专利名称：基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学波前传感器，特别是一种基于微柱透镜阵列的大动态测量范围的哈特曼波前传感器，属于光学检测领域。
背景技术：
哈特曼波前传感器是一种有效的光学动态波前检测仪器。它广泛应用人眼波前像差探测，高功率波前像差检测和各种光束质量综合检测，尤其是在人眼波前像差探测领域中，对自适应光学检眼镜、个性化隐形眼镜、个性化激光角膜手术都具有重要的指导意义。传统的哈特曼波前传感器通常选用微透镜阵列实现波面分割。当入射光波为平行光时，所有子光束均聚焦在相应微透镜的光轴上；当入射光波存在波前畸变，他们在焦平面上形成的光斑便会偏离相对应的光轴，产生一定的位移，通过判定光斑质心与参考质心的位置关系，获取入射光波波前正交方向上的斜率信息后，可重构待测入射光波波前分布情况。 传统哈特曼波前传感器的动态测量范围由微透镜阵列的子透镜的通光孔径和焦距所决定，即微透镜阵列的子孔径将光电探测器的靶面分隔成相应的子区域，当入射光波存在大像差时，有些聚焦光斑会超出其对应子区域的范围，进而无法进行正确的识别，对精确地重构波前像差造成了影响。在实际的光学检测中，哈特曼波前传感器应在保证高精度的测量前提下，尽可能地提高测量的动态范围。目前，文献“增大夏克哈特曼波前传感器动态测量范围的方法”，光学精密工程，2008，16 (7)，介绍了一种增大动态测量范围的软件处理方法一外推法，这种方法预先给定某个子孔径对应的焦斑，便能以此为起点外推得到所有子孔径对应的焦斑。文献“增大夏克哈特曼波前传感器动态范围的算法研究”，光学学报，2011，31 (8)，提出了能够有效增大传感器动态范围的数据处理方法光斑归位法，这种方法使排列不规则的光斑回到各种原来的位置，重新排列成规则的光斑阵列，再找到其中某个光斑与微透镜的对应关系。这些方法的优点在于不改变传感器硬件的前提下有效地提高了动态测量范围，但缺点在于复杂的算法影响了传感器的运行速度，动态范围提升的幅度有限，存在一定局限性的。中国专利号为ZL02123756. 5的专利，公开了一种测量精度和动态范围可调的哈特曼波前传感器，加入了测量子孔径选通的控制元件，通过此元件控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整传感器测量动态范围的目的。该专利的缺点是结构过于复杂，在提高传感器测量动态范围的同时降低了测量精度。又有文献Measurement and compensationof optical aberrations using a single spatial light modulator. (OPTICS EXPRESS.Vol. 15, No. 23,作者Justo Arines)提出在分波前子孔径之前加入一个液晶空间光调制器以实现可移动掩膜功能，从而提高哈特曼传感器的动态范围，但是仍存在测量精度下降的缺陷。
发明内容
本发明目的是克服上述现有技术的缺点，提出一种结构简单，适应性强，兼顾高精度与大动态测量范围的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器。本发明提供的基于微柱透镜阵列的大动态测量范围的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统(I)、第一微柱透镜阵列(3)和第二微柱透镜阵列(5)、分光镜(2)、第一光电探测器(4)和第二光电探测器￠);光学匹配系统(I)之后添加一个分光镜(2)，在分光镜(2)的透射端放置第一微柱透镜阵列(3)和第一光电探测器(4)，在分光镜(2)的反射端放置第二微柱透镜阵列(5)和第二光电探测器￠);所述的光学匹配系统(I)对入射光波进行扩束，使入射光波的尺寸匹配微柱透镜阵列的通光孔径；所述的微柱透镜阵列实现波前孔径分割；所述的分光镜(2)将入射光波分为两束，一束经过第一微柱透镜阵列(3)后形成聚焦线斑阵列，聚焦线斑阵列被位于第一微柱透镜(3)焦平面处的第一光电探测器(4)采集；另一束经过第二微柱透镜阵列(5)后形成聚焦线斑阵列，聚焦线斑阵列被位于第二微柱透镜
(5)焦平面处的第二光电探测器(6)采集。将第一光电探测器(4)采集的图像与第二光电探测器(6)采集的图像进行正交融合叠加，形成连续的网格状聚焦线斑。通过追迹连续的 线斑来精确判定光斑质心与参考质心的位置关系，获取入射光波波前正交方向上的斜率信息后，可重构待测入射光波波前分布情况。上述技术方案中，所述的光学匹配系统放置于分光镜的前端，分光镜将扩束后的入射光波分为两束，其中透射光到第一微柱透镜阵列的光程与反射光到第二微柱透镜阵列的光程相等。所述的第一微柱透镜阵列和第二微柱透镜阵列分别对透射光束和反射光束实现波前孔径分割。所述的第二微柱透镜阵列和第一微柱透镜阵列的通光口径、子透镜的大小、曲率半径、厚度、材料和数量完全相同，但与第一微柱透镜阵列放置位置相互垂直。所述的第二微柱透镜阵列和第一微柱透镜阵列通光孔径内的子透镜数量决定哈曼特波前传感器的精度。所述的微柱透镜阵列通光孔径内的子透镜数量行列数均大于10。所述的第一光电探测器和第二光电探测器采用CCD探测器、CMOS探测器，或者是四象限传感器阵列。上述技术方案中，所述的分光镜米用平面分光镜，或者是分光棱镜。本发明的优点本发明所公开的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，采用了微柱透镜阵列实现波前孔径分割，以获得连续的网格状聚焦线斑。在测量大像差时，即使光斑质心偏移较大，超出了其对应子区域的范围，可通过追迹连续的线斑来精确判定光斑质心与参考质心的位置关系，因此克服了传统哈曼特波前传感器动态范围�。薹ň凡饬看笙癫罟獠ǖ娜毕荩诒Ｖじ呔鹊那疤嵯孪灾岣吡瞬饬康亩段�。
图I是本发明基于微透镜阵列的哈曼特波前传感器实施例的结构示意图。图2是本发明微柱透镜阵列的子透镜阵列4X1的结构示意图。图3是本发明微柱透镜阵列对待测光波实现波前孔径分割，并在光电探测器上获得连续聚焦线斑阵列的工作示意图。
图4是本发明电探测器接收到的连续聚焦线斑阵列的示意图，其中(a)是第一光电探测器接收到的线斑阵列示意图，(b)是第二光电探测器接收到的线斑阵列示意图。图5是本发明第一光电探测器采集的图像与第二光电探测器采集的图像进行正交融合叠加，形成连续的网格状聚焦线斑示意图。图中，I—光学匹配系统,2—分光镜,3—第一微柱透镜阵列,4一第一光电探测器，5一第二微柱透镜阵列,6—第二光电探测器。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不应理解为对本发明保护范围的任务限定。如图I所示，本发明基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统I及其后面的分光镜2,分光镜2的透射端放置着第一微柱透镜阵列3,第一光电探测器4放 置在第一微柱透镜阵列3的焦平面上；分光镜2的反射端放置着第二微柱透镜阵列5，第二光电探测器6放置在第二微柱透镜阵列5的焦平面上。本实例中，光学匹配系统I采用放大倍数为3的望远镜系统，分光镜2采用透反比为5:5的平面分光镜；为了减小微柱透镜阵列引入的外界像差，对入射光波造成额外波前畸变的影响，第一微柱透镜阵列3和第二微柱透镜阵列5的子透镜均采用焦距为IOmm的消像差透镜。所述的第一微柱透镜阵列3和第二微柱透镜阵列5实现波前孔径分割；在对入射光波的波前像差进行综合测量时，待测光波经过光学匹配系统2实现扩束，然后被分光镜分为两束，其中一束入射到第一微柱透镜阵列3上并通过其成像，整个光束被孔径分割并在第一微柱透镜阵列3焦平面处的第一光电探测器4的靶面上形成连续的聚焦线斑阵列；另一束光则入射到第二微柱透镜阵列5上并通过其成像，整个光束被孔径分割并在第二微柱透镜阵列5焦平面处的第二光电探测器6的靶面上形成连续的聚焦线斑阵列。如图2所示，微柱透镜阵列的子透镜4X1阵列的结构示意图，其中子透镜结构参数如表一所示。表一，微柱透镜阵列的子透镜结构参数(单位毫米mm)
Γ
厚度
材料塑料PMMA如图3所示，微柱透镜阵列对待测光波实现波前孔径分割，形成连续的聚焦线斑阵列。微柱透镜阵列将待测光波进行波前分割，再由每一个子透镜对分割后的子光波进行成像，由柱透镜线状成像的特性可知，获得的是线状焦斑。如图4所示，将图4的(a)和(b)中光电探测器获取的线斑阵列进行比较可知，第一微柱透镜阵列和第二微柱透镜阵列的结构参数完全一致，但放置位置相互垂直。如图5所示，首先参照微柱透镜阵列的结构参数对光电探测器的像素进行划分，以确定参考质心坐标(Xtl, I)。将第一光电探测器获取的图像与第二光电探测器获得的图像进行正交融合叠加，计算光斑交点的质心坐标(Xi, Yi)与参考质心坐标(Xtl, Ytl)在X和Y方向上的偏移量(AXi, AYi),再通过下列公式计算光波波前斜率信息，便可重构待测光波波前分布情况
权利要求
1.一种基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统(I)、第一微柱透镜阵列(3)和第二微柱透镜阵列(5)、分光镜(2)、第一光电探测器(4)和第二光电探测器(6);其特征在于光学匹配系统(I)之后添加一个分光镜(2),在分光镜(2)的透射端放置第一微柱透镜阵列(3)和第一光电探测器(4),在分光镜(2)的反射端放置第二微柱透镜阵列(5)和第二光电探测器￠);所述的光学匹配系统(I)对入射光波进行扩束，使入射光波的尺寸匹配微柱透镜阵列的通光孔径；所述的微柱透镜阵列实现波前孔径分割；所述的分光镜(2)将入射光波分为两束，一束经过第一微柱透镜阵列(3)后形成聚焦线斑阵列，聚焦线斑阵列被位于第一微柱透镜(3)焦平面处的第一光电探测器(4)采集；另一束经过第二微柱透镜阵列(5)后形成聚焦线斑阵列，聚焦线斑阵列被位于第二微柱透镜(5)焦平面处的第二光电探测器(6)采集。
2.根据权利要求I所述的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的光学匹配系统(I)放置于分光镜(2)的前端,分光镜(2)将扩束后的入射光波分为两束,其中透射光到第一微柱透镜阵列的光程与反射光到第二微柱透镜阵列的光程相等。
3.根据权利要求I所述的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的第二微柱透镜阵列(5)和第一微柱透镜阵列(3)的通光口径、子透镜的大小、曲率半径、厚度、材料和数量完全相同，但与第一微柱透镜阵列(3)放置位置相互垂直。
4.根据权利要求3所述的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的第二微柱透镜阵列(5)和第一微柱透镜阵列(3)通光孔径内的子透镜数量决定哈特曼波前 传感器的精度。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于微柱透镜阵列通光孔径内的子透镜数量行列数均大于10。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的第一光电探测器⑷和第二光电探测器(6)采用CCD探测器、CMOS探测器，或者是四象限传感器阵列。
7.根据权利要求I至4中任一项所述的基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的分光镜(2)米用平面分光镜,或者是分光棱镜。
全文摘要
本发明涉及一种基于微柱透镜阵列的哈特曼波前传感器。该传感器包括光学匹配系统，第一微柱透镜阵列，第二微柱透镜阵列；还包括分光镜，第一光电探测器和第二光电探测器；光学匹配系统用于将入射光波扩束，使入射光波的尺寸匹配微柱透镜阵列的通光口径；第一和第二微柱透镜阵列将入射光波分割成多束子光波，并分别聚焦到位于其焦平面的光电探测器靶面上。将第一光电探测器采集的图像与第二光电探测器采集的图像进行正交融合叠加，形成连续的网格状聚焦线斑。本发明在保证测量精度的前提下克服了传统哈特曼波前传感器的测量动态范围小的缺点，可广泛应用于大像差波前的探测。
文档编号G01J9/00GK102914373SQ20121047279
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者杨晓苹, 史光远, 马华 申请人:天津理工大学
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