寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標(biāo)定裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種夏克-哈特曼波前傳感器絕對標(biāo)定裝置及方法，尤 其涉及一種利用單色儀、會聚鏡和點衍射板產(chǎn)生不同波段的高精度球面波，實現(xiàn)寬譜段夏 克-哈特曼波前傳感器參數(shù)絕對標(biāo)定的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于夏克-哈特曼波前傳感器具有如下優(yōu)點：①測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光路簡單；②對 光源的時間相干性要求不高；③能夠在弱光下操作；④對測量環(huán)境要求不高，且在線實時 測量；⑤測量動態(tài)范圍大，不存在2 31的不定性問題，其波面傾斜相同，不會影響測量結(jié)果。 由于具有以上優(yōu)點，夏克-哈特曼波前傳感器主要應(yīng)用于強激光參數(shù)診斷與控制、自適應(yīng) 光學(xué)系統(tǒng)中波前測量、大氣湍流參數(shù)測量、人眼像差測量、光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)測 試等領(lǐng)域。
[0003] 夏克-哈特曼波前傳感器主要由微透鏡陣列和C⑶探測器組成，其標(biāo)定主要包括： 1)微透鏡陣列的安裝和本身的透射波前等引入的系統(tǒng)誤差標(biāo)定；2)微透鏡陣列距CCD探測 器靶面之間的距離定標(biāo)。
[0004] 夏克-哈特曼波前傳感器標(biāo)定方法主要有兩種：平面波法和球面波法。
[0005] 采用平面波法標(biāo)定，這種方法簡單，但系統(tǒng)誤差標(biāo)定時，平面波本身的像差無法扣 除。同時，提供高精度的平面波需要大口徑、長焦距平行光管，其造價昂貴、科研成本高。采 用此方法無法實現(xiàn)微透鏡陣列距CCD探測器靶面之間的距離定標(biāo)，通常采用激光干涉儀與 夏克-哈特曼波前傳感器測量同一塊相位板的像差分布情況，以激光干涉儀測量結(jié)果作為 標(biāo)準(zhǔn)參考值，修正微透鏡陣列距CCD探測器靶面之間的距離。這種方法受限于激光干涉儀 的測量精度和測量環(huán)境，精度不高，且只能標(biāo)定和激光干涉儀工作波段一致的夏克-哈特 曼波前傳感器，對于紫外和紅外波段夏克-哈特曼波前傳感器，這種方法無法實現(xiàn)。
[0006] 球面波法主要采用激光耦合進(jìn)單模光纖產(chǎn)生球面波實現(xiàn)夏克-哈特曼波前傳感 器的標(biāo)定。這種方法受限于光纖芯徑的大小，無法產(chǎn)生高精度的球面波，從而造成夏克-哈 特曼波前傳感器的系統(tǒng)誤差標(biāo)定精度不高。同時，此方法通過更換激光器，只能在幾個特征 波長下對夏克-哈特曼波前傳感器的標(biāo)定，其無法實現(xiàn)連續(xù)光譜標(biāo)定。對于深紫外波段的 夏克-哈特曼波前傳感器需要更高精度的球面波進(jìn)行標(biāo)定，單模光纖芯徑的大小無法滿足 要求，利用小孔產(chǎn)生球面波，對小孔的大小有嚴(yán)格的要求，通常在納米量級，這將造成球面 波能量損失嚴(yán)重，夏克-哈特曼波前傳感器無法響應(yīng)。
[0007] 標(biāo)定夏克-哈特曼波前傳感器計算算法方面，Alexander Chernyshov等（具體 請查閱參考文獻(xiàn) Alexander Chernyshov，Uwe Sterr，F(xiàn)ritz Riehle，JUrgenHelmcke，and Johannes Pfund. Calibration of a Shack-Hartmann sensor for absolute measurements of wavefronts. Applied Optics. 2005,44 (30)，6419 ~6425)，通過擬合二項式 Δ p 得到 夏克-哈特曼傳感器的物理參數(shù)?！?P反映了待測球面波真實曲率和傳感器測量得到的 曲率之間的差別。由于夏克-哈特曼傳感器本身特點，使得待測球面波真實的曲率半徑很 難精確測量，這種做法顯然不合理。楊金生等人提出了一種夏克-哈特曼傳感器物理參數(shù) 標(biāo)定方法（專利號：200910091741. 4 -種使用球面波前標(biāo)定哈特曼-夏克傳感器的方法）， 這種方在確定透鏡陣列焦距f〇和相鄰子孔徑間距的真實值P 〇的過程中存在連環(huán)嵌套的假 設(shè)，即計算f〇時假設(shè)P 〇等于P，而在計算P 〇時用到了上步中計算所得f。的值。同時利用球 面波引入的離焦數(shù)值修正復(fù)原波前，這種處理方式值得商榷，因為不同測量口徑，離焦數(shù)值 不同，并且在標(biāo)定參數(shù)過程中引入了 一系列的數(shù)學(xué)近似。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種可實現(xiàn)寬譜段夏 克-哈特曼波前傳感器系統(tǒng)誤差和物理參數(shù)的絕對標(biāo)定以及可提高系統(tǒng)標(biāo)定精度的寬譜 段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標(biāo)定裝置及方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：本發(fā)明提供了一種寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕 對標(biāo)定裝置，其特殊之處在于：所述寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標(biāo)定裝置包括會 聚鏡、點衍射板、錐孔板、高精度平移臺、采集與控制計算機(jī)、光軸定位模塊以及可輸出不同 波長單色光的單色儀；所述單色儀可輸出不同波長的單色光，其波段覆蓋范圍從紫外到紅 外；所述錐孔板可拆卸的固定在待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器的前端；所述錐孔板的 錐孔中心與待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器的靶面中心重合；待標(biāo)定的夏克-哈特曼波 前傳感器固定在高精度平移臺上；所述采集與控制計算機(jī)分別與待標(biāo)定的夏克-哈特曼波 前傳感器以及高精度平移臺相連；所述會聚鏡設(shè)置在單色儀的出射光路上；所述會聚鏡、 點衍射板以及錐孔板依次處于同一光軸上；所述光軸定位模塊置于點衍射板與錐孔板之 間。
[0010] 上述點衍射板是可見光和紅外波段點衍射板或紫外波段點衍射板；所述點衍射板 是可見光和紅外波段點衍射板時，所述點衍射板上設(shè)置有從1 μπι~10 μπι不等尺寸的針 孔；每種尺寸的針孔至少包括3個；相鄰針孔的孔間距大于Imm ;所述點衍射板是紫外波段 點衍射板時，所述點衍射板上設(shè)置有納米量級的針孔，針孔規(guī)則排列組成針孔陣列；相鄰針 孔的間距由范西特-澤尼克定理決定；針孔陣列區(qū)域大小通過標(biāo)量衍射理論計算理想點光 源發(fā)出的球面經(jīng)待標(biāo)定夏克-哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列形成衍射光斑的大小來決 定。
[0011] 上述點衍射板置于會聚鏡的焦點處。
[0012] 上述光軸定位模塊包括He-Ne激光器、分光鏡以及平面鏡；所述分光鏡以及平面 鏡依次設(shè)置在He-Ne激光器的出射光路上；分光鏡將He-Ne激光器出射的激光分為反射光 以及透射光；反射光入射至點衍射板上；透射光入射至平面鏡后依次經(jīng)平面鏡反射以及分 光鏡反射后入射至錐孔板上。
[0013] 一種基于如前所述的寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標(biāo)定裝置的標(biāo)定方法， 其特殊之處在于：所述標(biāo)定方法包括以下步驟：
[0014] 1)利用單色儀、會聚鏡和點衍射板產(chǎn)生與理想球面波偏差RMS優(yōu)于KT4 λ的高精 度球面波；
[0015] 2)通過光軸定位模塊完成球面波與待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器的對準(zhǔn)；
[0016] 3)移動待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器，采集不同位置處被待標(biāo)定的夏克-哈 特曼波前傳感器的微透鏡陣列分割的光斑陣列圖像，通過標(biāo)定算法實現(xiàn)夏克-哈特曼波前 傳感器的絕對標(biāo)定。
[0017] 上述步驟1)的具體實現(xiàn)方式是：
[0018] I. 1)根據(jù)待標(biāo)定夏克-哈特曼波前的工作波長不同選擇適合的點衍射板，將點衍 射板放置于會聚鏡的焦點處；
[0019] 1. 2)設(shè)置單色儀，使單色儀輸出與待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器工作波段一 致的單色光；
[0020] 1. 3)單色儀輸出單色光經(jīng)會聚鏡聚焦后入射至點衍射板上，產(chǎn)生與理想球面波偏 差RMS優(yōu)于KT4 λ的高精度球面波。
[0021] 上述步驟2)的具體實現(xiàn)方式是：
[0022] 2. 1)將光軸定位模塊放置于點衍射板與定位基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)之間；
[0023] 2. 2)打開He-Ne激光器輸出準(zhǔn)直激光經(jīng)分光鏡后分別形成反射光以及透射光；反 射光入射至點衍射板上，透射光經(jīng)平面鏡反射以及分光鏡再反射后入射至錐孔板上；調(diào)節(jié) 光軸定位模塊使入射至點衍射板上的光斑與點衍射板的針孔重合；
[0024] 2. 3)調(diào)節(jié)待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器的位置和姿態(tài)，使入射至錐孔板上的 激光束穿過錐孔板上的錐孔，并與待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器的靶面中心重合，從 而完成球面波與待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感器的對準(zhǔn)。
[0025] 上述步驟3)的具體實現(xiàn)方式是：
[0026] 3. 1)對準(zhǔn)完成后，將光軸定位模塊撤出，拆下錐孔板，同時由待標(biāo)定的夏克-哈特 曼波前傳感器采集光斑點陣圖像，利用高精度平移臺獲取待標(biāo)定夏克-哈特曼波前傳感器 當(dāng)前位置，并以此位置記為初始位置；
[0027] 3. 2)通過采集與控制計算機(jī)控制高精度平移臺，待標(biāo)定的夏克-哈特曼波前傳感 器移動到不同位置i