宽谱段夏克‑哈特曼波前传感器绝对标定装置及方法制造方法及图纸

一种夏克‑哈特曼波前传感器绝对标定装置及方法，该装置包括会聚镜、点衍射板、锥孔板、高精度平移台、采集与控制计算机、光轴定位模块以及单色仪；锥孔板可拆卸的固定在待标定的夏克‑哈特曼波前传感器的前端；锥孔板的锥孔中心与待标定的夏克‑哈特曼波前传感器的靶面中心重合；采集与控制计算机分别与待标定的夏克‑哈特曼波前传感器以及高精度平移台相连；会聚镜设置在单色仪的出射光路上；会聚镜、点衍射板以及锥孔板依次处于同一光轴上；光轴定位模块置于点衍射板与锥孔板之间。本发明专利技术具有可实现宽谱段夏克‑哈特曼波前传感器系统误差和物理参数的绝对标定以及可提高系统标定精度的优点。

【技术实现步骤摘要】
宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置及方法
本专利技术属光学领域，涉及一种夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置及方法，尤其涉及一种利用单色仪、会聚镜和点衍射板产生不同波段的高精度球面波，实现宽谱段夏克-哈特曼波前传感器参数绝对标定的装置及方法。
技术介绍
由于夏克-哈特曼波前传感器具有如下优点：①测量系统结构和光路简单；②对光源的时间相干性要求不高；③能够在弱光下操作；④对测量环境要求不高，且在线实时测量；⑤测量动态范围大，不存在2π的不定性问题，其波面倾斜相同，不会影响测量结果。由于具有以上优点，夏克-哈特曼波前传感器主要应用于强激光参数诊断与控制、自适应光学系统中波前测量、大气湍流参数测量、人眼像差测量、光学元件和光学系统性能参数测试等领域。夏克-哈特曼波前传感器主要由微透镜阵列和CCD探测器组成，其标定主要包括：1)微透镜阵列的安装和本身的透射波前等引入的系统误差标定；2)微透镜阵列距CCD探测器靶面之间的距离定标。夏克-哈特曼波前传感器标定方法主要有两种：平面波法和球面波法。采用平面波法标定，这种方法简单，但系统误差标定时，平面波本身的像差无法扣除。同时，提供高精度的平面波需要大口径、长焦距平行光管，其造价昂贵、科研成本高。采用此方法无法实现微透镜阵列距CCD探测器靶面之间的距离定标，通常采用激光干涉仪与夏克-哈特曼波前传感器测量同一块相位板的像差分布情况，以激光干涉仪测量结果作为标准参考值，修正微透镜阵列距CCD探测器靶面之间的距离。这种方法受限于激光干涉仪的测量精度和测量环境，精度不高，且只能标定和激光干涉仪工作波段一致的夏克-哈特曼波前传感器，对于紫外和红外波段夏克-哈特曼波前传感器，这种方法无法实现。球面波法主要采用激光耦合进单模光纤产生球面波实现夏克-哈特曼波前传感器的标定。这种方法受限于光纤芯径的大小，无法产生高精度的球面波，从而造成夏克-哈特曼波前传感器的系统误差标定精度不高。同时，此方法通过更换激光器，只能在几个特征波长下对夏克-哈特曼波前传感器的标定，其无法实现连续光谱标定。对于深紫外波段的夏克-哈特曼波前传感器需要更高精度的球面波进行标定，单模光纤芯径的大小无法满足要求，利用小孔产生球面波，对小孔的大小有严格的要求，通常在纳米量级，这将造成球面波能量损失严重，夏克-哈特曼波前传感器无法响应。标定夏克-哈特曼波前传感器计算算法方面，AlexanderChernyshov等(具体请查阅参考文献AlexanderChernyshov，UweSterr，FritzRiehle，JürgenHelmcke，andJohannesPfund.CalibrationofaShack-Hartmannsensorforabsolutemeasurementsofwavefronts.AppliedOptics.2005，44(30)，6419～6425)，通过拟合二项式Δρ得到夏克-哈特曼传感器的物理参数。Δρ反映了待测球面波真实曲率和传感器测量得到的曲率之间的差别。由于夏克-哈特曼传感器本身特点，使得待测球面波真实的曲率半径很难精确测量，这种做法显然不合理。杨金生等人提出了一种夏克-哈特曼传感器物理参数标定方法(专利号：200910091741.4一种使用球面波前标定哈特曼-夏克传感器的方法)，这种方在确定透镜阵列焦距f0和相邻子孔径间距的真实值P0的过程中存在连环嵌套的假设，即计算f0时假设P0等于P，而在计算P0时用到了上步中计算所得f0的值。同时利用球面波引入的离焦数值修正复原波前，这种处理方式值得商榷，因为不同测量口径，离焦数值不同，并且在标定参数过程中引入了一系列的数学近似。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种可实现宽谱段夏克-哈特曼波前传感器系统误差和物理参数的绝对标定以及可提高系统标定精度的宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置及方法。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术提供了一种宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置，其特殊之处在于：所述宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置包括会聚镜、点衍射板、锥孔板、高精度平移台、采集与控制计算机、光轴定位模块以及可输出不同波长单色光的单色仪；所述单色仪可输出不同波长的单色光，其波段覆盖范围从紫外到红外；所述锥孔板可拆卸的固定在待标定的夏克-哈特曼波前传感器的前端；所述锥孔板的锥孔中心与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的靶面中心重合；待标定的夏克-哈特曼波前传感器固定在高精度平移台上；所述采集与控制计算机分别与待标定的夏克-哈特曼波前传感器以及高精度平移台相连；所述会聚镜设置在单色仪的出射光路上；所述会聚镜、点衍射板以及锥孔板依次处于同一光轴上；所述光轴定位模块置于点衍射板与锥孔板之间。上述点衍射板是可见光和红外波段点衍射板或紫外波段点衍射板；所述点衍射板是可见光和红外波段点衍射板时，所述点衍射板上设置有从1μm～10μm不等尺寸的针孔；每种尺寸的针孔至少包括3个；相邻针孔的孔间距大于1mm；所述点衍射板是紫外波段点衍射板时，所述点衍射板上设置有纳米量级的针孔，针孔规则排列组成针孔阵列；相邻针孔的间距由范西特-泽尼克定理决定；针孔阵列区域大小通过标量衍射理论计算理想点光源发出的球面经待标定夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列形成衍射光斑的大小来决定。上述点衍射板置于会聚镜的焦点处。上述光轴定位模块包括He-Ne激光器、分光镜以及平面镜；所述分光镜以及平面镜依次设置在He-Ne激光器的出射光路上；分光镜将He-Ne激光器出射的激光分为反射光以及透射光；反射光入射至点衍射板上；透射光入射至平面镜后依次经平面镜反射以及分光镜反射后入射至锥孔板上。一种基于如前所述的宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置的标定方法，其特殊之处在于：所述标定方法包括以下步骤：1)利用单色仪、会聚镜和点衍射板产生与理想球面波偏差RMS优于10-4λ的高精度球面波；2)通过光轴定位模块完成球面波与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的对准；3)移动待标定的夏克-哈特曼波前传感器，采集不同位置处被待标定的夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列分割的光斑阵列图像，通过标定算法实现夏克-哈特曼波前传感器的绝对标定。上述步骤1)的具体实现方式是：1.1)根据待标定夏克-哈特曼波前的工作波长不同选择适合的点衍射板，将点衍射板放置于会聚镜的焦点处；1.2)设置单色仪，使单色仪输出与待标定的夏克-哈特曼波前传感器工作波段一致的单色光；1.3)单色仪输出单色光经会聚镜聚焦后入射至点衍射板上，产生与理想球面波偏差RMS优于10-4λ的高精度球面波。上述步骤2)的具体实现方式是：2.1)将光轴定位模块放置于点衍射板与定位基准结构之间；2.2)打开He-Ne激光器输出准直激光经分光镜后分别形成反射光以及透射光；反射光入射至点衍射板上，透射光经平面镜反射以及分光镜再反射后入射至锥孔板上；调节光轴定位模块使入射至点衍射板上的光斑与点衍射板的针孔重合；2.3)调节待标定的夏克-哈特曼波前传感器的位置和姿态，使入射至锥孔板上的激光束穿过锥孔板上的锥孔，并与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的靶面中心重合，从而完成球面波与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的对准。上述步骤3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽谱段夏克‑哈特曼波前传感器绝对标定装置，其特征在于：所述宽谱段夏克‑哈特曼波前传感器绝对标定装置包括会聚镜、点衍射板、锥孔板、高精度平移台、采集与控制计算机、光轴定位模块以及可输出不同波长单色光的单色仪；所述锥孔板可拆卸的固定在待标定的夏克‑哈特曼波前传感器的前端；所述锥孔板的锥孔中心与待标定的夏克‑哈特曼波前传感器的靶面中心重合；待标定的夏克‑哈特曼波前传感器固定在高精度平移台上；所述采集与控制计算机分别与待标定的夏克‑哈特曼波前传感器以及高精度平移台相连；所述会聚镜设置在单色仪的出射光路上；所述会聚镜、点衍射板以及锥孔板依次处于同一光轴上；所述光轴定位模块置于点衍射板与锥孔板之间。

【技术特征摘要】
1.一种宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置，其特征在于：所述宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置包括会聚镜、点衍射板、锥孔板、高精度平移台、采集与控制计算机、光轴定位模块以及可输出不同波长单色光的单色仪；所述锥孔板可拆卸的固定在待标定的夏克-哈特曼波前传感器的前端；所述锥孔板的锥孔中心与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的靶面中心重合；待标定的夏克-哈特曼波前传感器固定在高精度平移台上；所述采集与控制计算机分别与待标定的夏克-哈特曼波前传感器以及高精度平移台相连；所述会聚镜设置在单色仪的出射光路上；所述会聚镜、点衍射板以及锥孔板依次处于同一光轴上；所述光轴定位模块置于点衍射板与锥孔板之间。2.根据权利要求1所述的宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置，其特征在于：所述点衍射板是可见光和红外波段点衍射板或紫外波段点衍射板；所述点衍射板是可见光和红外波段点衍射板时，所述点衍射板上设置有从1μm～10μm不等尺寸的针孔；每种尺寸的针孔至少包括3个；相邻针孔的孔间距大于1mm；所述点衍射板是紫外波段点衍射板时，所述点衍射板上设置有纳米量级的针孔，针孔规则排列组成针孔阵列；相邻针孔的间距由范西特-泽尼克定理决定；针孔阵列区域大小通过标量衍射理论计算理想点光源发出的球面经待标定夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列形成衍射光斑的大小来决定。3.根据权利要求2所述的宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置，其特征在于：所述点衍射板置于会聚镜的焦点处。4.根据权利要求1或2或3所述的宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置，其特征在于：所述光轴定位模块包括He-Ne激光器、分光镜以及平面镜；所述分光镜以及平面镜依次设置在He-Ne激光器的出射光路上；分光镜将He-Ne激光器出射的激光分为反射光以及透射光；反射光入射至点衍射板上；透射光入射至平面镜后依次经平面镜反射以及分光镜反射后入射至锥孔板上。5.一种基于如权利要求4所述的宽谱段夏克-哈特曼波前传感器绝对标定装置的标定方法，其特征在于：所述标定方法包括以下步骤：1)利用单色仪、会聚镜和点衍射板产生与理想球面波偏差RMS优于10-4λ的高精度球面波；2)通过光轴定位模块完成球面波与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的对准；3)移动待标定的夏克-哈特曼波前传感器，采集不同位置处被待标定的夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列分割的光斑阵列图像，通过标定算法实现夏克-哈特曼波前传感器的绝对标定。6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：1.1)根据待标定夏克-哈特曼波前的工作波长不同选择适合的点衍射板，将点衍射板放置于会聚镜的焦点处；1.2)设置单色仪，使单色仪输出与待标定的夏克-哈特曼波前传感器工作波段一致的单色光；1.3)单色仪输出单色光经会聚镜聚焦后入射至点衍射板上，产生与理想球面波偏差RMS优于10-4λ的高精度球面波。7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：2.1)将光轴定位模块放置于点衍射板与定位基准结构之间；2.2)打开He-Ne激光器输出准直激光经分光镜后分别形成反射光以及透射光；反射光入射至点衍射板上，透射光经平面镜反射以及分光镜再反射后入射至锥孔板上；调节光轴定位模块使入射至点衍射板上的光斑与点衍射板的针孔重合；2.3)调节待标定的夏克-哈特曼波前传感器的位置和姿态，使入射至锥孔板上的激光束穿过锥孔板上的锥孔，并与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的靶面中心重合，从而完成球面波与待标定的夏克-哈特曼波前传感器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：段亚轩，陈永权，田留德，龙江波，赵建科，李坤，张昊苏，赵怀学，谢来运，潘亮，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61