專利名稱：大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于夏克哈特曼傳感器的大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從激光器出射的光束往往具有一定的發(fā)散角。為了利用聚焦鏡以獲得高功率密度的光斑，在投影系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)中，采用擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)減小激光束的發(fā)散角，提高其平行度。實際使用時，由于誤差傳播等的影響，平行光束波前質(zhì)量將會變化。為了保證高功率密度的光斑，必須對準(zhǔn)直系統(tǒng)平行光束波前質(zhì)量進(jìn)行檢測。目前，檢驗平行光束波前質(zhì)量的方法有很多種，大致分為自準(zhǔn)直法、剪切干涉法、 塔爾伯特自成像法以及夏克哈特曼法。夏克哈特曼法采用夏克哈特曼傳感器檢驗平行光束波前質(zhì)量。夏克哈特曼傳感器是一種抗干擾性強、結(jié)構(gòu)簡單的波前傳感器。如圖1所示，其由微透鏡陣列和光電探測器組成，光電探測器位于微透鏡陣列的焦面上。光電探測器一般采用CCD ；微透鏡陣列由若干個等焦距的小凸透鏡排列而成，微透鏡陣列將待探測波前劃分為若干個小單元區(qū)域，每一個小透鏡也稱為子孔徑，尺寸為dX d，對其接收的波前聚焦成像，每個子孔徑對應(yīng)光電探測器上某一區(qū)域的像素，該區(qū)域稱為一個探測區(qū)域。光源照亮待測準(zhǔn)直系統(tǒng)，待測準(zhǔn)直系統(tǒng)產(chǎn)生的波前投射到夏克哈特曼傳感器上，夏克哈特曼傳感器利用其微透鏡陣列對待測波前分割采樣并聚焦到光電探測器上，每個探測區(qū)域上形成光斑，然后通過數(shù)據(jù)處理恢復(fù)出待測相位分布。目前，數(shù)據(jù)處理主要分為兩步1.提取傾斜量；2.利用波前重構(gòu)算法重構(gòu)出待測相位分布，波前重構(gòu)算法一般分為模式法和區(qū)域法。然而，現(xiàn)有的夏克哈特曼傳感器需要考慮加工成本，其微透鏡陣列的尺寸一般較小，無法直接用于大口徑準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量的檢測。而且，夏克哈特曼傳感器的動態(tài)范圍和每個微透鏡對應(yīng)的光電探測器的探測區(qū)域大小成正比，與微透鏡陣列的焦距f'成反比， 但夏克哈特曼傳感器的探測精度正比于微透鏡陣列的焦距f'?，F(xiàn)有的夏克哈特曼傳感器為了滿足大動態(tài)范圍的要求，其微透鏡的焦距一般較小，但是小焦距微透鏡使得夏克哈特曼傳感器的探測精度下降，即現(xiàn)有夏克哈特曼傳感器不能同時具有大動態(tài)范圍和高探測精度。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于夏克哈特曼傳感器的大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，能夠同時具有大動態(tài)范圍和高探測精度，克服現(xiàn)有夏克哈特曼傳感器不能同時滿足大動態(tài)范圍和高探測精度的不足。該方案是這樣實現(xiàn)的一種大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，包括光源、待測準(zhǔn)直系統(tǒng)、 開有方孔的掩模板、擴(kuò)束比β < 1的擴(kuò)束系統(tǒng)、微透鏡陣列、光電探測器、控制器和計算單元；微透鏡陣列和光電探測器構(gòu)成夏克哈特曼傳感器；光源發(fā)出的光經(jīng)過待測準(zhǔn)直系統(tǒng)形成待測準(zhǔn)直波前，待測準(zhǔn)直波前先后通過掩模板的方孔和擴(kuò)束系統(tǒng)后投射到夏克哈特曼傳感器的微透鏡陣列；光電探測器將其探測到的光斑數(shù)據(jù)送入計算單元；所述微透鏡陣列包括MXN個微透鏡，且每個微透鏡的尺寸為dXd ；將待測準(zhǔn)直波前的傳播方向設(shè)置為ζ軸，建立三維坐標(biāo)系xyz，微透鏡的行和列分別平行χ軸和y軸；所述掩模板中的一塊矩形區(qū)域被劃分為MXN個小正方形，每個小正方形的邊長為d/β，在行號和列號均為單數(shù)的小正方形處開方孔，方孔邊長為d/β ；掩模板矩形區(qū)域四周的區(qū)域為非透光區(qū)域，且寬度至少為d/β ；將掩模板放置在待測準(zhǔn)直系統(tǒng)和擴(kuò)束系統(tǒng)之間，小正方形的行和列分別平行X軸和y軸；所述控制器，用于控制掩模板沿χ、y軸移動；針對一個待測準(zhǔn)直系統(tǒng)檢測時，掩模板初始位置為掩模板軸心與微透鏡陣列軸心重合，然后根據(jù)移動策略移動掩模板三次，每移動一次微透鏡陣列上有部分微透鏡對待測準(zhǔn)直波前分割采樣并聚焦到光電探測器上；所述移動策略為依次沿X軸一方向移動d/β、沿y軸移動d/β、沿χ軸另一方向移動d/β ； 或者所述移動策略為依次沿y軸一方向移動d/ β、沿χ軸移動d/ β、沿y軸另一方向移動 d/β ；所述計算單元，用于①在掩模板處于初始位置時以及每移動一次掩模板，均執(zhí)行一次從光電探測器獲取光斑數(shù)據(jù)的操作；針對在每個掩模板位置上獲取的光斑數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前透光方孔對應(yīng)的各微透鏡的波前斜率；在計算過程中認(rèn)為每個微透鏡對應(yīng)的探測區(qū)域擴(kuò)大為2dX2d，在2dX2d的探測區(qū)域內(nèi)查找光斑，計算光斑質(zhì)心與探測區(qū)域中心的距離， 繼而計算獲得波前斜率；②將根據(jù)不同位置掩模板獲得的波前斜率組合得到全部波前斜率；③采用波前重構(gòu)算法處理波前斜率，重構(gòu)出待測準(zhǔn)直波前，繼而得到待測準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量信息。較佳地，所述擴(kuò)束系統(tǒng)采用兩個拋物面反射鏡構(gòu)成的反射式擴(kuò)束系統(tǒng)；第一拋物面反射鏡面向待測準(zhǔn)直系統(tǒng)的出射面，第二拋物面反射鏡面向微透鏡陣列的入射面；第一
拋物面反射鏡和第二拋物面反射鏡共焦設(shè)置且焦距分別為f/，f2'，f2' <f/，f2' / f/ = β。有益效果(1).本發(fā)明把掩模板置于擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)的前方，使待測波前的一部分經(jīng)過掩模板到達(dá)擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)。與直接把掩模板置于微透鏡陣列前方的方案相比， 把掩模板置于擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)前方，等價于在微透鏡陣列前方直接放置了掩模板； 該等價掩模板與擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)前方的掩模板滿足物像共軛關(guān)系，且成像倍率< 1， 即擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)前方的掩模板的尺寸大于與其等價的微透鏡陣列前方的，這樣可以降低對擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)的掩模板加工精度的要求，降低成本。(2).對于通過掩模板的待測波前，其每個子孔徑對應(yīng)的光電探測器上的探測區(qū)域變大而微透鏡的焦距不變，從而可以增大夏克哈特曼傳感器的動態(tài)范圍而不降低其探測精度。(3).本發(fā)明采用控制器控制掩模板的移動使全部待測波前經(jīng)由擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)到達(dá)微透鏡陣列，經(jīng)微透鏡陣列分割采樣并聚焦到探測器上。(4).本發(fā)明采用反射擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)把待測波前耦合到夏克哈特曼傳感器，容易實現(xiàn)大口徑準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測。反射式擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)拋物面反射鏡可以精確矯正像差，這一特性使該系統(tǒng)可以做成任意要求的擴(kuò)束比以用于任意大口徑待測準(zhǔn)直系統(tǒng)的縮束。此外，利用現(xiàn)代先進(jìn)的光學(xué)加工技術(shù)制造大離軸拋物面反射鏡的成本大大降低。(5).本發(fā)明通過測量夏克哈特曼傳感器光斑的位置偏移，由波前重構(gòu)算法重構(gòu)出波前像差，相對于干涉儀像差檢測方法，本發(fā)明對環(huán)境要求較低。


圖1為夏克哈特曼傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明基于夏克哈特曼傳感器的大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測原理圖；圖3為本發(fā)明中反射式擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)工作原理示意圖；圖4為本發(fā)明中掩模板結(jié)構(gòu)示意圖；圖5. a 圖5. d為本發(fā)明中掩模板功能示意圖；圖6. a 圖6. d為本發(fā)明中掩模板及其功能示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，該裝置采用擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)把大口徑待測波前耦合到夏克哈特曼傳感器；在擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比 < 1)與待測準(zhǔn)直系統(tǒng)之間放置掩模板實現(xiàn)大動態(tài)范圍、高檢測精度的波前探測。掩模板是由透光和不透光的方孔組成，這些方孔大小一致且交替分布。每一個微透鏡在光電探測器上都有特定的探測區(qū)域；控制器控制掩模板的移動，對于每一特定位置的掩模板，都有特定的部分待測波前經(jīng)由擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)到達(dá)微透鏡陣列，通過控制器控制掩模板的移動可以實現(xiàn)全部待測波前的探測。下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖2所示，為本發(fā)明中的基于夏克哈特曼傳感器的大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，它包括光源1，待測準(zhǔn)直系統(tǒng)2，掩模板3，擴(kuò)束系統(tǒng)(擴(kuò)束比< 1)4，微透鏡陣列5，光電探測器6，控制器7，計算機8。微透鏡陣列5和光電探測器6構(gòu)成夏克哈特曼傳感器。光源1發(fā)出的光經(jīng)過待測準(zhǔn)直系統(tǒng)2形成待測準(zhǔn)直波前，待測準(zhǔn)直波前先后通過掩模板3上的方孔和擴(kuò)束系統(tǒng)4后投射到夏克哈特曼傳感器的微透鏡陣列5 ；光電探測器6將其探測到的光斑數(shù)據(jù)送入計算機8。下面對各組成部分進(jìn)行詳細(xì)描述。光源1可以是連續(xù)光源，也可以是脈沖光源。這是由夏克哈特曼傳感器本身的特性所決定的。光電探測器6可以是CXD探測器，也可以是CMOS探測器。微透鏡陣列5包括MXN個微透鏡，且每個微透鏡的尺寸為dXd ；將待測準(zhǔn)直波前的傳播方向設(shè)置為ζ軸，建立三維坐標(biāo)系xyz，微透鏡的行和列分別平行χ軸和y軸。
擴(kuò)束系統(tǒng)4可以為折射式擴(kuò)束系統(tǒng)，也可以是反射式擴(kuò)束系統(tǒng)。圖3為反射式擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示，兩個拋物面反射鏡401和402構(gòu)成反射式擴(kuò)束系統(tǒng)；反射鏡 401和反射鏡402均為拋物面反射鏡，二者共焦設(shè)置，其共同焦點為403 ；二者的光軸為光軸 404。反射鏡401和反射鏡402的焦距分別為f/ , f2'，兩反射鏡的焦距比決定了擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束比為β = f2' /f/，本發(fā)明中f2' <f/，從而擴(kuò)束比<1。掩模板3由透光和不透光的小正方形組成，這些小正方形大小一致且交替分布。 具體來說，掩模板中的一塊矩形區(qū)域被劃分為MXN個小正方形，如圖4所示，劃分了 5X5 個小正方形。小正方形的邊長為d/β，在上述矩形區(qū)域中，對各個小正方形所在的行和列分別從1開始編號，在行號和列號均為單數(shù)的小正方形處開方孔，所開方孔邊長為d/β。掩模板垂直于ζ軸布置，且其中小正方形的行和列分別平行χ軸和y軸。掩模板除矩形區(qū)域以外的區(qū)域為非透光區(qū)域?？刂破?，用于控制掩模板沿χ、y軸移動。計算機8處理包括三方面的內(nèi)容①提取與特定位置掩模板對應(yīng)的部分待測波前的斜率信息，在提取過程中認(rèn)為每個微透鏡對應(yīng)的探測區(qū)域擴(kuò)大為2dX2d，在2dX2d的探測區(qū)域內(nèi)查找光斑，計算光斑質(zhì)心與探測區(qū)域中心的距離，繼而計算波前斜率；②把不同位置掩模板對應(yīng)的部分待測波前的斜率信息組合得到全部待測波前的斜率信息；③利用波前重構(gòu)算法處理待測波前的斜率信息，得到待測波前并計算待測波前的均方根誤差和峰谷值以評價待測準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量?，F(xiàn)有的波前重構(gòu)算法包括區(qū)域法和模式法。本發(fā)明大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置的工作過程為步驟1、將掩模板放置在待測準(zhǔn)直系統(tǒng)與擴(kuò)束系統(tǒng)之間，且處于初始位置，此時， 掩模板的軸心與微透鏡陣列的軸心重合，如圖5. a所示，其中，粗實線框表示微透鏡陣列。 微透鏡陣列中微透鏡數(shù)目為5X5，微透鏡陣列的尺寸為5dX5d，掩模板的尺寸為(7d/ 3)乂(7(1/^)，其中四條寬度為(1/^的邊均不透光，掩模板中間部分為(5d/i3)X(5d/i3) 的方格，且單數(shù)行的方格中透光和不透光的方格間隔排列。為了便于說明，對微透鏡按行進(jìn)行排序，排序結(jié)果如下表1所示。
51525354555657585960616263646566676869707172737475表 1步驟2、開啟光源，光源通過待測準(zhǔn)直系統(tǒng)、掩模板的透光孔以及擴(kuò)束系統(tǒng)投射在微透鏡陣列上，光電探測器將當(dāng)前探測到的光斑數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機。如圖5. a,由于此時起到波前分割作用的微透鏡為51，53，55，61，63，65，71，73， 75。眾所周知，在現(xiàn)有技術(shù)中認(rèn)為每個微透鏡都對應(yīng)一個探測區(qū)域，探測區(qū)域的大小為 dXd，然而由于本發(fā)明采用掩模板遮蓋了一些微透鏡，使得它們不成像，因此未成像的微透鏡對應(yīng)的探測區(qū)域可以分給成像的微透鏡。如圖5. a所示，每個成像的微透鏡對應(yīng)的探測區(qū)域，可以從每個相鄰的探測區(qū)域分得1/2或1/4的面積，從而使得本發(fā)明中每個微透鏡對應(yīng)的探測區(qū)域擴(kuò)大為2dX2d，從而擴(kuò)大了動態(tài)范圍。步驟3、計算機根據(jù)光電探測器采集的當(dāng)前光斑數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前透光方孔對應(yīng)的各子孔徑的波前斜率，即微透鏡51，53，55，61，63，65，71，73，75對應(yīng)的波前斜率。本步驟中，首先采用公式(1)計算光電探測器件上各探測區(qū)域探測到的光斑的質(zhì)心位置(X。，y。)。注意本發(fā)明的探測區(qū)域是指微透鏡對應(yīng)的大小為2dX2d探測區(qū)域，與原有探測區(qū)域相比，擴(kuò)大后探測區(qū)域的坐標(biāo)原點未變，只是大小變化。
權(quán)利要求
1.一種大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，其特征在于，包括光源、待測準(zhǔn)直系統(tǒng)、開有方孔的掩模板、擴(kuò)束比β < 1的擴(kuò)束系統(tǒng)、微透鏡陣列、光電探測器、控制器和計算單元；微透鏡陣列和光電探測器構(gòu)成夏克哈特曼傳感器；光源發(fā)出的光經(jīng)過待測準(zhǔn)直系統(tǒng)形成待測準(zhǔn)直波前，待測準(zhǔn)直波前先后通過掩模板的方孔和擴(kuò)束系統(tǒng)后投射到夏克哈特曼傳感器的微透鏡陣列；光電探測器將其探測到的光斑數(shù)據(jù)送入計算單元；所述微透鏡陣列包括MXN個微透鏡，且每個微透鏡的尺寸為dXd ；將待測準(zhǔn)直波前的傳播方向設(shè)置為ζ軸，建立三維坐標(biāo)系xyz，微透鏡的行和列分別平行χ軸和y軸；所述掩模板中的一塊矩形區(qū)域被劃分為MXN個小正方形，每個小正方形的邊長為d/ β，在行號和列號均為單數(shù)的小正方形處開方孔，方孔邊長為d/β ；掩模板矩形區(qū)域四周的區(qū)域為非透光區(qū)域，且寬度至少為d/β ；將掩模板放置在待測準(zhǔn)直系統(tǒng)和擴(kuò)束系統(tǒng)之間，小正方形的行和列分別平行χ軸和y軸；所述控制器，用于控制掩模板沿x、y軸移動；針對一個待測準(zhǔn)直系統(tǒng)檢測時，掩模板初始位置為掩模板軸心與微透鏡陣列軸心重合，然后根據(jù)移動策略移動掩模板三次，每移動一次微透鏡陣列上有部分微透鏡對待測準(zhǔn)直波前分割采樣并聚焦到光電探測器上；所述移動策略為依次沿χ軸一方向移動d/β、沿y軸移動d/β、沿χ軸另一方向移動d/β ；或者所述移動策略為依次沿1軸一方向移動d/ β、沿χ軸移動d/ β、沿y軸另一方向移動d/ β ；所述計算單元，用于①在掩模板處于初始位置時以及每移動一次掩模板，均執(zhí)行一次從光電探測器獲取光斑數(shù)據(jù)的操作；針對在每個掩模板位置上獲取的光斑數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前透光方孔對應(yīng)的各微透鏡的波前斜率；在計算過程中認(rèn)為每個微透鏡對應(yīng)的探測區(qū)域擴(kuò)大為2dX2d，在2dX2d的探測區(qū)域內(nèi)查找光斑，計算光斑質(zhì)心與探測區(qū)域中心的距離，繼而計算獲得波前斜率；②將根據(jù)不同位置掩模板獲得的波前斜率組合得到全部波前斜率；③采用波前重構(gòu)算法處理波前斜率，重構(gòu)出待測準(zhǔn)直波前，繼而得到待測準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量信息。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述擴(kuò)束系統(tǒng)為兩個共焦物鏡構(gòu)成的折射式擴(kuò)束系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述擴(kuò)束系統(tǒng)為兩個拋物面反射鏡構(gòu)成的反射式擴(kuò)束系統(tǒng)；第一拋物面反射鏡面向待測準(zhǔn)直系統(tǒng)的出射面，第二拋物面反射鏡面向微透鏡陣列的入射面；第一拋物面反射鏡和第二拋物面反射鏡共焦設(shè)置且焦距分別為f"l j f2 ‘ f2 " ‘ f2 /fι·β ο
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大口徑大動態(tài)范圍準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測裝置，能夠同時具有大動態(tài)范圍和高探測精度。光源發(fā)出的光經(jīng)過待測準(zhǔn)直系統(tǒng)形成待測準(zhǔn)直波前，待測準(zhǔn)直波前先后通過掩模板和擴(kuò)束系統(tǒng)后投射到夏克哈特曼傳感器的微透鏡陣列；光電探測器將其探測到的光斑數(shù)據(jù)送入計算單元；掩模板中的一塊矩形區(qū)域被劃分為與微透鏡數(shù)量相同的小正方形，每個小正方形的邊長為d/β，d為微透鏡的尺寸，β為擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束比；行號和列號均為單數(shù)的小正方形為方孔；控制器控制掩模板的移動，對于每一特定位置的掩模板，都有特定的部分待測波前經(jīng)由擴(kuò)束系統(tǒng)到達(dá)微透鏡陣列，通過控制器控制掩模板的移動可以實現(xiàn)全部待測波前的探測。
文檔編號G01M11/02GK102252833SQ201110173930
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者劉克, 李艷秋, 王建峰 申請人:北京理工大學(xué)