一種波面檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種波面檢測裝置，適用于自適應(yīng)光學(xué)和光學(xué)檢測領(lǐng)域。該檢測裝置由大口徑標(biāo)準(zhǔn)平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD（位置傳感器）陣列、步進電機、A/D卡及計算機組成。PSD陣列對被檢聚焦透鏡進行全口徑連續(xù)采樣，并實時進行光斑質(zhì)心探測。通過自動對焦程序，步進電機驅(qū)動PSD陣列探測到被檢聚焦透鏡的焦平面。步進電機再驅(qū)動PSD陣列在焦前焦后移動，采集像空間不同垂軸位置的波前信息，通過計算機程序分析聚焦透鏡像差，實現(xiàn)對大口徑聚焦透鏡出射波前的實時檢測。該方法對測量口徑的大小沒有限制，對降低測量成本、增加測量靈活度有重要意義。
【專利說明】—種波面檢測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明適用于自適應(yīng)光學(xué)和光學(xué)檢測等領(lǐng)域，涉及一種基于PSD陣列進行波前檢測的技術(shù)，用于大口徑聚焦透鏡出射波前的測量。

【背景技術(shù)】
[0002]大口徑光學(xué)鏡面在軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域以及大型地面、空間天文望遠(yuǎn)鏡等科研領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，要觀測天體劇烈活動對人類的危害與影響；探索宇宙的形成與演變；探索宇宙中是否有生命體；探索人類能否在月球與火星上進行無重力、無污染的生產(chǎn)；探索宇宙中存在的金礦和貴金屬能否開采等，都需要采用更大口徑的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，用來測量天體的大小、位置和物理性質(zhì)，探測新天體和地球以外生命以及適宜人類生活的新空間，進而促進人類進一步開發(fā)和利用宇宙。另外，大口徑光學(xué)系統(tǒng)在天文光學(xué)、空間光學(xué)、地基空間目標(biāo)探測與識別、慣性約束聚變(ICF)等高【技術(shù)領(lǐng)域】都得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]但大口徑光學(xué)系統(tǒng)波面檢測卻一直受到龐大設(shè)備費用與測量設(shè)備較長加工周期的限制而沒有得到很好解決。為了以低成本、高分辨率檢測光學(xué)系統(tǒng)中大口徑光學(xué)元件，對于大口徑光學(xué)系統(tǒng)波面檢測技術(shù)的研究受到越來越多的重視。
[0004]傳統(tǒng)大口徑波前檢測方法各有利弊。用哈特曼法檢測出射波前，每檢測一個系統(tǒng)就要制造一個匹配的哈特曼光闌，成本很高，不適宜中小項目的檢測；剪切干涉法必須引入至少和被檢系統(tǒng)口徑相當(dāng)且材料均勻性高的剪切板，造價非常高；而子孔徑拼接法其機械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，傳遞誤差和積累誤差大，算法難度大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于傳統(tǒng)方法的缺陷，為了以低成本、高分辨率進行大口徑光學(xué)系統(tǒng)波前檢測，當(dāng)前發(fā)明采用PSD陣列法。
[0006]PSD陣列在該檢測裝置中，既是采樣器件，又是探測器件。PSD陣列中PSD小單元將出射的大口徑波前劃分為若干子波前，并分別探測每個子波前的質(zhì)心變化，從而實現(xiàn)大口徑波前質(zhì)量的檢測。該方法無需引入傳統(tǒng)裝置中的掃描機構(gòu)，避免了波面由掃描機構(gòu)引入的擾動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、方便裝調(diào)、可實現(xiàn)快速、精確的波前質(zhì)量檢測。
[0007]該檢測裝置由大口徑標(biāo)準(zhǔn)平行光管2、被檢聚焦透鏡3、PSD (位置傳感器)陣列4、步進電機6、A/D卡及計算機5組成。PSD陣列4對被檢聚焦透鏡3進行全口徑連續(xù)采樣，并實時進行光斑質(zhì)心探測。通過自動對焦程序，步進電機6驅(qū)動PSD陣列4探測到被檢聚焦透鏡3的焦平面。步進電機6再驅(qū)動PSD陣列4在焦前后焦后移動，采集像空間不同垂軸位置的波前信息，通過計算機程序分析聚焦透鏡3像差，實現(xiàn)對大口徑聚焦透鏡出射波前的實時檢測。該方法對測量口徑的大小沒有限制，對降低測量成本、增加測量靈活度有重要意義。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下: 如附圖1所示，檢測系統(tǒng)主要由He-Ne激光器1、大口徑標(biāo)準(zhǔn)平行光管2、被檢聚焦透鏡
3、PSD陣列及A/D卡4、計算機5及步進電機6組成。其中PSD陣列可由步進電機6驅(qū)動，沿光軸方向移動。
[0009]測量原理如圖3所示。實際測量中，由標(biāo)準(zhǔn)平行光管2發(fā)出的平行光束入射到被檢聚焦鏡3聚焦。步進電機6驅(qū)動PSD陣列4在光軸上運動，通過自動對焦程序，PSD陣列4探測面移動到聚焦透鏡3焦平面位置c，PSD陣列4各單元輸出聚焦平面c上各子波前的質(zhì)心坐標(biāo)。步進電機6再驅(qū)動PSD陣列4分別在焦前兩個垂軸平面a、b焦后兩個位置d、e分別探測出射波面上各子波前的質(zhì)心坐標(biāo)。通過計算機程序處理得到各探測面的點列圖。
[0010]由點列圖定義可知，由光源上一點發(fā)出的許多光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，因像差使其與像面的焦點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形，稱為點列圖。點列圖是在現(xiàn)代光學(xué)檢測中像差最常用的評價方法之一。
[0011]為獲得像差數(shù)據(jù)，在測量過程中，在像方焦點前后先后選取4個相隔一定距離的垂軸截面，a、b、d、e。通過PSD陣列分別求得每一探測面上各子波前在這些截面上的光斑中心坐標(biāo)。PSD把入射子波前在光敏面上的位置以模擬信號輸出，該信號只與光斑幾何重心有關(guān)，與光斑強度、分布、對稱性和尺寸無關(guān)。根據(jù)各電極上收集到電流信號的比例確定入射光的位置。在測量某一垂軸面波前信息時，PSD陣列在步進電機的驅(qū)動下沿光軸運動，同時PSD陣列探測面連續(xù)采集該波面上各子波前光斑質(zhì)心位置。
[0012]若待測聚焦透鏡完美，則系統(tǒng)沒有像差。在每個垂軸截面位置上，波面子波前光斑圖像應(yīng)呈圓形均勻分布，如圖4所示。若實際象與理想象之間存在著沿軸的差異，則該聚焦透鏡存在像差，即實際象點與理想象點的偏移。則波面子波前光斑圖像如圖5所示。若軸外物點寬光束經(jīng)系統(tǒng)成象后失對稱，則系統(tǒng)中存在彗差，彗差是軸外象差之一，其點列圖如圖6所示。其危害是使物面上的軸外點成象為彗星狀的彌散斑，破壞了軸外視場的成象清晰度，且隨孔徑及視場的變化而變化，它影響的是軸外象點的清晰程度。圖7所示的系統(tǒng)中存在像散。由于像散的存在，導(dǎo)致軸外一點象成為互相垂直的二條短線，嚴(yán)重時軸外點得不到清晰的象。影響的也是軸外象點的清晰程度。事實上，只需測得兩個截面位置上的信息，就可以確定像差，但考慮到減小隨機誤差的影響，選取四個位置進行測量，提高檢測結(jié)果的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為該發(fā)明中檢測裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖2為該發(fā)明中某種PSD陣列圖示例；
圖3為該發(fā)明中測量原理圖；
圖4為待測聚焦透鏡無像差時的點列圖；
圖5為待測聚焦透鏡僅有球差的點列圖；
圖6為待測聚焦透鏡僅有彗差的點列圖；
圖7為待測聚焦透鏡僅有像散的點列圖。

【具體實施方式】
[0014]發(fā)明涉及一種波面檢測裝置，適用于自適應(yīng)光學(xué)和光學(xué)檢測領(lǐng)域。該檢測裝置由大口徑標(biāo)準(zhǔn)平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD (位置傳感器)陣列、步進電機、A/D卡及計算機組成。PSD陣列對被檢聚焦透鏡進行全口徑連續(xù)采樣，并實時進行光斑質(zhì)心探測。通過自動對焦程序，步進電機驅(qū)動PSD陣列探測到被檢聚焦透鏡的焦平面。步進電機再驅(qū)動PSD陣列在焦前焦后移動，采集像空間不同垂軸位置的波前信息，通過計算機程序分析聚焦透鏡像差，實現(xiàn)對大口徑聚焦透鏡出射波前的實時檢測。該方法對測量口徑的大小沒有限制，對降低測量成本、增加測量靈活度有重要意義。
[0015]【具體實施方式】見附圖1。
[0016]將He-Ne激光器I安裝在平行光管準(zhǔn)直透鏡2的焦平面上。待測聚焦透鏡3置于準(zhǔn)直透鏡后的平行光路中，PSD透鏡陣列4置于待測聚焦透鏡3的焦平面附近。He-Ne激光器1、平行光管2、聚焦透鏡3、PSD陣列中心都在光軸上。用A/D卡連接PSD陣列4，將其輸出電路與計算機5連接。
[0017]在測量之前需要標(biāo)定每個PSD單元的線性度。標(biāo)定PSD的線性度，以采樣間隔對波前進行掃描采樣，每采集一次，采樣程序連續(xù)重復(fù)采集多次，以減小隨機誤差，并輸出平均值。
[0018]把PSD陣列4放置于聚焦透鏡3焦點位置附近。步進電機6驅(qū)動PSD陣列沿光軸在焦平面附近前后微量運動。通過自動對焦程序，PSD陣列4探測面移動到聚焦透鏡3焦平面位置c，PSD陣列4各單元輸出聚焦平面c上各子波前的質(zhì)心坐標(biāo)。步進電機6再驅(qū)動PSD陣列4分別在焦前兩個垂軸平面a、b焦后兩個位置d、e分別探測出射波面上各子波前的質(zhì)心坐標(biāo)。通過計算機程序處理得到各探測面的點列圖。
【權(quán)利要求】
1.一種基于PSD (位置傳感器)陣列檢測大口徑光學(xué)系統(tǒng)出射波面質(zhì)量的裝置， 其特征是由大口徑標(biāo)準(zhǔn)平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD (位置傳感器)陣列、A/D卡、步進電機及計算機組成的檢測系統(tǒng)，并通過以下步驟進行波面檢測； 1)根據(jù)采樣定理選擇合適尺寸的PSD單元及陣列數(shù)目； 2)標(biāo)準(zhǔn)平行光管以He-Ne激光器為光源，激光器放置于準(zhǔn)直物鏡焦點處，被檢測聚焦透鏡位于平行光路中，PSD陣列位于聚焦透鏡焦平面附近； 3)測量過程中，PSD陣列對全口徑波面進行分割和質(zhì)心探測，每個PSD分別輸出各自測量子波前的質(zhì)心坐標(biāo)； 4)將所有采樣點質(zhì)心坐標(biāo)進行算法擬合，得到待測波面的像差數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:由大口徑標(biāo)準(zhǔn)平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD (位置傳感器)陣列、步進電機及計算機組成；PSD陣列對被檢聚焦透鏡出射波前進行全口徑采樣，并實時探測光斑質(zhì)心，通過算法擬合得到整個大口徑波面像差數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對大口徑聚焦透鏡出射波前質(zhì)量的實時檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，出射波面口徑大小是任意的。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，接收探測器件可以是PSD、CCD或其他光敏元件陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，準(zhǔn)直物鏡可以采用球面透鏡也可以采用非球面透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，PSD陣列由(m，η)個PSD單元組成，m,η可以是奇數(shù)也可以是偶數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，PSD陣列沿光軸的運動可以由電機驅(qū)動也可以手動控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，光源可以為激光器，也可以為其它光源。
【文檔編號】G01M11/02GK104198055SQ201410431353
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】崔歡耀 申請人:深圳市天瑞科技有限公司