專利名稱：一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于哈特曼傳感器系統(tǒng)，特別涉及一種有大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器。
背景技術(shù)：
哈特曼波前傳感器是是一種能夠檢測波面形狀的儀器，它在自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)鏡面檢測、 醫(yī)療儀器和天體目標(biāo)成像中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的哈特曼傳感器通常由縮束系統(tǒng)、微透 鏡陣列、光電探測器以及波前處理機(jī)組成。動態(tài)范圍是設(shè)計(jì)和使用哈特曼傳感器的一個(gè)非常 重要的特征參數(shù)，哈特曼傳感器的動態(tài)范圍可以解釋為，不使經(jīng)過微透鏡陣列聚焦后的焦點(diǎn) 跨出它所對應(yīng)的子孔徑時(shí)所能測量的最大局部波前斜率。通常狀況下可以通過降低哈特曼的 子孔徑數(shù)目、使用短焦距的微透鏡陣列和使用大耙面的光電探測器。但是，降低哈特曼子孔 徑數(shù)目和使用短焦距微透鏡陣列都將降低哈特曼傳感器的測量精度，使用大靶面的光電探測 器將大大增加傳感器的成本。同時(shí)，使用大靶面的光電探測器的方法對于提高動態(tài)范圍作用 有限。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)哈特曼傳感器時(shí)，往往以犧牲測量精度來獲得大動態(tài)范圍的哈特曼 傳感器。
由于以上問題的存在，如何設(shè)計(jì)出低成本、高精度、大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器一直是 哈特曼傳感器研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)在測量精度和動態(tài)范圍上不能同時(shí)兼顧的不 足，以傳統(tǒng)哈特曼為基礎(chǔ)，提供一種高精度，對傾斜有大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器它能夠 在不影響測量精度的前提下測量具有相當(dāng)大傾斜的畸變波面信息為需要測量大傾斜波前信息 的領(lǐng)域提供方便、廉價(jià)的哈特曼傳感器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍
的哈特曼傳感器，包含有由前透鏡和后透鏡組成的縮束系統(tǒng)，和微透鏡陣列，第一光電探測 器；其特征在于在由前透鏡和后透鏡組成的縮束系統(tǒng)之后微透鏡陣列之前的位置處，添加 一個(gè)用于測量入射波面的整體平均傾斜的由分光鏡、反射鏡、聚焦透鏡和第二光電探測器組 成的分系統(tǒng)；外界的被測光束被縮束系統(tǒng)縮束后,被分光鏡分為兩部分， 一部分光照射到哈特 曼傳感器的核心部件，被第一光電探測器以光斑點(diǎn)陣的形式采集；另一部分進(jìn)入分系統(tǒng)被第二光電探測器以遠(yuǎn)場光斑的形式采集到；在分系統(tǒng)中可以測量被測波面的整體傾斜，在主光 路獲得的信息的基礎(chǔ)上疊加上波面的整體傾斜信息就可以得到被測波面的整體信息。 所述分光鏡可以用分光棱鏡來代替。
所述光束經(jīng)過分光鏡分束后， 一束經(jīng)過微透鏡陣列到達(dá)第一光電探測器，另一束經(jīng)過反 射鏡后被聚焦透鏡聚焦到第二光電探測器上，經(jīng)過分光鏡分光后的兩束光到達(dá)對應(yīng)的光電探 測器上的光程是相等的。
通過計(jì)算系統(tǒng)中分系統(tǒng)中第二光電探測器上的遠(yuǎn)場光斑移動量獲得主光路中標(biāo)定圖像的 平移量。
所述第二光電探測器置于聚焦透鏡的焦點(diǎn)處。
本發(fā)明的工作原理與普通的哈特曼傳感器相同，本專利涉及的哈特曼傳感器的使用同 樣需要進(jìn)行使用前的標(biāo)定。但是由于有分系統(tǒng)的加入，所以本發(fā)明的標(biāo)定將是對哈特曼傳感 器中的兩個(gè)部分同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定。平行光經(jīng)由前透鏡、后透鏡組成的縮束系統(tǒng)縮束后被分光鏡 分束， 一部分光最終被第二光電探測器以遠(yuǎn)場光斑的形式采集到，另外一部分進(jìn)入哈特曼傳 感器被第一光電探測器以光斑點(diǎn)陣的形式采集。由于波面的整體傾斜將導(dǎo)致第一光電探測器 和第二光電探測器上的光斑整體的朝著同一個(gè)方向偏移，并且第一光電探測器上光斑的移動 量與第二光電探測器上的光斑移動量有著線性的對應(yīng)關(guān)系。通過第二光電探測器上采集的光 斑相對于標(biāo)定光斑的光斑質(zhì)心移動量可以計(jì)算出第一光電探測器上光斑陣列的整體偏移量 A。將標(biāo)定圖像信號沿著第二光電探測器上光斑的移動方向移動距離A，以移動后的圖像作為 標(biāo)定圖像重新計(jì)算畸變波前的光斑的偏移量，而后將移動距離A疊加到偏移量上來得到新的 偏移量。以該移動量來計(jì)算波前斜率、復(fù)原波面。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本發(fā)明所涉及的哈特曼傳感器與普通的哈特曼傳
感器相比，在硬件上添加了一個(gè)用于檢測入射波面整體平均傾斜的分系統(tǒng)。在信息處理上， 與普通哈特曼傳感器多了一個(gè)用于標(biāo)定的圖像整體平移的一個(gè)過程；保證在基本不增加成本 的情況下擴(kuò)大哈特曼傳感器的動態(tài)范圍；而且哈特曼傳感器的測量精度與擴(kuò)大動態(tài)范圍之前 沒有改變。
圖1為本發(fā)明的通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為波前傾斜在哈特曼動態(tài)范圍之內(nèi)示意圖； 圖3為波前傾斜超出哈特曼動態(tài)范圍示意圖； 圖4為分系統(tǒng)分離出波面整體傾斜示意圖；圖5為標(biāo)定點(diǎn)陣圖像平移示意圖中，l.前透鏡，2.后透鏡，3.分光鏡，4.微透鏡陣列，5.第一光電探測器，6.反射鏡，7. 聚焦透鏡，8.第二光電探測器，9.哈特曼傳感器的核心部件。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
如圖1所示，本實(shí)施例的一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，在 現(xiàn)有的哈特曼傳感器的前透鏡1和后透鏡2組成的縮束系統(tǒng)之后和微透鏡陣列4之前的位置 上添加一個(gè)用于測量入射波面的整體平均傾斜的分系統(tǒng)，其中分系統(tǒng)又由分光鏡3、反射鏡6、 聚焦透鏡7和第二光電探測器8組成，第二光電探測器8置于聚焦透鏡7的焦點(diǎn)處第一光 電探測器5置于微透鏡陣列4后焦點(diǎn)平面處，光束經(jīng)過分光鏡3分束后， 一束經(jīng)過微透鏡陣 列4到達(dá)第一光電探測器5，另一束經(jīng)過反射鏡6后被聚焦透鏡7聚焦到第二光電探測器8 上，為了保證兩個(gè)光電探測器探測到的是同一個(gè)波面的信息，經(jīng)過分光鏡3分光后的兩束光 到達(dá)對應(yīng)的光電探測器上的光程是相等的；所述的分光鏡3還可以用分光棱鏡來代替。
哈特曼傳感器在使用之前，首先必須要標(biāo)定系統(tǒng)本身的誤差。
如圖2所示，為哈特曼傳感器的標(biāo)定和測量過程及其光電探測器靶面上光斑分布情況。 其中只畫出了哈特曼傳感器的核心部件一微透鏡陣列4和放置在微透鏡陣列焦點(diǎn)平面處的第 一光電探測器。哈特曼傳感器利用微透鏡陣列4對入射的信號波前進(jìn)行子孔徑分割，每個(gè)子 孔徑內(nèi)光信號聚焦在其后的第一光電探測器5上，利用第一光電探測器5靶面上能量的分布 情況進(jìn)行質(zhì)心位置計(jì)算；
圖2左中虛線所示為入射方向垂直于微透鏡陣列4的平面時(shí)的光線傳播情況，這實(shí)際上 就是標(biāo)定哈特曼傳感器的過程。由該波面形成的點(diǎn)陣被第一光電探測器5采集后的光斑分布 情況可由圖2右看出，其中方框表示每個(gè)微透鏡分割出的子孔徑，圖中符號8表示標(biāo)定波面
形成的點(diǎn)陣。標(biāo)定完成后使用專用的質(zhì)心計(jì)算方法就算出標(biāo)定光斑各個(gè)光斑的質(zhì)心。圖2左 中實(shí)線所示為畸變波前(圖中使用傾斜來代替)入射時(shí)光線的傳播情況。由該波面形成的點(diǎn) 陣被光電探測器采集后的光斑分布情況可由圖2右看出，圖中符號 表示由畸變波前形成的 點(diǎn)陣分布情況。通過計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)陣之間的偏移情況，就可以復(fù)原出畸變波前的波面了。
哈特曼波前傳感器在標(biāo)定和測量過程中都要計(jì)算光斑的質(zhì)心位置，哈特曼波前傳感器主
要是根據(jù)下面的公式(1)來計(jì)算光斑質(zhì)心的位置(X,，少z )* <formula>formula see original document page 6</formula>
式中，m-l M,n-l N為子孔徑映射到光電探測器光敏靶面上對應(yīng)的像素區(qū)域，^ 是光
電探測器光敏靶面上第(n，m)個(gè)像素接收到的信號，X"^^自分別為第(n,m)個(gè)像素的x 坐標(biāo)和y坐標(biāo)。
再根據(jù)下面的公式(2)計(jì)算入射波前的波前斜率g"'g":
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，(X"^Q)為標(biāo)準(zhǔn)平面波標(biāo)定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準(zhǔn)位置；哈特曼傳
感器探測波前畸變時(shí)，如圖2所示(圖中實(shí)線所示為畸變波前實(shí)際聚焦的位置，虛線所示為 標(biāo)準(zhǔn)平面波前的光線聚焦情況)，光斑中心偏移到(；c,，；^)。利用由上式計(jì)算得到的每個(gè)子
孔徑上被測波面的斜率值，最后再通過模式法或區(qū)域法來復(fù)原波前。
上述方法使用的前提是實(shí)際測量波面的局部傾斜不至于超出哈特曼傳感器的動態(tài)范圍。 如圖3左的情況(其中的符號定義與圖2中的相同)，由于波前斜率太大微透鏡聚焦后的焦斑 跨越了對應(yīng)的自孔徑而進(jìn)入了其他的子孔徑，這種情況下明顯超出了哈特曼的動態(tài)范圍，按 照一般的方法計(jì)算出的波面信息顯然是錯(cuò)誤的。
考慮到波前的整體傾斜會導(dǎo)致整個(gè)光斑陣列的整體平移，本發(fā)明通過加入一個(gè)用于檢測 整個(gè)波面遠(yuǎn)場焦斑的平移情況的分系統(tǒng)波面整體傾斜情況分離出來，從而提高了哈特曼的動 態(tài)范圍。如圖4中，當(dāng)傾斜波面進(jìn)入系統(tǒng)后哈特曼傳感器和分系統(tǒng)的遠(yuǎn)場焦斑將沿著相同的 方向移動，并且由于入射到微透鏡陣列4和聚焦透鏡7的波面有相同的整體斜率，所以兩者 光斑的移動量存在著由器件參數(shù)確定的唯一的對應(yīng)關(guān)系。由此，波面的整體傾斜可以由分系 統(tǒng)測量得到。
由以上實(shí)施方式可知，由于本發(fā)明僅僅是在原來哈特曼的基礎(chǔ)上加入了一塊分光鏡3， 一塊反射鏡6， 一個(gè)聚焦透鏡7和一個(gè)普通的光電探測器8，這些器件相對于哈特曼傳感器上 的其它器件來說比重很小，對成本幾乎沒有增加。對于哈特曼傳感器的測量精度來說，最重 要的影響因素是光斑質(zhì)心的探測精度，在本發(fā)明中僅僅加入了一個(gè)分系統(tǒng)，對影響質(zhì)心探測 精度的因素沒有做任何的改變，所以本發(fā)明的探測精度保留了原有的探測精度。本發(fā)明所涉及哈特曼傳感器工作過程如下
第一根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的哈特曼系統(tǒng)計(jì)算出傾斜波前入射后導(dǎo)致第一光電探測器5焦面上 的遠(yuǎn)場焦斑移動量向量(AX， AY)與第二光電探測器8上遠(yuǎn)場焦斑移動量向量(AM， AN) 之間的對應(yīng)系數(shù)K。根據(jù)光學(xué)知識可知，
△X=K*AM， AY-*AN。
第二用標(biāo)準(zhǔn)平面波標(biāo)定哈特曼傳感器，分別記錄下第一光電探測器5、第二光電探測
器8上的光斑信息，并且分別計(jì)算出對應(yīng)的質(zhì)心位置。
第三實(shí)際測量帶有傾斜的波面，第一光電探測器5、第二個(gè)光電探測器8同時(shí)曝光采
集入射波前的信息。
第四先計(jì)算第二光電探測器8上采集的光斑移動量向量(AM, AN)，根據(jù)公式計(jì)算出 對應(yīng)的第一光電探測器5上的光斑移動向量(AX， AY)。而后將標(biāo)定圖像及其子孔徑范圍按 照向量(AX， AY)的方向分別沿X、 Y方向移動AX、 AY，而后以新的子孔徑區(qū)域計(jì)算質(zhì) 心位置；如圖5所示，其中 表示由畸變波前形成的點(diǎn)陣，虛線所示表示原始^^定圖像形成 的子孔徑區(qū)域及其標(biāo)定圖像，實(shí)線所示表示根據(jù)整體傾斜將標(biāo)定圖像平移后的情況。圖示可 以清晰地看出，由于傾斜導(dǎo)致的光斑跨子孔徑的情況可以通過標(biāo)定圖像平移的方式很好的將 各個(gè)焦點(diǎn)對應(yīng)到對應(yīng)的子孔徑內(nèi)。
第五:波面復(fù)原，計(jì)算質(zhì)心的公式仍由公式(l )計(jì)算，在計(jì)算入射波前的波前斜率g"'g" 時(shí)要將平移標(biāo)定圖像的過程考慮進(jìn)去，其公式變?yōu)?br>
<formula>formula see original document page 7</formula>
由得到的斜率矩陣，而后通過模式法或區(qū)域法復(fù)原出被測量波面。
權(quán)利要求
1. 一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，包含有由前透鏡(1)和后透鏡(2)組成的縮束系統(tǒng)，和微透鏡陣列(4)，第一光電探測器(5)；其特征在于在由前透鏡(1)和后透鏡(2)組成的縮束系統(tǒng)之后微透鏡陣列(4)之前的位置處，添加一個(gè)用于測量入射波面的整體平均傾斜的由分光鏡(3)、反射鏡(6)、聚焦透鏡(7)和第二光電探測器(8)組成的分系統(tǒng)；外界的被測光束被縮束系統(tǒng)縮束后，被分光鏡(3)分為兩部分，一部分光照射到哈特曼傳感器的核心部件(9)，被第一光電探測器(5)以光斑點(diǎn)陣的形式采集；另一部分進(jìn)入分系統(tǒng)被第二光電探測器(8)以遠(yuǎn)場光斑的形式采集到；在分系統(tǒng)中可以測量被測波面的整體傾斜，在主光路獲得的信息的基礎(chǔ)上疊加上波面的整體傾斜信息就可以得到被測波面的整體信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，其 特征在于分光鏡(3)可以用分光棱鏡來代替。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，其 特征在于光束經(jīng)過分光鏡(3)分束后， 一束經(jīng)過微透鏡陣列(4)到達(dá)第一光電探測器(5)， 另一束經(jīng)過反射鏡(6)后被聚焦透鏡(7)聚焦到第二光電探測器(8)上，經(jīng)過分光鏡(3) 分光后的兩束光到達(dá)對應(yīng)的光電探測器上的光程是相等的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，其 特征在于通過計(jì)算系統(tǒng)中分系統(tǒng)中第二光電探測器(8)上的遠(yuǎn)場光斑移動量獲得主光路中 標(biāo)定圖像的平移量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，其 特征在于第二光電探測器(8)置于聚焦透鏡(7)的焦點(diǎn)處。
全文摘要
一種通過分離波面整體傾斜擴(kuò)大動態(tài)范圍的哈特曼傳感器，它可以測量具有大的傾斜的波面信息；其特征在于與普通的哈特曼傳感器相比，所述哈特曼傳感器在縮束系統(tǒng)之后、微透鏡之前加入了分光系統(tǒng)，該分光系統(tǒng)將部分信號光導(dǎo)出主光路；這部分光最終經(jīng)過一個(gè)聚焦透鏡聚焦到放到該透鏡焦點(diǎn)處的光電探測器上，通過分析該焦斑的偏移情況可以得到入射波面的整體傾斜信息，將這部分信息與哈特曼傳感器上得到波面信息相疊加就可以得到整個(gè)波面信息。本發(fā)明在普通哈特曼傳感器的基礎(chǔ)上加入一個(gè)匹配的分光路就實(shí)現(xiàn)了在不影響哈特曼測量精度的前提下測量大傾斜波面信息的功能；并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，與普通哈特曼傳感器相比成本增加很少。
文檔編號G01M11/02GK101285735SQ20081011346
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者張雨東, 楊金生, 饒學(xué)軍, 饒長輝 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所