之后，再將被測件放置在系統(tǒng)中進(jìn)行檢測。
如圖2所示，本發(fā)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(zhǔn)的部分和用于精對準(zhǔn)的部分。粗對準(zhǔn)部分由粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C1、移動反射鏡C2、帶孔的成像屏C3和對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4組成，精對準(zhǔn)部分由精對準(zhǔn)分光鏡J1、聚焦透鏡J2、精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3，其中成像屏C3位于前鏡組1的焦平面上，對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4位于成像屏C3中心孔的后面；移動反射鏡C2位于前透鏡組1和成像屏C3之間，移動反射鏡C2能夠旋轉(zhuǎn)或平移到前鏡組1的一倍焦距之內(nèi)，起改變光線傳輸方向的作用，圖中的虛線便是粗對準(zhǔn)時移動反射鏡C2的位置，粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C1能對整個成像屏C3成像；精對準(zhǔn)部分由精對準(zhǔn)分光鏡J1、聚焦透鏡J2和精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3組成，分光鏡J1位于聚焦透鏡J2之前，聚焦透鏡J2位于精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3之前，精對準(zhǔn)時移動反射鏡C2移動到測量光路之外，即圖中實線的位置，這樣入射光就會穿過后鏡組2、分光鏡3、粗對準(zhǔn)分光鏡J1后，經(jīng)聚焦透鏡J2后匯聚到精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3上。本發(fā)明中的粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C3和精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3由光電探測器，及圖像采集和顯示系統(tǒng)組成。
如圖3所示，粗對準(zhǔn)時，移動反射鏡C2移動到前鏡組1的一倍焦距以內(nèi)，如圖中虛線所示，對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4發(fā)出的光束經(jīng)過成像屏C3上的小孔后，經(jīng)移動反射鏡C2改變方向后射出系統(tǒng)，再經(jīng)被測件(其中被測件，包括被測件包括了正透鏡，負(fù)透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡)后折回系統(tǒng)內(nèi)，重新聚焦到成像屏C3上，粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C1能觀察到整個成像屏C3，并將結(jié)果顯示在監(jiān)視器上，通過觀察聚焦光斑和成像屏C3中心小孔的相對位置，調(diào)整被測件的位置使二者重合。粗對準(zhǔn)完成以后，被測光束，包括自準(zhǔn)直光束或測量光束就能進(jìn)入精對準(zhǔn)的范圍之內(nèi)。
如圖4所示，在精對準(zhǔn)時，圖2中的移動反射鏡C2移動到測量光路之外，即實線位置，測量光源系統(tǒng)6發(fā)出的光先后經(jīng)過粗對準(zhǔn)分光鏡J1、分光鏡3后，由前鏡組1出射，經(jīng)被測件后返回，先后經(jīng)過前鏡組1、后鏡組2、分光鏡3、精對準(zhǔn)分光鏡J1后，再經(jīng)聚焦透鏡J2成像于精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3上，通過計算入射光斑的質(zhì)心位置，比較入射光斑的質(zhì)心和事先標(biāo)定點之間的相對位置關(guān)系，調(diào)整被測件位置直至兩點重合，此時已能保證光束，自準(zhǔn)直光束或測量光束進(jìn)入微透鏡陣列4的測量視場內(nèi)，并且與系統(tǒng)嚴(yán)格同光軸。
利用本發(fā)明可以對被測件，包括正透鏡、負(fù)透鏡、凸鏡、凹鏡、平面鏡進(jìn)行面形檢測，而且還可以對激光光束質(zhì)量進(jìn)行檢測，其檢測方法結(jié)合圖5-圖10進(jìn)行敘述。
如圖5所示，光束匹配系統(tǒng)17包括前鏡組1和后鏡組2兩部分；在利用本發(fā)明對正透鏡進(jìn)行面形檢測時，進(jìn)行以下四個步驟的調(diào)節(jié)(1)把標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7放置在哈特曼波前傳感器系統(tǒng)的前面，即圖中的虛線位置，由粗對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4發(fā)出的光被標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7反射，根據(jù)對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C1觀察到的反射聚焦光斑和成像屏上C3上小孔的相對位置，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的傾斜，使二者重合，此時標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的粗調(diào)完成；移動反射鏡C2移動到測量光路之外，測量光源系統(tǒng)6開始工作，進(jìn)一步調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的傾斜，使精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合，此時對標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的調(diào)節(jié)完成；記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器5上的位置，作為標(biāo)定點。
(2)把正透鏡12放置在標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7和哈特曼波前傳感器系統(tǒng)之間，運用粗對準(zhǔn)部分調(diào)節(jié)正透鏡和系統(tǒng)同光軸，對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4發(fā)出的小口徑平行光(細(xì)光束)穿過正透鏡12后被標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7反射回哈特曼波前傳感器系統(tǒng)，聚焦于成像屏C3上；根據(jù)由粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C1觀看到的聚焦光斑和中心小孔的相對位置，調(diào)節(jié)正透鏡12的位置，使二者重合。
(3)撤掉標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7，換上標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14，按步驟(2)中所述調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14和系統(tǒng)同軸，并根據(jù)聚焦光斑的大小調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14和正透鏡12同焦點。
(4)哈特曼波前傳感器系統(tǒng)處于圖4所示的精對準(zhǔn)狀態(tài)，測量光源系統(tǒng)6發(fā)出的光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14反射后，聚焦到探測器J3上，通過比較光斑和事先標(biāo)定點的位置關(guān)系，進(jìn)一步調(diào)節(jié)正透鏡12和標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14各自的位置和相對關(guān)系，使光斑和標(biāo)定點重合。此時被測光束和系統(tǒng)嚴(yán)格地同光軸，并且已經(jīng)進(jìn)入微透鏡陣列4的測量視場以內(nèi)。完成以上調(diào)節(jié)后，記錄下此時光電探測器5上的光斑位置，聯(lián)合步驟(1)中標(biāo)定點的位置來復(fù)原波面。
如圖6所示，光束匹配系統(tǒng)17包括前鏡組1和后鏡組2兩部分；在對負(fù)透鏡進(jìn)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(fù)透鏡13。
如圖7所示，光束匹配系統(tǒng)17包括前鏡組1和后鏡組2兩部分；在對凸面鏡進(jìn)行面形檢測時，須在哈特曼波前傳感器系統(tǒng)的外面增加一個附加透鏡15，由哈特曼波前傳感器系統(tǒng)的出射的平行光束經(jīng)附加透鏡15后會變成匯聚光束或發(fā)散光束，這樣就需要首先調(diào)節(jié)附加透鏡15和系統(tǒng)同光軸。按照圖5中步驟(2)所述的方法，運用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7和粗對準(zhǔn)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后把標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14放入檢測光路中，根據(jù)圖5步驟(3)、(4)所述，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14和附加透鏡15、系統(tǒng)同光軸，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定點。然后用被測凸面鏡10替代標(biāo)準(zhǔn)球面鏡14，同樣按照圖5步驟(3)、(4)所述進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓凸面鏡10和附加透鏡15同焦點，和系統(tǒng)同光軸。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(biāo)定點來復(fù)原波面。
如圖8所示，光束匹配系統(tǒng)17包括前鏡組1和后鏡組2兩部分；在對凹面鏡進(jìn)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，光束匹配系統(tǒng)17包括前鏡組1和后鏡組2兩部分；在利用本發(fā)明對標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7進(jìn)行面形檢測時，需要以下兩個步驟(1)首先把標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7放置在哈特曼系統(tǒng)的前面，由粗對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4發(fā)出的光被標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7反射，根據(jù)對準(zhǔn)探測系統(tǒng)C1觀察到的反射聚焦光斑和成像屏上C3上小孔的相對位置，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的傾斜，使二者重合，此時標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的粗調(diào)完成；移動反射鏡C2移動到測量光路之外，測量光源系統(tǒng)6開始工作，進(jìn)一步調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的傾斜，使精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合，此時對標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7的調(diào)節(jié)完成；記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器5上的位置，作為標(biāo)定點；(2)把平面鏡8放置在標(biāo)準(zhǔn)平面鏡7和哈特曼系統(tǒng)之間，同樣按照步驟1所述，通過精調(diào)和粗調(diào)兩個步驟，根據(jù)聚焦光斑和小孔以及事先標(biāo)定點之間的位置關(guān)系對平面鏡8進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)J3上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合；記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器5上的位置，聯(lián)合標(biāo)定點便可以重構(gòu)出波面。
如圖10所示，光束匹配系統(tǒng)17包括前鏡組1和后鏡組2兩部分；在對激光光束質(zhì)量進(jìn)行檢測時，首先利用圖5步驟(1)所述得到各個子孔徑內(nèi)的光斑位置作為標(biāo)定點；然后再利用粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)兩個步驟，調(diào)節(jié)激光器16的位置，讓激光光束和系統(tǒng)同光軸，記錄下各個子孔徑內(nèi)光斑為止，聯(lián)合標(biāo)定點便可以復(fù)原波面。在精對準(zhǔn)的過程中，測量光源系統(tǒng)6和對準(zhǔn)光源系統(tǒng)C4都不再工作。
按圖5～10所述完成對準(zhǔn)測量后，通過以下步驟來復(fù)原波面。首先采用離散質(zhì)心算法，由式(1)計算光斑位置(x1，y1)，xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm]]>yi=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(yīng)的像素區(qū)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(biāo)和y坐標(biāo)。
利用在標(biāo)定時刻和測量時刻得到的子孔徑內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)平面波標(biāo)定時，每個子孔徑上獲得的光斑中心基準(zhǔn)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(qū)域法來復(fù)原波前。
權(quán)利要求
1.具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器，包括測量光源系統(tǒng)(6)、光束匹配系統(tǒng)、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(zhǔn)部分和精對準(zhǔn)部分，粗對準(zhǔn)部分包括對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)、帶孔的成像屏(C3)、移動反射鏡(C2)和粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(C1)，其中成像屏(C3)位于光束匹配系統(tǒng)的前透鏡組(1)的焦平面上，屏上的中心孔位于焦點上，對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)放置在成像屏(C3)中心孔的后面，移動反射鏡(C2)位于光束匹配系統(tǒng)的前透鏡組(1)和成像屏(C3)之間，起改變光線傳輸方向的作用，粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)能觀察到整個成像屏，工作時由測量光源系統(tǒng)(6)發(fā)出的光由成像屏(C3)的孔出射，經(jīng)過移動反射鏡(C2)、光束匹配系統(tǒng)的前透鏡組(1)后經(jīng)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(zhǔn)探測系統(tǒng)(C1)得到的小孔和聚焦光斑的相對位置，調(diào)節(jié)被測件的位置使小孔和聚焦光斑重合，經(jīng)過粗對準(zhǔn)以后，保證了光束能夠進(jìn)入精對準(zhǔn)的范圍內(nèi)；精對準(zhǔn)部分包括精對準(zhǔn)分光鏡(J1)、聚焦透鏡(J2)和精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)，精對準(zhǔn)分光鏡(J1)位于聚焦透鏡(J2)之前，聚焦透鏡(J2)位于精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)之前，測量光源系統(tǒng)(6)發(fā)出的光先后經(jīng)過粗對準(zhǔn)分光鏡(J1)、分光鏡(3)后，由光束匹配系統(tǒng)的前鏡組(1)出射，經(jīng)被測件后返回，先后經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)的前鏡組(1)、光束匹配系統(tǒng)的后鏡組(2)、分光鏡(3)、精對準(zhǔn)分光鏡(J1)后，再經(jīng)聚焦透鏡(J2)成像于精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)上，通過質(zhì)心計算公式得到聚焦光斑的位置，調(diào)節(jié)被測件使光斑質(zhì)心與事先標(biāo)定點即系統(tǒng)光軸的位置重合，至此精對準(zhǔn)過程完成，經(jīng)過精對準(zhǔn)后，光束已經(jīng)進(jìn)入到微透鏡陣列(4)的測量視場以內(nèi)，并可進(jìn)行直接測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)發(fā)出的光為小口徑的平行光束，或點光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)和測量光源系統(tǒng)(6)發(fā)出的光可以是同波長的光，也可以為不同波長的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器，其特征在于在粗對準(zhǔn)的過程中，移動反射鏡(C2)擺動到光束匹配系統(tǒng)(2)中前鏡組的一倍焦距以內(nèi)，以改變測量光束的傳輸方向，它的運動方式既可以是轉(zhuǎn)動，也可以是平移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)和精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)由光電探測器，及圖像采集和顯示系統(tǒng)組成。
6.采用權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器對正透鏡或負(fù)透鏡進(jìn)行面形檢測的檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1)把標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)放置在權(quán)利要求1所述的哈特曼系統(tǒng)的前面，由粗對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)發(fā)出的光被標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)反射，根據(jù)對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(C1)觀察到的反射聚焦光斑和成像屏上(C3)上小孔的相對位置，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的傾斜，使二者重合，此時標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的粗調(diào)完成；移動反射鏡(C2)移動到測量光路之外，測量光源系統(tǒng)(6)開始工作，進(jìn)一步調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的傾斜，使精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合，此時對標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的調(diào)節(jié)完成，記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器(5)上的位置，作為標(biāo)定點；(2)把正透鏡(12)或負(fù)透鏡(13)放置在標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)和該哈特曼傳感器之間，運用粗對準(zhǔn)部分調(diào)節(jié)正透鏡(12)或負(fù)透鏡(13)和系統(tǒng)同光軸，首先對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)發(fā)出的小口徑平行光，即細(xì)光束穿過正透鏡(12)或負(fù)透鏡(13)后被標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)反射回哈特曼傳感器，聚焦于成像屏(C3)上；根據(jù)由粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(C1)觀看到的聚焦光斑和中心小孔的相對位置，調(diào)節(jié)正透鏡(12)或負(fù)透鏡(13)的位置，使聚焦光斑和中心小孔重合；(3)去掉標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)，換上標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)，按步驟(2)中所述調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)和系統(tǒng)同軸，并根據(jù)聚焦光斑的大小調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)與正透鏡(12)或負(fù)透鏡(13)同焦點；(4)使哈特曼傳感器處于精對準(zhǔn)狀態(tài)，測量光源系統(tǒng)(6)發(fā)出的光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)反射后，聚焦到粗對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)上，通過比較光斑和事先標(biāo)定點的位置關(guān)系，進(jìn)一步調(diào)節(jié)正透鏡(12)或負(fù)透鏡(13)和標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)各自的位置和相對關(guān)系，使光斑和標(biāo)定點重合，此時被測光束和系統(tǒng)嚴(yán)格地同光軸，并且已經(jīng)進(jìn)入微透鏡陣列(4)的測量視場以內(nèi)，完成以上調(diào)節(jié)后，記錄下此時光電探測器(5)上的光斑位置，聯(lián)合步驟(1)中標(biāo)定點的位置來復(fù)原波面。
7.采用權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器對凸面鏡或凹面鏡進(jìn)行面形檢測的檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1)在對凸面鏡進(jìn)行面形檢測時，在權(quán)利要求1所述的哈特曼波前傳感器的外面增加一個附加透鏡(15)，由該哈特曼波前傳感器出射的平行光束經(jīng)附加透鏡(15)后會變成匯聚光束或發(fā)散光束，這樣就需要首先調(diào)節(jié)附加透鏡(15)和系統(tǒng)同光軸；(2)把凸面鏡(10)或凹面鏡(11)放置在標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)和哈特曼波前傳感器之間，運用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)和粗對準(zhǔn)部分進(jìn)行調(diào)節(jié)；然后把標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)放入檢測光路中，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)和附加透鏡(15)、系統(tǒng)同光軸，使標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定點；再利用被測凸面鏡(10)凹面鏡(11)替代標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(14)，讓凸面鏡(10)和附加透鏡(15)同焦點，和系統(tǒng)同光軸；完成以后，運用光電探測器(5)測得的光斑位置和標(biāo)定點來復(fù)原波面。
8.采用權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器對平面鏡進(jìn)行面形檢測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)把標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)放置在權(quán)利要求1所述的哈特曼系統(tǒng)的前面，由粗對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)發(fā)出的光被標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)反射，根據(jù)對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(C1)觀察到的反射聚焦光斑和成像屏上(C3)上小孔的相對位置，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的傾斜，使二者重合，此時標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的粗調(diào)完成；移動反射鏡(C2)移動到測量光路之外，測量光源系統(tǒng)(6)開始工作，進(jìn)一步調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的傾斜，使精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合，此時對標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的調(diào)節(jié)完成；記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器(5)上的位置，作為標(biāo)定點；(2)把平面鏡(8)放置在標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)和哈特曼系統(tǒng)之間，同樣按照步驟(1)所述，通過精調(diào)和粗調(diào)兩個步驟，根據(jù)聚焦光斑和小孔以及事先標(biāo)定點之間的位置關(guān)系對平面鏡(8)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合；記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器(5)上的位置，聯(lián)合標(biāo)定點便可以重構(gòu)出波面。
9.采用權(quán)利要求1所述的具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器對激光光束質(zhì)量進(jìn)行檢測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)把標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)放置在權(quán)利要求1所述的哈特曼系統(tǒng)的前面，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(7)的位置，記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器(5)上的位置，作為標(biāo)定點；(2)利用粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)兩個步驟，調(diào)節(jié)激光器(16)的位置，讓激光光束和系統(tǒng)同光軸，最終讓精對準(zhǔn)探測系統(tǒng)(J3)上的聚焦光斑和事先標(biāo)定點重合；記錄下各子孔徑內(nèi)的光斑在光電探測器(5)上的位置，聯(lián)合標(biāo)定點便可以重構(gòu)出波面；但對準(zhǔn)的過程中，測量光源系統(tǒng)(6)和對準(zhǔn)光源系統(tǒng)(C4)都不再工作。
全文摘要
具有主動式對準(zhǔn)功能的哈特曼波前傳感器及其檢測方法，在原有系統(tǒng)中添加了粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)兩部分，其中粗對準(zhǔn)部分包括對準(zhǔn)光源系統(tǒng)、帶孔的成像屏、移動反射鏡、探測系統(tǒng)；精對準(zhǔn)部分包括聚焦透鏡、分光鏡、探測系統(tǒng)。對準(zhǔn)光源系統(tǒng)，經(jīng)過粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)兩個步驟后，能快捷方便地對準(zhǔn)被測件和哈特曼系統(tǒng)的光軸，并讓入射光束進(jìn)入透鏡陣列的測量視場內(nèi)，從而提高了哈特曼系統(tǒng)的測量精度；同時利用該哈特曼波前傳感器可以方便地進(jìn)行正透鏡，負(fù)透鏡，凸鏡，凹鏡，平面鏡等的檢測。本發(fā)明能把調(diào)整的結(jié)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(diào)節(jié)時間；并且該發(fā)明中所用的器件規(guī)格要求低，價格低廉，容易購買。
文檔編號G01M99/00GK1971232SQ200610165078
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者李華強, 饒學(xué)軍, 姜文漢, 鮮浩, 楊澤平, 饒長輝 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所