波前传感器制造技术

本发明专利技术公开的用于自适应光学系统的波前传感器，由包含多个子棱镜（即光楔或楔板，下同）的集成式微棱镜阵列构成的孔径分割元件、聚焦透镜和ＣＣＤ探测器组成；或者由微棱镜阵列和聚焦透镜集成于同一光学基板构成集成式孔径分割－聚焦元件。被测入射波前通过孔径分割元件和聚焦光学元件分割会聚于ＣＣＤ探测器。集成式微棱镜阵列是一种微光学元件。本发明专利技术结构简单、稳定，精度较高，容易安装调试，适合于工业化批量生产。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种波前传感器，尤其涉及一种哈特曼波前传感器的孔径分割元件。哈特曼波前传感器基于改进的哈特曼测试法。哈特曼测试法是哈特曼1900年专利技术的用于检测天文望远镜镜面质量的方法，该方法在1900年出版的《仪器杂志》20期47页“分光镜的制作和检测评述”中公开(参考文献“Bemerkungen underden Bau und die Justirung von Spektrogaphen”Zeit.f.Instrument20，P47，1900)。哈特曼波前传感器是对哈特曼测试法进行改进的基础上发展起来的，于1971年出版的《美国光学学会杂志》61期，656页“双凸透镜式哈特曼板的制作和应用”中公开。(参考文献“production and use of alenticular Hartmann screen”J.Opt.Soc.Am 61，P656，1971)。经典哈特曼法的测量原理是在被测物镜(或反射镜)入射孔径上放置哈特曼光阑，使入射光线通过哈特曼光阑的小孔后被分为细光束，通过探测细光束形成的光斑位置信号，计算被测物镜的像差。哈特曼波前传感器则在此基础上采用孔径分割元件和聚焦光学元件分割入射波前的被测孔径，并将其聚焦到CCD探测器上，形成光斑；通过计算机对CCD探测到的光斑信号进行处理，计算光斑的重心位置，获得被测入射波前的波面误差信息。由此哈特曼波前传感器常被应用于自适应光学系统。现有的哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列作为孔径分割元件分割光束孔径，并将入射光聚焦到CCD探测器的光敏靶面，或者通过一转像系统将微透镜的焦面光斑图象成像于CCD探测器光敏靶面。这种哈特曼波前传感器在1997年《国际光学工程学会会议录》314卷，398页“用于光学检测的哈特曼波前传感器”的文章中公开，(参考文献“Hartmann Sensers for Optical Testing”SPIE Vol.314，P398，1997)。这类哈特曼传感器的缺陷在于其孔径分割元件微透镜阵列与CCD探测器的耦合技术比较复杂，微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致导致影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高，安装、调试困难，不适宜大批量制造。我们曾提出和制作过一种带有不同楔角的棱镜(本文中“棱镜”一律指光楔或楔板，下同)组成的分割镜分割光束孔径，并用物镜聚焦于CCD光敏靶面的哈特曼传感器，可以克服孔径分割元件与CCD探测器耦合的困难。这种哈特曼传感器在1995年《光电工程》22卷1期38～45页“37单元自适应光学系统”中公开(参考文献“37单元自适应光学系统”，光电工程，22卷1期38～45页，1995年)。但用单个子棱镜拼装成孔径分割元件的制造技术复杂而昂贵，也不适宜于批量生产。本专利技术的目的在于克服现有技术的不足而提供一种适宜于工业化批量生产的哈特曼波前传感器。本专利技术的目的可以通过以下措施实现哈特曼波前传感器包括孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器，聚焦光学元件聚焦透镜的焦平面与CCD探测器的光敏靶面重合；孔径分割元件是由多个子棱镜组成的一维或者二维的微棱镜阵列，棱镜是光楔或楔板，微棱镜阵列和子棱镜可根据需要制造成各种孔径的形状，子棱镜的数量只受限于制作技术，相邻子棱镜的楔角或等效楔角可以不同，入射波前经过微棱镜阵列和聚焦透镜会聚于CCD探测器的光敏靶面。本专利技术的目的也可以通过以下措施实现哈特曼波前传感器包括孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器，聚焦光学元件的焦平面与CCD探测器的光敏靶面重合；孔径分割元件和聚焦光学元件是微棱镜阵列和聚焦透镜制作于同一光学基板的集成式孔径分割-聚焦元件，光学基板的两个侧面分别是微棱镜阵列和聚焦透镜，入射波前通过集成式孔径分割-聚焦元件分割会聚于CCD探测器的光敏靶面。本专利技术的目的还可通过以下措施实现哈特曼波前传感器的孔径分割元件可以是二元菲涅尔微棱镜阵列，也可以是连续表面微棱镜阵列，还可以是梯度折射率的微棱镜阵列。本专利技术与现有技术相比有以下优点本专利技术所公开的哈特曼波前传感器，其孔径分割元件是采用微光学技术或二元光学技术制作的微光学元件一集成式微棱镜阵列，较之于用单个子棱镜拼装的孔径分割元件，具有结构简单、稳定的优点。微棱镜阵列是由多个子棱镜相邻排列组成的一维或者二维阵列。微棱镜阵列和子棱镜可以根据需要设计并制作成为各种形状，故能适应入射波前各种形状的孔径。微棱镜阵列包含的子棱镜是采用微光学技术或二元光学技术制造的微棱镜。子棱镜的楔角可以根据要求设计制作，精度较易控制，故能保证入射波前的各个子孔径焦点光斑会聚在CCD光敏靶面的所需位置。本专利技术所公开的哈特曼波前传感器，采用聚焦透镜作为聚焦元件，所有子波前通过公共的聚焦透镜会聚到CCD探测器光敏靶面，克服了现有技术中微透镜阵列的微透镜单元焦距不一致对哈特曼波前传感器精度产生的影响。本专利技术所公开的这种波前传感器避免了分别加工单个子棱镜，然后进行子棱镜拼装的复杂、繁琐、昂贵的工艺；并且制作时只要保证聚焦透镜焦面与CCD探测器光敏靶面重合，所需的自由度远少于现有技术，安装和调试比较容易，因此适合于工业化批量生产。本专利技术公开的另一技术方案由微棱镜阵列和聚焦透镜集成在一起构成的集成式孔径分割-聚焦元件和CCD探测器组成哈特曼波前传感器，不仅具有上述优点，而且省去了微棱镜阵列和聚焦透镜之间的装调机构，进一步简化了波前传感器的结构和装调工艺。 附图说明图1是本专利技术实施例一的哈特曼波前传感器的结构示意图。图2是实施例一哈特曼波前传感器的孔径分割元件的结构示意图。图3是图2的右视图。图4是本专利技术实施例二的哈特曼波前传感器的结构示意图。图5是实施例二哈特曼波前传感器的孔径分割元件的结构示意图。图6是图5的右视图。图7是实施例三的哈特曼波前传感器的结构示意图。图8是实施例三哈特曼波前传感器的孔径分割元件的结构示意图。图9是图8的左视图(示意图)。图10表示实施例三孔径分割元件的梯度折射率子棱镜的坐标。图11是实施例四的哈特曼波前传感器的结构示意图。图12是实施例四的哈特曼波前传感器的集成式孔径分割-聚焦元件结构示意图。图13是图12的左视图。图14是实施例五的哈特曼波前传感器的结构示意图。下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，本专利技术实施例一的哈特曼波前传感器，由分割入射波前的孔径分割元件、聚焦光学元件和CCD探测器3组成。孔径分割元件是采用微光学技术或二元光学技术制作的集成式二元菲涅尔微棱镜阵列1。聚焦光学元件是聚焦透镜2。所用的CCD探测器3(型号XC-77)是一种利用光电子效应、输出光电流随入射光强变化的器件。聚焦透镜2的焦面与CCD探测器3的光敏靶面4重合。被测光学系统的入射波前通过二元菲涅尔微棱镜阵列1，再经聚焦透镜2会聚于CCD探测器3的光敏靶面4。图2所示为二元菲涅尔微棱镜阵列1的结构示意图。图3是该结构示意图的右视图。如图3所示，二元菲涅尔微棱镜阵列1的形状为四边形，是由九个子棱镜5(包括子棱镜5-1、子棱镜5-2等)组成的二维阵列。光学系统的入射波前经过二元菲涅尔微棱镜阵列1时被子棱镜5分割成九个子孔径。每个子棱镜5是具有一定的楔角6的四边形微棱镜。如图2所示，相邻的子棱镜5-1的楔角6和子棱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种哈特曼波前传感器，包括孔径分割元件、聚焦光学元件和ＣＣＤ探测器（３），聚焦光学元件聚焦透镜（２）的焦平面与ＣＣＤ探测器（３）的光敏靶面（４）重合；其特征在于：孔径分割元件是由多个子棱镜（５）组成的一维或者二维的微棱镜阵列（１），棱镜是光楔或楔板，微棱镜阵列（１）和子棱镜（５）可根据需要制造成各种孔径的形状，子棱镜（５）的数量只受限于制作技术，相邻子棱镜（５）的楔角或等效楔角（６）可以不同；入射波前通过微棱镜阵列（１）和聚焦透镜（２）分割会聚于ＣＣＤ探测器（３）的光敏靶面（４）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨东，凌宁，姜文汉，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]