专利名称：大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于夏克哈特曼传感器的大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，属于光学检测领域。
背景技术：
从激光器出射的光束往往具有一定的发散角。为了利用聚焦镜以获得高功率密度的光斑，在投影系统和聚焦系统中，采用扩束准直系统减小激光束的发散角，提高其平行度。实际使用时，由于误差传播等的影响，平行光束波前质量将会变化。为了保证高功率密度的光斑，必须对准直系统平行光束波前质量进行检测。目前，检验平行光束波前质量的方法有很多种，大致分为自准直法、剪切干涉法、 塔尔伯特自成像法以及夏克哈特曼法。夏克哈特曼法采用夏克哈特曼传感器检验平行光束波前质量。夏克哈特曼传感器是一种抗干扰性强、结构简单的波前传感器。如图1所示，其由微透镜阵列和光电探测器组成，光电探测器位于微透镜阵列的焦面上。光电探测器一般采用CCD ；微透镜阵列由若干个等焦距的小凸透镜排列而成，微透镜阵列将待探测波前划分为若干个小单元区域，每一个小透镜也称为子孔径，尺寸为dX d，对其接收的波前聚焦成像，每个子孔径对应光电探测器上某一区域的像素，该区域称为一个探测区域。光源照亮待测准直系统，待测准直系统产生的波前投射到夏克哈特曼传感器上，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测波前分割采样并聚焦到光电探测器上，每个探测区域上形成光斑，然后通过数据处理恢复出待测相位分布。目前，数据处理主要分为两步1.提取倾斜量；2.利用波前重构算法重构出待测相位分布，波前重构算法一般分为模式法和区域法。然而，现有的夏克哈特曼传感器需要考虑加工成本，其微透镜阵列的尺寸一般较小，无法直接用于大口径准直系统波前质量的检测。而且，夏克哈特曼传感器的动态范围和每个微透镜对应的光电探测器的探测区域大小成正比，与微透镜阵列的焦距f'成反比， 但夏克哈特曼传感器的探测精度正比于微透镜阵列的焦距f'。现有的夏克哈特曼传感器为了满足大动态范围的要求，其微透镜的焦距一般较小，但是小焦距微透镜使得夏克哈特曼传感器的探测精度下降，即现有夏克哈特曼传感器不能同时具有大动态范围和高探测精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于夏克哈特曼传感器的大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，能够同时具有大动态范围和高探测精度，克服现有夏克哈特曼传感器不能同时满足大动态范围和高探测精度的不足。该方案是这样实现的一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，包括光源、待测准直系统、 开有方孔的掩模板、扩束比β < 1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器、控制器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过掩模板的方孔和扩束系统后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列；光电探测器将其探测到的光斑数据送入计算单元；所述微透镜阵列包括MXN个微透镜，且每个微透镜的尺寸为dXd ；将待测准直波前的传播方向设置为ζ轴，建立三维坐标系xyz，微透镜的行和列分别平行χ轴和y轴；所述掩模板中的一块矩形区域被划分为MXN个小正方形，每个小正方形的边长为d/β，在行号和列号均为单数的小正方形处开方孔，方孔边长为d/β ；掩模板矩形区域四周的区域为非透光区域，且宽度至少为d/β ；将掩模板放置在待测准直系统和扩束系统之间，小正方形的行和列分别平行X轴和y轴；所述控制器，用于控制掩模板沿χ、y轴移动；针对一个待测准直系统检测时，掩模板初始位置为掩模板轴心与微透镜阵列轴心重合，然后根据移动策略移动掩模板三次，每移动一次微透镜阵列上有部分微透镜对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上；所述移动策略为依次沿X轴一方向移动d/β、沿y轴移动d/β、沿χ轴另一方向移动d/β ； 或者所述移动策略为依次沿y轴一方向移动d/ β、沿χ轴移动d/ β、沿y轴另一方向移动 d/β ；所述计算单元，用于①在掩模板处于初始位置时以及每移动一次掩模板，均执行一次从光电探测器获取光斑数据的操作；针对在每个掩模板位置上获取的光斑数据，计算当前透光方孔对应的各微透镜的波前斜率；在计算过程中认为每个微透镜对应的探测区域扩大为2dX2d，在2dX2d的探测区域内查找光斑，计算光斑质心与探测区域中心的距离， 继而计算获得波前斜率；②将根据不同位置掩模板获得的波前斜率组合得到全部波前斜率；③采用波前重构算法处理波前斜率，重构出待测准直波前，继而得到待测准直系统波前质量信息。较佳地，所述扩束系统采用两个抛物面反射镜构成的反射式扩束系统；第一抛物面反射镜面向待测准直系统的出射面，第二抛物面反射镜面向微透镜阵列的入射面；第一
抛物面反射镜和第二抛物面反射镜共焦设置且焦距分别为f/，f2'，f2' <f/，f2' / f/ = β。有益效果(1).本发明把掩模板置于扩束系统(扩束比< 1)的前方，使待测波前的一部分经过掩模板到达扩束系统(扩束比< 1)。与直接把掩模板置于微透镜阵列前方的方案相比， 把掩模板置于扩束系统(扩束比< 1)前方，等价于在微透镜阵列前方直接放置了掩模板； 该等价掩模板与扩束系统(扩束比< 1)前方的掩模板满足物像共轭关系，且成像倍率< 1， 即扩束系统(扩束比< 1)前方的掩模板的尺寸大于与其等价的微透镜阵列前方的，这样可以降低对扩束系统(扩束比< 1)的掩模板加工精度的要求，降低成本。(2).对于通过掩模板的待测波前，其每个子孔径对应的光电探测器上的探测区域变大而微透镜的焦距不变，从而可以增大夏克哈特曼传感器的动态范围而不降低其探测精度。(3).本发明采用控制器控制掩模板的移动使全部待测波前经由扩束系统(扩束比< 1)到达微透镜阵列，经微透镜阵列分割采样并聚焦到探测器上。(4).本发明采用反射扩束系统(扩束比< 1)把待测波前耦合到夏克哈特曼传感器，容易实现大口径准直系统波前质量检测。反射式扩束系统(扩束比< 1)抛物面反射镜可以精确矫正像差，这一特性使该系统可以做成任意要求的扩束比以用于任意大口径待测准直系统的缩束。此外，利用现代先进的光学加工技术制造大离轴抛物面反射镜的成本大大降低。(5).本发明通过测量夏克哈特曼传感器光斑的位置偏移，由波前重构算法重构出波前像差，相对于干涉仪像差检测方法，本发明对环境要求较低。
图1为夏克哈特曼传感器的结构示意图；图2为本发明基于夏克哈特曼传感器的大口径大动态范围准直系统波前质量检测原理图；图3为本发明中反射式扩束系统(扩束比< 1)工作原理示意图；图4为本发明中掩模板结构示意图；图5. a 图5. d为本发明中掩模板功能示意图；图6. a 图6. d为本发明中掩模板及其功能示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，该装置采用扩束系统(扩束比< 1)把大口径待测波前耦合到夏克哈特曼传感器；在扩束系统(扩束比 < 1)与待测准直系统之间放置掩模板实现大动态范围、高检测精度的波前探测。掩模板是由透光和不透光的方孔组成，这些方孔大小一致且交替分布。每一个微透镜在光电探测器上都有特定的探测区域；控制器控制掩模板的移动，对于每一特定位置的掩模板，都有特定的部分待测波前经由扩束系统(扩束比< 1)到达微透镜阵列，通过控制器控制掩模板的移动可以实现全部待测波前的探测。下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。如图2所示，为本发明中的基于夏克哈特曼传感器的大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，它包括光源1，待测准直系统2，掩模板3，扩束系统(扩束比< 1)4，微透镜阵列5，光电探测器6，控制器7，计算机8。微透镜阵列5和光电探测器6构成夏克哈特曼传感器。光源1发出的光经过待测准直系统2形成待测准直波前，待测准直波前先后通过掩模板3上的方孔和扩束系统4后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列5 ；光电探测器6将其探测到的光斑数据送入计算机8。下面对各组成部分进行详细描述。光源1可以是连续光源，也可以是脉冲光源。这是由夏克哈特曼传感器本身的特性所决定的。光电探测器6可以是CXD探测器，也可以是CMOS探测器。微透镜阵列5包括MXN个微透镜，且每个微透镜的尺寸为dXd ；将待测准直波前的传播方向设置为ζ轴，建立三维坐标系xyz，微透镜的行和列分别平行χ轴和y轴。
扩束系统4可以为折射式扩束系统，也可以是反射式扩束系统。图3为反射式扩束系统的结构图，如图3所示，两个抛物面反射镜401和402构成反射式扩束系统；反射镜 401和反射镜402均为抛物面反射镜，二者共焦设置，其共同焦点为403 ；二者的光轴为光轴 404。反射镜401和反射镜402的焦距分别为f/ , f2'，两反射镜的焦距比决定了扩束系统的扩束比为β = f2' /f/，本发明中f2' <f/，从而扩束比<1。掩模板3由透光和不透光的小正方形组成，这些小正方形大小一致且交替分布。 具体来说，掩模板中的一块矩形区域被划分为MXN个小正方形，如图4所示，划分了 5X5 个小正方形。小正方形的边长为d/β，在上述矩形区域中，对各个小正方形所在的行和列分别从1开始编号，在行号和列号均为单数的小正方形处开方孔，所开方孔边长为d/β。掩模板垂直于ζ轴布置，且其中小正方形的行和列分别平行χ轴和y轴。掩模板除矩形区域以外的区域为非透光区域。控制器7，用于控制掩模板沿χ、y轴移动。计算机8处理包括三方面的内容①提取与特定位置掩模板对应的部分待测波前的斜率信息，在提取过程中认为每个微透镜对应的探测区域扩大为2dX2d，在2dX2d的探测区域内查找光斑，计算光斑质心与探测区域中心的距离，继而计算波前斜率；②把不同位置掩模板对应的部分待测波前的斜率信息组合得到全部待测波前的斜率信息；③利用波前重构算法处理待测波前的斜率信息，得到待测波前并计算待测波前的均方根误差和峰谷值以评价待测准直系统波前质量。现有的波前重构算法包括区域法和模式法。本发明大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置的工作过程为步骤1、将掩模板放置在待测准直系统与扩束系统之间，且处于初始位置，此时， 掩模板的轴心与微透镜阵列的轴心重合，如图5. a所示，其中，粗实线框表示微透镜阵列。 微透镜阵列中微透镜数目为5X5，微透镜阵列的尺寸为5dX5d，掩模板的尺寸为(7d/ 3)乂(7(1/^)，其中四条宽度为(1/^的边均不透光，掩模板中间部分为(5d/i3)X(5d/i3) 的方格，且单数行的方格中透光和不透光的方格间隔排列。为了便于说明，对微透镜按行进行排序，排序结果如下表1所示。
51525354555657585960616263646566676869707172737475表 1步骤2、开启光源，光源通过待测准直系统、掩模板的透光孔以及扩束系统投射在微透镜阵列上，光电探测器将当前探测到的光斑数据发送给计算机。如图5. a,由于此时起到波前分割作用的微透镜为51，53，55，61，63，65，71，73， 75。众所周知，在现有技术中认为每个微透镜都对应一个探测区域，探测区域的大小为 dXd，然而由于本发明采用掩模板遮盖了一些微透镜，使得它们不成像，因此未成像的微透镜对应的探测区域可以分给成像的微透镜。如图5. a所示，每个成像的微透镜对应的探测区域，可以从每个相邻的探测区域分得1/2或1/4的面积，从而使得本发明中每个微透镜对应的探测区域扩大为2dX2d，从而扩大了动态范围。步骤3、计算机根据光电探测器采集的当前光斑数据，获取当前透光方孔对应的各子孔径的波前斜率，即微透镜51，53，55，61，63，65，71，73，75对应的波前斜率。本步骤中，首先采用公式(1)计算光电探测器件上各探测区域探测到的光斑的质心位置(X。，y。)。注意本发明的探测区域是指微透镜对应的大小为2dX2d探测区域，与原有探测区域相比，扩大后探测区域的坐标原点未变，只是大小变化。
权利要求
1.一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，其特征在于，包括光源、待测准直系统、开有方孔的掩模板、扩束比β < 1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器、控制器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过掩模板的方孔和扩束系统后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列；光电探测器将其探测到的光斑数据送入计算单元；所述微透镜阵列包括MXN个微透镜，且每个微透镜的尺寸为dXd ；将待测准直波前的传播方向设置为ζ轴，建立三维坐标系xyz，微透镜的行和列分别平行χ轴和y轴；所述掩模板中的一块矩形区域被划分为MXN个小正方形，每个小正方形的边长为d/ β，在行号和列号均为单数的小正方形处开方孔，方孔边长为d/β ；掩模板矩形区域四周的区域为非透光区域，且宽度至少为d/β ；将掩模板放置在待测准直系统和扩束系统之间，小正方形的行和列分别平行χ轴和y轴；所述控制器，用于控制掩模板沿x、y轴移动；针对一个待测准直系统检测时，掩模板初始位置为掩模板轴心与微透镜阵列轴心重合，然后根据移动策略移动掩模板三次，每移动一次微透镜阵列上有部分微透镜对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上；所述移动策略为依次沿χ轴一方向移动d/β、沿y轴移动d/β、沿χ轴另一方向移动d/β ；或者所述移动策略为依次沿1轴一方向移动d/ β、沿χ轴移动d/ β、沿y轴另一方向移动d/ β ；所述计算单元，用于①在掩模板处于初始位置时以及每移动一次掩模板，均执行一次从光电探测器获取光斑数据的操作；针对在每个掩模板位置上获取的光斑数据，计算当前透光方孔对应的各微透镜的波前斜率；在计算过程中认为每个微透镜对应的探测区域扩大为2dX2d，在2dX2d的探测区域内查找光斑，计算光斑质心与探测区域中心的距离，继而计算获得波前斜率；②将根据不同位置掩模板获得的波前斜率组合得到全部波前斜率；③采用波前重构算法处理波前斜率，重构出待测准直波前，继而得到待测准直系统波前质量信息。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩束系统为两个共焦物镜构成的折射式扩束系统。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩束系统为两个抛物面反射镜构成的反射式扩束系统；第一抛物面反射镜面向待测准直系统的出射面，第二抛物面反射镜面向微透镜阵列的入射面；第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜共焦设置且焦距分别为f"l j f2 ‘ f2 " ‘ f2 /fι·β ο
全文摘要
本发明公开了一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，能够同时具有大动态范围和高探测精度。光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过掩模板和扩束系统后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列；光电探测器将其探测到的光斑数据送入计算单元；掩模板中的一块矩形区域被划分为与微透镜数量相同的小正方形，每个小正方形的边长为d/β，d为微透镜的尺寸，β为扩束系统的扩束比；行号和列号均为单数的小正方形为方孔；控制器控制掩模板的移动，对于每一特定位置的掩模板，都有特定的部分待测波前经由扩束系统到达微透镜阵列，通过控制器控制掩模板的移动可以实现全部待测波前的探测。
文档编号G01M11/02GK102252833SQ201110173930
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘克, 李艳秋, 王建峰 申请人:北京理工大学