专利名称：一种波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波前传感器，尤其涉及一和新结构的哈特曼波前传感器。
哈特曼波前传感器是一种动态波前检测仪器，哈特曼波前传感器采用孔径分割元件和聚焦元件将入射波前分割为子孔径，再将其聚焦于CCD探测器光敏靶面，形成光斑阵列，通过计算机对CCD探测器接收的光斑信号进行处理，获得入射波前的波面误差信号。
现有的哈特曼波前传感器通常采用微透镜阵列与CCD探测器耦合的结构。1995年7月20日美国光学协会出版的《应用光学》期刊34卷21期第4186页的“哈特曼和剪切干涉波前传感器的基本性能比较”一文公开的一种哈特曼波前传感器，即采用这种结构，由微透镜阵列和CCD探测器通过机械机构耦合在一起构成。(参考文献Byron M.Welsh，Brent L.Ellerbroek，Micheal C.Roggemann，Timothy L.Pennington“Fundamental performance comparison of aHartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor”20 July1995 APPLIED OPTICS Vol.34，No.21 4186-4195)这种哈特曼波前传感器的缺陷在于结构复杂、体积较大、牢固程度相对较差；尤其在有振动的情况下工作时，微透镜阵列和CCD探测器之间容易产生相对位移，精度易受影响；由于存在耦合机构，其安装、调试非常困难。
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种结构简单、稳定，精度不易受振动影响的集成式哈特曼波前传感器。
本发明的目的可通过以下技术措施实现哈特曼波前传感器由微透镜阵列和背照式CCD探测器组成，微透镜阵列的焦平面和背照式CCD探测器的光敏靶面重合；该哈特曼波前传感器是由背照式CCD探测器，和在其上制作成的微透镜阵列构成的集成芯片，集成芯片的正面是由多个子透镜组成的一维或二维的微透镜阵列，其反面是背照式CCD探测器的光敏靶面；微透镜阵列和子透镜具有各种形状，每个子透镜与背照式CCD探测器光敏靶面上(n×m)个像素的位置相对应，其中，n＝1～N，m＝1～M，并须满足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥(2，2)。
本发明的目的可以通过以下技术措施实现哈特曼波前传感器的微透镜阵列可以是二元菲涅尔微透镜阵列，也可以是连续表面微透镜阵列，亦可以是梯度折射率微透镜阵列。
本发明的目的还可通过以下技术措施实现哈特曼波前传感器梯度折射率微透镜阵列的子透镜的折射率从中心向边缘呈梯度变化。
本发明与现有技术相比有如下优点本发明所公开的集成式哈特曼波前传感器，采用微光学技术或二元光学技术直接将微透镜阵列制作在背照式CCD探测器上，构成哈特曼波前传感器集成芯片。微透镜阵列与背照式CCD探测器集成于一体，二者之间的相对位置完全固定，结构简单，稳定性高，精度不易受到振动影响，能在恶劣条件下正常工作；同时由于微透镜阵列与背照式CCD探测器之间不需要耦合结构，避免了复杂的耦合技术。这种集成式哈特曼波前传感器，其微透镜阵列以及所包含的子透镜可根据需要制作成各种形状，能适应入射波前的不同形状；且有波前误差获取方便、速度快、适用波长范围大等优点，可广泛应用于自适应光学系统。
图1为本发明实施例一集成式哈特曼波前传感器的结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为图1的右视图。
图4为本发明实施例的集成式哈特曼波前传感器的原理示意图。
图5为本发明实施例二集成式哈特曼波前传感器的结构示意图。
图6为图5的左视图。
图7为图5的右视图。
图8为本发明实施例三集成式哈特曼波前传感器的结构示意图。
图9为图8的右视图。
图10为实施例三梯度折射率微透镜阵列的子透镜轴向截面的坐标。
图11为实施例三梯度折射率微透镜阵列的子透镜的折射率分布曲线。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例一的集成式哈特曼波前传感器包括二元菲涅尔微透镜阵列1和背照式CCD探测器2。背照式CCD探测器2是一种光电转换器件，由光敏单元、透明电极等通过集成电路工艺在一块基片上制作而成，其光敏单元的光敏靶面3位于基片的背面。通过微光学技术或二元光学技术将微透镜阵列1制作于背照式CCD探测器2的基片上，成为哈特曼波前传感器集成芯片，微透镜阵列1和背照式CCD探测器2的光敏靶面3分别位于集成芯片的两个侧面，集成芯片的背面是CCD探测器2的光敏靶面3，其正面是由多个子透镜4组成的一维或二维的微透镜阵列1。设计制作时精确确定微透镜阵列1和CCD探测器2之间的相对位置，保证微透镜阵列1的焦平面和CCD探测器2的光敏靶面3重合。
如图2所示，二元菲涅尔微透镜阵列1是由二个子透镜4组成的一维阵列。子透镜4是微光学技术或二元光学技术制作的台阶型的二元菲涅尔微透镜。子透镜4的焦平面是微透镜阵列1的焦平面。如图3所示，背照式CCD探测器2的光敏靶面3上共有八个像素5，与入射波前的全孔径相对应。二元菲涅尔微透镜阵列1包含的二个子透镜4将入射波前全孔径分割为二个子孔径。每个子透镜4与背照式CCD探测器2的光敏靶面3上(2×2)个像素5的位置相对应。
如图4所示，当任意波前入射到集成式哈特曼波前传感器时，被微透镜阵列1分割成若干子波前。被分割的子波前分别经子透镜4会聚，在背照式CCD探测器2的光敏靶面3上形成子孔径光斑；子孔径光斑组成光斑阵列。光斑的中心位置(xi，yi)由①式计算xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm,yi=Σm=1MΣn=1NynmInm,Σm=1MΣn=1NInm,---(1)]]>①式中，xi，yj分别是像素5在x、y方向的坐标；n＝1～N，m＝1～M是子透镜4映射到CCD探测器2的光敏靶面3上对应的像素5(实施例一中，n＝N＝2，m＝M＝2)，Inm为第(n，m)个像素5输出的光斑强度值。
通过①式可以计算所有光斑的位置。然后，根据②式求出波前斜率gxi，gyigxi=xi-x0λf,gyi=yi-y0λf---(2)]]>(式中，(x0，y0)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(xi，yi))，实现哈特曼波前传感器对畸变波前的探测功能。
如图5所示，实施例二的集成式哈特曼波前传感器，是包括连续表面微透镜阵列6和背照式CCD探测器7的集成芯片。连续表面微透镜阵列6与背照式CCD探测器7的光敏靶面8分别位于集成芯片的正面和背面，二者之间的相对位置靠加工保证。如图6所示，连续表面微透镜阵列6是由七个子透镜9组成的二维阵列，形状为圆形。子透镜9是六边形的连续表面微透镜，其焦平面也是连续表面微透镜阵列6的焦平面，与CCD探测器7的光敏靶面8重合。如图7所示，背照式CCD探测器7的光敏靶面8上共有二十八个像素10。七个子透镜9将入射波前的全孔径分割为七个子孔径。其中，每个子透镜9与背照式CCD探测器7的光敏靶面8上(2×2)个像素10的位置相对应。
入射波前经过连续表面微透镜阵列6被分割、会聚在CCD探测器7的光敏靶面8上，形成光斑阵列。通过同实施例一所述的公式①计算所有光斑的位置(xi，yi)。然后，根据实施例一所述的公式②求出波前斜率gxi，gyi，实现哈特曼波前传感器的探测功能。
如图8所示，本发明实施例三的集成式哈特曼波前传感器，是由梯度折射率微透镜阵列11和背照式CCD探测器12组成的集成芯片。集成芯片的正面和背面分别是梯度折射率微透镜阵列11和背照式CCD探测器12的光敏靶面13。梯度折射率微透镜阵列11的焦平面和CCD探测器12的光敏靶面13重合。梯度折射率微透镜阵列11由四个子透镜14排列成2行×2列的矩阵组成。子透镜14将入射波前的全孔径分割为四个子孔径。如图9所示，背照式CCD探测器12的光敏靶面13上共有十六个像素15。每个子透镜14与背照式CCD探测器12光敏靶面13上的(2×2)个像素15的位置相对应。
如图8所示，梯度折射率微透镜阵列11的子透镜14为掺入其它物质的梯度折射率微透镜。入射波前经过梯度折射率微透镜阵列11时被分割为子波前，子波前因子透镜14的折射率呈梯度变化而会聚到背照式CCD探测器12的光敏靶面13上。实施例三中，梯度折射率子透镜14是圆柱体(亦可以是其它形状)，其垂直于光轴的截面是半径为r的圆形(图10表示子透镜14轴向截面的坐标，17为截面圆形的半径r)，每个子透镜14的折射率n从截面圆形的中心向边缘呈梯度变化，其折射率分布曲线如图11所示(图11中纵坐标表示子透镜14的折射率n，横坐标表示子透镜14截面圆形的半径r)。
入射波前经过梯度折射率微透镜阵列11分割会聚后，在CCD探测器12的光敏靶面13上形成光斑阵列。通过同实施例一所述的公式①计算所有光斑的位置(xi，yi)。然后，根据实施例一所述的公式②求出波前斜率gxi，gyi，实现哈特曼波前传感器对畸变波前的探测功能
权利要求
1.一种哈特曼波前传感器，包括微透镜阵列(1)和背照式CCD探测器(2)，微透镜阵列(1)的焦平面和背照式CCD探测器(2)的光敏靶面(3)重合；其特征在于该哈特曼波前传感器是由背照式CCD探测器(2)，和在其上制作成的微透镜阵列(1)构成的集成芯片，集成芯片的正面是由多个子透镜(4)组成的一维或二维的微透镜阵列(1)，其反面是背照式CCD探测器(2)的光敏靶面(3)；微透镜阵列(1)和子透镜(4)具有各种形状，每个子透镜(4)与背照式CCD探测器(2)光敏靶面(3)上(n×m)个像素的位置相对应，其中，有n＝1～N，m＝1～M，并须满足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥(2，2)。
2.根据权利要求1所述的哈特曼波前传感器，其特征在于微透镜阵列可以是二元菲涅尔微透镜阵列(1)，也可以是连续表面微透镜阵列(6)，还可以是梯度折射率微透镜阵列(11)。
3.根据权利要求1和2所述的哈特曼波前传感器，其特征在于梯度折射率微透镜阵列(11)的子透镜(14)的折射率从中心向边缘呈梯度变化。
全文摘要
本发明公开了一种由微光学技术或二元光学技术制作的集成式哈特曼波前传感器,是由微透镜阵列和背照式CCD探测器构成的集成芯片。微透镜阵列的子透镜单元映射到CCD探测器的光敏靶面上像素区域内所包含的像素不少于2×2。本发明的结构保证了微透镜阵列与CCD探测器之间的相对位置完全固定,避免了复杂的耦合装调技术,结构简单、稳定,减小了振动对传感器精度的影响,能在较恶劣条件下工作,可用于自适应光学系统。
文档编号G01D5/26GK1385676SQ0110843
公开日2002年12月18日 申请日期2001年5月16日 优先权日2001年5月16日
发明者张雨东, 凌宁, 姜文汉 申请人:中国科学院光电技术研究所