專利名稱：基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及到分光鏡像差的實時測量領域，特指一種基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)。
背景技術：
“分光鏡”是一種能夠簡化光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、增強系統(tǒng)抗干擾能力和便于系統(tǒng)波前像差探測的重要光學器件。分光鏡像差，包括自身靜態(tài)像差和在入射光作用下產(chǎn)生的動態(tài)像差，會在分光后的反射和透射波前中附加不同的相位畸變，使各子光束波前相位獨立發(fā)生變化而不再具有可比性。在高能激光系統(tǒng)中，分光鏡像差的影響尤為嚴重。因為高能激光系統(tǒng)是依據(jù)分光鏡透射出來的弱光波前來評價強光光路中高功率激光光束質(zhì)量的，而分光鏡像差的存在會導致系統(tǒng)波前像差檢測結(jié)果失真。由于分光鏡薄膜及鏡體材料對激光的吸 收問題仍然難以解決，熱致畸變導致的動態(tài)像差始終存在，因此分光鏡像差、特別是熱致動態(tài)像差的實時測量技術就尤為重要，準確獲取像差信息才能設法消除其影響。目前，分光鏡像差的測量技術主要有光熱偏轉(zhuǎn)技術、表面熱透鏡技術和哈特曼波前探測技術。光熱偏轉(zhuǎn)技術是上世紀八十年代提出的一種熱波探測技術，可用于測量分光鏡的反射或者透射像差，具有靈敏度高、實驗裝置簡單和非接觸測量等優(yōu)勢[W. B. Jackson, N. M. Amer, A. C. Boccara and D. Fournier, “Photothermal deflectionspectroscopy and detection”，Applied Optics, 20 (8)，1333-1344 (1981)]。但是,這種技術是通過探測光束的偏轉(zhuǎn)量來分析測量點熱致像差的，所以只能測量變形區(qū)域中某一點的像差信息，不能反映全貌。表面熱透鏡技術是對光熱偏轉(zhuǎn)技術的改進，使用大光斑探測，通過熱致畸變對探測光束的熱聚焦效應分析像差大小[范樹海，賀洪波，范正修等，“表面熱透鏡技術應用于薄膜微弱吸收測量的理論和實驗”，物理學報，30 (12) ,34-93(2005)]。這種技術只適合于空間低頻緩變面形的檢測，對于高頻局部形變測量誤差較大。哈特曼波前探測技術也是一種非接觸測量技術，使用大光斑探測分光鏡受熱表面并通過子孔徑劃分的方式獲取探測光在每一個子區(qū)域內(nèi)的偏轉(zhuǎn)量，再通過波前復原算法得到整個探測區(qū)域內(nèi)的波前像差。這種技術具有精度高、速度快、實時性好、探測光束口徑可調(diào)等優(yōu)勢，2005年在國內(nèi)被首次應用于分光鏡熱致動態(tài)像差探測[齊文宗，黃偉，張彬等，“DF強激光反射鏡熱畸變的檢測及熱吸收的有限元分析”，《中國激光》，3 (5)，379-383 (2005)]。但是，根據(jù)目前公開技術資料，采用哈特曼探測器在單次測量中只能獲取分光鏡反射或透射像差中的一種，而要兩者兼得必須采用分次測量的方式，這將導致兩個問題①分光鏡動態(tài)熱致像差具有時空變化特性，分次測量使得透/反波前像差的時間和空間對應性都較差，給消除分光鏡像差的影響帶來困難；②高能激光器運轉(zhuǎn)功耗較大，分次測量增加了檢測成本和復雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題就在于針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作簡便、能夠提高高能激光分光鏡膜系的測量分辨率和實時性的基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案一種基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，它包括第一哈特曼探測器、第二哈特曼探測器、高能激光器、離軸聚焦反射鏡、功率計、同步控制器和計算機，所述第一哈特曼探測器和第二哈特曼探測器呈對稱狀布置于待測分光鏡的兩側(cè)，所述高能激光器發(fā)出的高功率激光入射至待測分光鏡前表面后，一部分光能量被待測分光鏡反射至離軸聚焦反射鏡，然后被功率計接收；所述同步控制器發(fā)出同步觸發(fā)信號控制高能激光器開啟、第一哈特曼探測器和第二哈特曼探測器進行采集；所述第一哈特曼探測器和第二哈特曼探測器測得的子孔徑偏移量數(shù)據(jù)被實時傳送給計算機，通過所述計算機分析得到待測分光鏡的反射像差物和透射像差《Pr隨高能激光功率和輻照時間的變化特性。作為本發(fā)明的進一步改進所述高能激光器發(fā)出的高功率激光以25°角入射至待測分光鏡的前表面。 所述第一哈特曼探測器的標定流程為所述第一哈特曼探測器利用內(nèi)部配備的激光器發(fā)出與接收系統(tǒng)共光路的準直探測光束，將一標準平面反射鏡放置于第一哈特曼探測器的前方，調(diào)整標準平面反射鏡的角度和位置，使探測光束經(jīng)標準平面反射鏡反射后被第一哈特曼探測器自身接收；調(diào)整探測光的強度和第一哈特曼探測器內(nèi)部的可調(diào)節(jié)中性濾光片，使第一哈特曼探測器各子孔徑內(nèi)光斑均可見且曝光適度，運行標定程序確定哈特曼測量零點。所述第二哈特曼探測器的標定流程為將所述第一哈特曼探測器發(fā)出的準直探測光束作為標定光，所述第二哈特曼探測器采用接收外部信號光方式工作，通過粗精對準功能調(diào)整自身光瞳及光軸位置，使第一哈特曼探測器的探測光束進入第二哈特曼探測器的各子孔徑視場，并調(diào)節(jié)光強衰減使光斑曝光適度，運行標定程序確定第二哈特曼探測器的測
量零點。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明采用兩臺哈特曼探測器協(xié)同探測，可同時獲得分光鏡的透射和反射像差隨著激光輻照功率和輻照時間的變化特性?？朔爽F(xiàn)有技術中分光鏡透/反像差必須分次測量、時間和空間對應性差、測量成本高的缺點。本發(fā)明中反射像差數(shù)據(jù)可用于分光鏡薄膜吸收特性分析，透/反波前的實時相位差可為高能激光系統(tǒng)中消除分光鏡影響提供重要依據(jù)。本發(fā)明還可應用于其他透明介質(zhì)的動態(tài)像差檢測，如板條激光器增益介質(zhì)的熱致像差測量等。


圖I是本發(fā)明中基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中第一哈特曼探測器標定方法的示意圖。圖3是本發(fā)明中第二哈特曼探測器標定方法的示意圖。圖4是本發(fā)明在使用時標定的流程示意圖。圖5是本發(fā)明中分光鏡表面激光輻照區(qū)域與探測區(qū)域空間對應關系的示意圖。圖6是通過本發(fā)明測量系統(tǒng)測量得到的分光鏡反射像差的示意圖。圖7是通過本發(fā)明測量系統(tǒng)測量得到的分光鏡反射像差峰谷值隨激光輻照時間的變化曲線示意圖。圖8是通過本發(fā)明測量系統(tǒng)測量得到的分光鏡透射像差的示意圖。圖9是通過本發(fā)明測量系統(tǒng)測量得到的分光鏡透射像差峰谷值隨激光輻照時間的變化曲線示意圖。圖例說明I、第一哈特曼探測器；2、第二哈特曼探測器；3、高能激光器；4、待測分光鏡；5、離軸聚焦反射鏡；6、功率計；7、同步控制器；8、計算機；9、標準平面反射鏡。
具體實施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明?！?br> 如圖I所示，本發(fā)明為一種基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，它包括第一哈特曼探測器I、第二哈特曼探測器2、高能激光器3、離軸聚焦反射鏡5、功率計6、同步控制器7和計算機8，第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2呈對稱狀布置于待測分光鏡4的兩側(cè)，高能激光器3發(fā)出的高功率激光以25°角入射至待測分光鏡4前表面后，一部分光能量被待測分光鏡4反射至離軸聚焦反射鏡5，然后被功率計6接收。同步控制器7發(fā)出同步觸發(fā)信號，控制高能激光器3開啟、第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2進行采集。通過第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2測得的子孔徑偏移量數(shù)據(jù)被實時傳送給計算機8。計算機8將根據(jù)哈特曼波前復原算法，通過分析得到分光鏡反射像差御和透射像差件隨高能激光功率和輻照時間的變化特性。其中，第一哈特曼探測器I位于待測分光鏡4的前方并采用自準直工作模式，內(nèi)部配備獨立激光光源，發(fā)出與接收系統(tǒng)共光路的探測光束，采用自準直測量標準平面鏡的方式標定子孔徑光斑零點位置。第二哈特曼探測器2位于待測分光鏡4的后方并采用接收外來信號光工作模式。在未放入待測分光鏡4的情況下，通過直接接收第一哈特曼探測器I的探測光束標定子孔徑光斑零點位置。第一哈特曼探測器I發(fā)出的探測光束覆蓋分光鏡表面激光輻照區(qū)域，探測光強均勻，使探測光經(jīng)待測分光鏡4分光后的反射光束強度不低于自身探測器的光強響應下限，透射光束強度不低于第二哈特曼探測器2的光強響應下限。同步控制器7用來控制高能激光器3啟動和兩臺哈特曼探測器開始采集，根據(jù)功率計6監(jiān)測的高能激光功率以及兩臺哈特曼探測器測量得到的波前像差結(jié)果，分析計算待測分光鏡4的分光鏡像差隨著激光輻照強度和輻照時間的變化特性。第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2的系統(tǒng)工作波長相同，但是子孔徑規(guī)?？梢圆煌Ｔ谄渌麑嵤├?，兩臺哈特曼探測器可以更換為其他波前探測器件，如曲率傳感器、剪切干涉儀和點衍射干涉儀等等，其中放于第一哈特曼探測器I位置的探測器需具有自準直測量功能。在具體應用實例中，第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2可以采用中科院光電技術研究所研制的哈特曼探測器，如型號為HS-KD-01、HS-KD-02。高能激光器3可以采用Corelase公司的O-Iase高能激光器。功率計6可以采用以色列OPHIR公司的大功率熱電堆探頭。在本發(fā)明中，為了在測量結(jié)果中包含待測分光鏡4的靜態(tài)像差，第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2需要分別采用不同的標定方法確定子孔徑光斑的零點位置。
如圖2所示，為第一哈特曼探測器I的標定方法。第一哈特曼探測器I利用內(nèi)部配備的激光器發(fā)出與接收系統(tǒng)共光路的準直探測光束，經(jīng)檢測面形平整度良好(畸變峰谷值< O. 5 λ，畸變均方差< O. I λ )的標準平面反射鏡9被放置于第一哈特曼探測器I的前方，調(diào)整標準平面反射鏡9的角度和位置，根據(jù)常規(guī)的哈特曼對準方法，使探測光束經(jīng)標準平面反射鏡9反射后被第一哈特曼探測器I自身接收。調(diào)整探測光的強度和探測器內(nèi)部的可調(diào)節(jié)中性濾光片，使第一哈特曼探測器I各子孔徑內(nèi)光斑均可見且曝光適度，運行標定程序確定哈特曼測量零點。如圖3所示，為第二哈特曼探測器2的標定方式。將第一哈特曼探測器I發(fā)出的準直探測光束作為標定光，第二哈特曼探測器2采用接收外部信號光方式工作，通過粗精對準功能調(diào)整自身光瞳及光軸位置，使第一哈特曼探測器I的探測光束進入第二哈特曼探測器2各子孔徑視場，并調(diào)節(jié)光強衰減使光斑曝光適度，運行標定程序確定第二哈特曼探測器2的測量零點。需要注意的是，由于哈特曼探測器的測量精度與標定方式關系很大，所以光路的 調(diào)整和哈特曼探測器的標定順序非常重要。可以先按照圖I所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖完成整個光路的調(diào)整，確定好光路中各個光學器件的相對位置。再將待測分光鏡4替換成標準平面反射鏡9 (如果二者的外形尺寸基本相當，最好保持鏡架固定不動，只更換鏡片)，標定第一哈特曼探測器I。然后，將標準平面反射鏡9取出，使第一哈特曼探測器I發(fā)出的探測光束直接進入第二哈特曼探測器2，并完成第二哈特曼探測器2的標定。最后將待測分光鏡4放入原來位置，準備開始分光鏡熱畸變測量工作，具體操作流程如圖4所示。本實施例中，進行系統(tǒng)光路調(diào)整的關鍵在于確定聞能激光光束和探測光束在待測分光鏡4前表面上的光斑相對位置。如圖5所示，當高能激光器3的激光輸出窗口為圓形時，高能激光在待測分光鏡4前表面的輻照區(qū)域為橢圓形，如標注I所示。該橢圓短軸長度為rl，長軸長度為r2，該橢圓的外接圓如區(qū)域II所標識，區(qū)域III代表待測分光鏡4的外緣，半徑為r3。這樣，第一哈特曼探測器I發(fā)出的圓形探測光束半徑需e [r2，r3]，才能保證熱畸變測量范圍完整。本實施例中，同步控制器7兼有同步觸發(fā)功能和計時功能。在實驗開始后，同步控制器7發(fā)出觸發(fā)信號，控制高能激光器3啟動，并控制第一哈特曼探測器I和第二哈特曼探測器2同時開始數(shù)據(jù)采集。哈特曼探測器采集得到的原始光斑點陣圖像被實時傳輸給計算機8，通過計算機8運行波前復原算法，最終得到待測分光鏡4的反射像差物和透射像差爐r。哈特曼波前復原算法主要分為區(qū)域法和模式法。區(qū)域法是利用子孔徑相鄰位置的測量數(shù)據(jù)估計中心點相位，適用于任意形狀口徑的波前重構(gòu)；模式法將全孔徑的波前相位展成一組基函數(shù)模式的線性組合，用全孔徑的測量數(shù)據(jù)計算各模式系數(shù)，得到完整的波前展開式，從而求得波前相位。在本發(fā)明中，分光鏡熱畸變屬于緩變低階像差，因此適合采用復原算法中的模式法。在復原算法中的模式法中，由于Zernike多項式在圓域彼此正交，且其低階模式與光學設計中的Seidel像差(如離焦、象散、彗差等)相對應，在測量光學系統(tǒng)中加工、裝調(diào)引入的面形像差時，可以直觀地進行像差分析，成為最為常用的基函數(shù)。在圓域，設入射光束波前像差祝U)用Zernike模式函數(shù)系列Zk(x，y)展開表示
權(quán)利要求
1.一種基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，其特征在于它包括第一哈特曼探測器(I)、第二哈特曼探測器(2)、高能激光器(3)、離軸聚焦反射鏡(5)、功率計(6)、同步控制器(7)和計算機(8)，所述第一哈特曼探測器(I)和第二哈特曼探測器(2)呈對稱狀布置于待測分光鏡(4)的兩側(cè)，所述高能激光器(3)發(fā)出的高功率激光入射至待測分光鏡(4)前表面后，一部分光能量被待測分光鏡(4)反射至離軸聚焦反射鏡(5)，然后被功率計(6)接收；所述同步控制器(7)發(fā)出同步觸發(fā)信號控制高能激光器(3)開啟、第一哈特曼探測器(1)和第二哈特曼探測器(2)進行采集；所述第一哈特曼探測器(I)和第二哈特曼探測器(2)測得的子孔徑偏移量數(shù)據(jù)被實時傳送給計算機(8)，通過所述計算機(8)分析得到待測分光鏡(4)的反射像差物和透射像差卿隨高能激光功率和輻照時間的變化特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，其特征在于所述高能激光器(3)發(fā)出的高功率激光以25。角入射至待測分光鏡(4)的前表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一哈特曼探測器(I)的標定流程為所述第一哈特曼探測器(I)利用內(nèi)部配備的激光器發(fā)出與接收系統(tǒng)共光路的準直探測光束，將一標準平面反射鏡(9)放置于第一哈特曼探測器(I)的前方，調(diào)整標準平面反射鏡(9)的角度和位置，使探測光束經(jīng)標準平面反射鏡(9)反射后被第一哈特曼探測器(I)自身接收；調(diào)整探測光的強度和第一哈特曼探測器(I)內(nèi)部的可調(diào)節(jié)中性濾光片，使第一哈特曼探測器(I)各子孔徑內(nèi)光斑均可見且曝光適度，運行標定程序確定哈特曼測量零點。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二哈特曼探測器(2)的標定流程為將所述第一哈特曼探測器(I)發(fā)出的準直探測光束作為標定光，所述第二哈特曼探測器(2)采用接收外部信號光方式工作，通過粗精對準功能調(diào)整自身光瞳及光軸位置，使第一哈特曼探測器(I)的探測光束進入第二哈特曼探測器(2)的各子孔徑視場，并調(diào)節(jié)光強衰減使光斑曝光適度，運行標定程序確定第二哈特曼探測器(2)的測量零點。
全文摘要
一種基于雙哈特曼探測器的分光鏡像差測量系統(tǒng)，它的第一哈特曼探測器和第二哈特曼探測器呈對稱狀布置于待測分光鏡的兩側(cè)，高能激光器發(fā)出的高功率激光入射至待測分光鏡前表面后，一部分光能量被待測分光鏡反射至離軸聚焦反射鏡，然后被功率計接收；同步控制器發(fā)出同步觸發(fā)信號控制高能激光器開啟、第一哈特曼探測器和第二哈特曼探測器進行采集；第一哈特曼探測器和第二哈特曼探測器測得的子孔徑偏移量數(shù)據(jù)被實時傳送給計算機，通過計算機分析得到待測分光鏡的反射像差和透射像差隨高能激光功率和輻照時間的變化特性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作簡便、能夠提高高能激光分光鏡膜系的測量分辨率和實時性等優(yōu)點。
文檔編號G01M11/02GK102937512SQ201210417650
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者寧禹, 許曉軍, 張烜喆, 楊軼, 習鋒杰, 齊恩宇, 陸啟生, 劉澤金 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學