一种哈特曼波前传感器标定装置及方法制造方法及图纸

为了提升现有的哈特曼波前传感器的测量精度，本发明专利技术提供了一种哈特曼波前传感器标定装置及方法。本发明专利技术使用哈特曼波前传感器测量大小已知的光波面，根据探测器采集到的光斑图的分布情况，标定出微透镜阵列与探测器靶面之间的位置关系以及微透镜的各参数。为进一步提高波前测试精度，在完成哈特曼波前传感器参数标定后，使用平面波标定哈特曼波前传感器，计算光斑图从而得出本底坐标。本发明专利技术标定装置结构简单，成本低廉，标定精度高，标定方法易于实现，可进行推广使用。可进行推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种哈特曼波前传感器标定装置及方法


[0001]本专利技术属于光学检测领域，涉及一种哈特曼波前传感器标定装置及方法。

技术介绍

[0002]现有的科学研究项目，如深空探测、激光可控核聚变、光刻机等无不对光学系统的分辨率和成像质量提出了更高的要求，而光学系统的波前是评价系统性能非常关键的一项物理量。干涉仪尤其是激光干涉仪是常用的波前检测设备，被广泛的应用于光学系统的装配生产中，然而，由于干涉仪对于气流扰动，环境温度变化比较敏感，使得干涉仪必须在一定的环境下使用，此外，经常性的系统校准，有时也需要波前传感器在线使用，这也使得干涉仪在某些方面的应用受到了限制。
[0003]1990年德国人哈特曼提出了根据几何光学的原理来检测系统波前和镜面面形的方法，被测光束通过哈特曼光阑后被分割成小口径的光束，通过求取这些光束的中心坐标，根据简单的几何关系便可以得出波前。1971年，夏克将光阑置换成了透镜，这样增大了光能利用率，同时光斑中心计算精度也有所提高。根据这种结构制成的波前传感器在光学系统装调和检测过程中发挥着无可替代的作用。
[0004]在哈特曼波前传感器中，高精度的子孔径光斑质心提取精度是保证高精度波前探测的前提，除了在质心提取算法上面进行优化外，可以在物理结构上做一定的处理，一种简单的方法是在微透镜与探测器之间引入离焦，这样就增加了每个子孔径光斑所占的像元个数，从而提高了质心提取精度。在这种条件下，微透镜阵列到探测器靶面之间的距离不再等于微透镜的焦距，而且，当微透镜与探测器靶面之间存在倾斜等调整误差时，各个微透镜距离靶面之间的距离都不相等，为满足高精度的要求，需要一种方法来精确标定这一距离。另外一方面，各个微透镜的尺寸与标称值之间也会存在一定的差异，高精度的标定及相应的波前恢复算法的实现也能提升哈特曼波前传感器的测量精度。

技术实现思路

[0005]为了提升现有的哈特曼波前传感器的测量精度，本专利技术提供了一种哈特曼波前传感器标定装置及方法。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]该哈特曼波前传感器标定方法包括以下步骤：
[0008]1】获取标定用球面波的球心与微透镜阵列之间的距离R0[0009]1.1】光源发射出光束，光束经第一针孔后以第一针孔为球心形成球面波，球面波经微透镜阵列传递至哈特曼波前传感器，并在哈特曼波前传感器上形成光斑；
[0010]测量第一针孔与哈特曼波前传感器之间的直线距离，以该直线距离参数计算球面波曲率；根据哈特曼波前传感器上形成光斑，再次计算球面波曲率；获取该位置处两个球面波曲率之间的差值；
[0011]1.2】水平移动第一针孔，变化第一针孔与微透镜阵列之间的直线距离，重复步骤
1.1】，获取多个不同位置处的球面波曲率之间的差值；
[0012]1.3】利用步骤1.1】、步骤1.2】获取的多组值，使用最小二乘拟合计算，标定球面波的球心与微透镜阵列之间的距离R0，即完成球面波纵向标定；
[0013]2】获取微透镜阵列中各微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离
[0014]2.1】光源发射出光束，光束经第一针孔后以第一针孔为球心形成球面波，球面波经微透镜阵列传递至哈特曼波前传感器，并在哈特曼波前传感器上形成光斑；
[0015]2.2】选择微透镜阵列中的一个微透镜，并获取该微透镜在哈特曼波前传感器上形成光斑的质心位置；
[0016]2.3】垂直移动第一针孔，记录第一针孔的移动距离和步骤2.2】中质心对应的移动距离；
[0017]2.4】将步骤2.3】的移动进行回位，回至步骤2.2】中的初始位置后，再水平移动第一针孔，记录第一针孔的移动距离和步骤2.3】中质心对应的移动距离；结合水平移动及垂直移动获取该微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离；
[0018]2.5】重复步骤2.2】至2.4】完成剩余所有微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离的获取；
[0019]3】标定微透镜阵列中各微透镜阵列的尺寸
[0020]根据步骤1】和步骤2】获取的参数，完成微透镜阵列参数的标定。
[0021]进一步地，所述步骤3】完成后，进行步骤4】哈特曼波前传感器本底坐标的标定：
[0022]4.1】光源发射出光束，光束经反射式平行光管后，再经第二针孔传递至哈特曼波前传感器，并在哈特曼波前传感器上形成光斑；
[0023]4.2】获取步骤1】中形成光斑的质心，调整哈特曼波前传感器的俯仰、方位姿态使得光斑质心和哈特曼波前传感器的中心位置重合，即使得准哈特曼波前传感器和反射式平行光管的光轴对准；
[0024]4.3】去除第二针孔，调整光源的强度或调整哈特曼波前传感器3的曝光时间、增益大小，使得哈特曼波前传感器采集到的光斑图的最大灰度不饱和，此时采集图像，求取光斑质心，从而完成本底坐标的标定。
[0025]进一步地，所述步骤1.1】中，测量第一针孔与哈特曼波前传感器固定位置处之间的直线距离R
ref
，以该直线距离参数计算球面波曲率具体是：
[0026]ρ
ref
＝1/R
ref
[0027]根据哈特曼波前传感器上形成光斑，再次计算球面波曲率：
[0028][0029]其中，N为光斑像素个数，S为是探测器像素尺寸的预估值，f为哈特曼波前传感器微透镜阵列的之间距离预估值,P为微透镜尺寸大小的预估值；
[0030]根据下述公式获取δρ
′
：
[0031]δρ
′
＝ρ
measure
‑
ρ
ref
。
[0032]进一步地，利用步骤1.1】的方法，计算不同位置处的δρ
′
，获取多组δρ
′
后，将多组δρ
′
带入下式中计算得出多组δR：
[0033][0034]设S＝S0+δS,P＝P0+δP,f＝f0+δf，S0、P0、f0分别为哈特曼波前传感器像素尺寸预估的真实值、微透镜尺寸大小预估的真实值、微透镜阵列的之间距离预估的真实值；S、P、f为哈特曼波前传感器对应的测量值；δS、δP、δf为真实值与测量值之间的差值；
[0035]对获取的多组δR使用最小二乘拟合计算得出真实的δR，再根据：
[0036]R0＝R
ref
‑
δR
[0037]获取球面波中心到微透镜阵列平面之间的距离R0。
[0038]进一步地，所述步骤2.4】结合水平移动及垂直移动获取该微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离具体是：
[0039]垂直方向移动应满足：
[0040][0041]水平方向移动应满足：
[0042]f
x
＝R0h
x
/H
[0043]其中，h
y
为垂直方向质心位置移动量，h
x
为垂直方向质心位置移动量，H为第一针孔位置移动量，R0为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种哈特曼波前传感器标定方法，其特征在于，包括以下步骤：1】获取标定用球面波的球心与微透镜阵列之间的距离R01.1】光源发射出光束，光束经第一针孔后以第一针孔为球心形成球面波，球面波经微透镜阵列传递至哈特曼波前传感器，并在哈特曼波前传感器上形成光斑；测量第一针孔与哈特曼波前传感器之间的直线距离，以该直线距离参数计算球面波曲率；根据哈特曼波前传感器上形成光斑，再次计算球面波曲率；获取该位置处两个球面波曲率之间的差值；1.2】水平移动第一针孔，变化第一针孔与微透镜阵列之间的直线距离，重复步骤1.1】，获取多个不同位置处的球面波曲率之间的差值；1.3】利用步骤1.1】、步骤1.2】获取的多组值，使用最小二乘拟合计算，标定球面波的球心与微透镜阵列之间的距离R0，即完成球面波纵向标定；2】获取微透镜阵列中各微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离2.1】光源发射出光束，光束经第一针孔后以第一针孔为球心形成球面波，球面波经微透镜阵列传递至哈特曼波前传感器，并在哈特曼波前传感器上形成光斑；2.2】选择微透镜阵列中的一个微透镜，并获取该微透镜在哈特曼波前传感器上形成光斑的质心位置；2.3】垂直移动第一针孔，记录第一针孔的移动距离和步骤2.2】中质心对应的移动距离；2.4】将步骤2.3】的移动进行回位，回至步骤2.2】中的初始位置后，再水平移动第一针孔，记录第一针孔的移动距离和步骤2.3】中质心对应的移动距离；结合水平移动及垂直移动获取该微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离；2.5】重复步骤2.2】至2.4】完成剩余所有微透镜与哈特曼波前传感器之间的距离的获取；3】标定微透镜阵列中各微透镜阵列的尺寸根据步骤1】和步骤2】获取的参数，完成微透镜阵列参数的标定。2.根据权利要求1所述的哈特曼波前传感器标定方法，其特征在于：所述步骤3】完成后，进行步骤4】哈特曼波前传感器本底坐标的标定：4.1】光源发射出光束，光束经反射式平行光管后，再经第二针孔传递至哈特曼波前传感器，并在哈特曼波前传感器上形成光斑；4.2】获取步骤1】中形成光斑的质心，调整哈特曼波前传感器的俯仰、方位姿态使得光斑质心和哈特曼波前传感器的中心位置重合，即使得准哈特曼波前传感器和反射式平行光管的光轴对准；4.3】去除第二针孔，调整光源的强度或调整哈特曼波前传感器3的曝光时间、增益大小，使得哈特曼波前传感器采集到的光斑图的最大灰度不饱和，此时采集图像，求取光斑质心，从而完成本底坐标的标定。3.根据权利要求1或2所述的哈特曼波前传感器标定方法，其特征在于：所述步骤1.1】中，测量第一针孔与哈特曼波前传感器固定位置处之间的直线距离R
ref
，以该直线距离参数计算球面波曲率具体是：ρ
ref
＝1/R
ref
根据哈特...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂可伟，赵建科，王涛，周艳，李晶，刘尚阔，薛勋，王争锋，
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：