带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头制造技术

带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，属于光电探测及自适应光学领域，为克服传统哈特曼传感器中继镜头倍率固定的缺点，前组元、后组元及调节组元安装在中继镜筒内，前组元透镜由压圈固定，后组元透镜安装在后组元座内，并由后组元压圈固定，调节组元透镜安装在调节组元座上，由调节组元压圈固定，通过拨动调节组元拨柱可前后移动调节组元透镜，实现中继镜头倍率的微调，调整到准确位置后，拧紧调节组元紧定螺钉实现调整组元的固定；前组元为光焦度为正的负正双胶合透镜，负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；后组元为光焦度为正的正负双胶合透镜，正元件为双凸形透镜，负元件为弯月形透镜；倍率调节组元为光焦度为正的弯月形透镜。

【技术实现步骤摘要】
带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头
本专利技术涉及一种带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，属于光电探测及自适应光学领域。
技术介绍
哈特曼传感器是一种通过测量波前斜率来获得波前的相位信息光学测量设备，是自适应光学、主动光学、激光光束检验等领域中最重要的波前探测仪器。如图1所示，哈特曼传感器由微透镜阵列、中继镜头、CCD相机及相应的数据采集处理系统组成。其中，中继镜头用于将微透镜形成的点斑图像按照一定的放大倍率成像到相机靶面上，实现微透镜尺寸和相机像素之间的匹配。尤其在自适应光学系统波前探测中，微透镜与像素之间的匹配最为重要，原因是自适应光学的校正对象是大气扰动引起的波前误差，校正频率要求很高，为了提高哈特曼波前传感器的读出速度，传感器使用的CCD相机应具有尽量少的像素数，这限制了单个子孔径所成点斑在CCD上的采样率，一般单个点斑所占象元数在2×2左右，甚至更少。对于如此低的采样率，为了使各子孔径点斑质心计算不受离散采样的影响，必须保证各点斑的像素采样情况一致，也就要求单个子孔径尺寸所占像素数严格为整数，稍有偏差则将使点斑一致性受到影响，限制哈特曼传感器的测量精度，甚至无法进行测量。如图2所示，为实际倍率与设计倍率误差仅为3.33％时的点斑采样情况示意图，图中小方格表示CCD像素，大圆表示单个子孔径对应的靶面位置，图2(a)中小圆表示点斑在靶面上的真实位置，图2(b)为点斑经过离散采样后的情况。可以看出由于倍率误差，使子孔径尺寸所占像素数不为整数，经过CCD象元的离散采样后点斑形状发生不规则变化，将影响质心计算精度。目前的哈特曼传感器中继镜头均为固定倍率镜头，尽管倍率严格按照微透镜尺寸与CCD像素尺寸匹配进行设计，但由于加工、装调误差，使系统最终的倍率与设计值具有一定量的偏差。尤其是光学加工误差不可避免，且一般无法通过简单的间隔调整使倍率误差得到补偿，因而必将影响哈特曼传感器的性能。
技术实现思路
本专利技术为克服传统哈特曼传感器中继镜头倍率固定的缺点，提出带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，通过调整组件实现放大倍率的微量调整，补偿由于加工、装调误差产生的倍率偏差，保证微透镜尺寸与CCD像素尺寸严格匹配。本专利技术的解决技术问题的方案是：带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，其特征是，该中继镜头内的前组元、后组元及调节组元安装在中继镜筒内，前组元由前组元压圈固定，后组元透镜安装在后组元座内，并由后组元压圈固定，调节组元透镜安装在调节组元座上，由调节组元压圈固定，通过拨动调节组元拨柱可前后移动调节组元透镜，实现中继镜头倍率的微调，调整到准确位置后，拧紧调节组元紧定螺钉实现调整组元的固定。前组元为光焦度为正的负、正双胶合透镜，其中负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；后组元为光焦度为正的正、负双胶合透镜，其中正元件为双凸形透镜，负元件为弯月形透镜；倍率调节组元为光焦度为正的弯月形透镜。前组元与后组元的间隔为前、后组元焦距之和；倍率调焦组元位于前、后组元中间，其与前、后组元的间隔分别为前后组元的焦距值。前组元中负透镜通过前组元压圈紧密接触固定。后组元中负透镜通过后组元压圈紧密接触固定。本专利技术的有益效果是：由于倍率调节组元上光线高度低，因此其前后移动不影响光线传播角度，从而在调整过程中能够始终保持像方远心，使点斑质心测量精度不受微透镜与镜头、镜头与相机的轴向位置误差影响。附图说明图1为传统的哈特曼中继镜头原理。图2为子孔径所占像素数不为整数时点斑在CCD相机靶面上的采样情况。图3为本专利技术带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头结构示意图。图4为实施例高斯光学结构图，倍率从0.7～0.72～0.74变化时，倍率调节组元高斯光学位置的对比。图5为带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头实际光路结构，倍率从0.7～0.72～0.74变化时，实际光路结构的对比。图6为中继光学系统分别在倍率0.7、0.72、0.74三个位置时的不同物面高度下的点列图。图7为中继光学系统分别在倍率0.7、0.72、0.74三个位置时畸变曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。如图3所示，带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，该中继镜头内的前组元2、后组元10及调节组元5安装在中继镜筒3内，前组元2由前组元压圈1固定，后组元10安装在后组元座9内，并由后组元压圈11固定，调节组元透镜5安装在调节组元座7上，由调节组元压圈4固定，通过拨动调节组元拨柱8可前后移动调节组元透镜5，实现中继镜头倍率的微调，调整到准确位置后，拧紧调节组元紧定螺钉6实现调整组元的固定。前组元2为光焦度为正的负、正双胶合透镜，其中负透镜2-1为弯月形透镜，正透镜2-2为双凸形透镜；后组元10为光焦度为正的正、负双胶合透镜，其中正元件10-1为双凸形透镜，负元件10-2为弯月形透镜；倍率调节组元5为光焦度为正的弯月形透镜。前组元2中负透镜2-1通过前组元压圈1紧密接触固定；后组元10中的透镜安装在后组元座9内，通过后组元压圈11与负透镜10-2紧密接触固定。前组元2与后组元10的间隔为前、后组元焦距之和；倍率调焦组元5位于前、后组元中间，其与前、后组元的间隔分别为前后组元的焦距值。实施例：带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，参数及技术要求为：(1)微透镜阵列子孔径尺寸：0.2mm；(2)微透镜阵列焦距：7mm；(3)CCD象元尺寸：24um×24um；(4)子孔径数：35×35；(5)单个子孔径所占象元数：6×6；(6)中继镜头倍率：0.72，且±0.02可调；(7)波段：486nm～700nm；(8)总长：<150mm；由以上要求得到中继镜头物方数值孔径NA＝0.015，物高5mm；设计过程中，首先进行高斯光学计算，得到近轴光学参数如下，高斯光学结构，如图4所示：1)前组元焦距：50mm；2)后组元焦距：34.6mm；3)倍率调节组元焦距：62mm；4)微透镜焦面与前组元间隔：26.5mm；5)前组元与倍率调节组元间隔：50mm；6)倍率调节组元与后组元间隔：34.6mm；7)后组元与靶面间隔：26.6mm；8)倍率调节组元前后约±1.7mm范围调节。高斯光学计算后进行厚透镜设计，前、后组元均采用双胶合结构，胶合透镜中的负元件位于外侧，采用高折射率、高色散玻璃，正元件位于内侧，采用低折射率、低色散玻璃；通过胶合面校正位置色差，胶合面弯向光阑；调节组元采用正光焦度单透镜，采用冕牌玻璃材料；设计过程中，光学元件结构仍保持近似对称，但由于系统倍率不为1，因此需要适当的失对称变化，来校正对称相消的慧差、横向色差和畸变，而通过对称变化校正对称叠加的球差、像散和场曲。如图4所示，为实施例高斯光学结构图，三幅图表述了倍率从0.7～0.72～0.74变化时，倍率调节组元高斯光学位置的对比。可以看出，由于倍率调节组元5上光线高度低，因此其前后移动不影响光线传播角度，从而在调整过程中能够始终保持像方远心，使点斑质心测量精度不受微透镜与镜头、镜头与相机的轴向位置误差影响；另外，当倍率从0.7～0.72～0.74变化时，倍率调节组元仅移动少量距离。如图5所示，为带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头实际光路结构，三幅图表述了倍率从0.7～0.72～0.74变化时，实际光路结本文档来自技高网...

【技术保护点】
带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，其特征是，该中继镜头内的前组元(2)、调节组元(5)及后组元(10)从左至右安装在中继镜筒(3)内，前组元(2)由前组元压圈(1)固定，后组元(10)安装在后组元座(9)内，并由后组元压圈(11)固定，调节组元透镜(5)安装在调节组元座(7)上，由调节组元压圈(4)固定，通过拨动调节组元拨柱(8)可前后移动调节组元透镜(5)，实现中继镜头倍率的微调，调整到准确位置后，拧紧调节组元紧定螺钉(6)实现调整组元的固定。

【技术特征摘要】
1.带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，其特征是，该中继镜头内的前组元(2)、倍率调节组元(5)及后组元(10)从左至右安装在中继镜筒(3)内，前组元(2)由前组元压圈(1)固定，后组元(10)安装在后组元座(9)内，并由后组元压圈(11)固定，倍率调节组元(5)安装在调节组元座(7)上，由调节组元压圈(4)固定，通过拨动调节组元拨柱(8)可前后移动调节倍率调节组元(5)，实现中继镜头倍率的微调，调整到准确位置后，拧紧调节组元紧定螺钉(6)实现调整组元的固定。2.根据权利要求1所述的带倍率微调机构的哈特曼传感器中继镜头，其特征在于，前组元(2)为光焦度为正的负、正双胶合透镜，其中负透镜(2-1)为弯月形透镜，正透镜(2-2)为双凸形透镜；后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建立，李宏壮，王志臣，刘欣悦，林旭东，赵金宇，赵勇志，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22