一种波面检测装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种波面检测装置，适用于自适应光学和光学检测领域。该检测装置由大口径标准平行光管、被检聚焦透镜、PSD（位置传感器）阵列、步进电机、A/D卡及计算机组成。PSD阵列对被检聚焦透镜进行全口径连续采样，并实时进行光斑质心探测。通过自动对焦程序，步进电机驱动PSD阵列探测到被检聚焦透镜的焦平面。步进电机再驱动PSD阵列在焦前焦后移动，采集像空间不同垂轴位置的波前信息，通过计算机程序分析聚焦透镜像差，实现对大口径聚焦透镜出射波前的实时检测。该方法对测量口径的大小没有限制，对降低测量成本、增加测量灵活度有重要意义。
【专利说明】—种波面检测装置
【技术领域】
[0001]本发明适用于自适应光学和光学检测等领域，涉及一种基于PSD阵列进行波前检测的技术，用于大口径聚焦透镜出射波前的测量。
【背景技术】
[0002]大口径光学镜面在军事领域、航天领域以及大型地面、空间天文望远镜等科研领域中都得到了广泛的应用。例如，要观测天体剧烈活动对人类的危害与影响；探索宇宙的形成与演变；探索宇宙中是否有生命体；探索人类能否在月球与火星上进行无重力、无污染的生产；探索宇宙中存在的金矿和贵金属能否开采等，都需要采用更大口径的望远系统，用来测量天体的大小、位置和物理性质，探测新天体和地球以外生命以及适宜人类生活的新空间，进而促进人类进一步开发和利用宇宙。另外，大口径光学系统在天文光学、空间光学、地基空间目标探测与识别、惯性约束聚变(ICF)等高【技术领域】都得到了越来越广泛的应用。
[0003]但大口径光学系统波面检测却一直受到庞大设备费用与测量设备较长加工周期的限制而没有得到很好解决。为了以低成本、高分辨率检测光学系统中大口径光学元件，对于大口径光学系统波面检测技术的研究受到越来越多的重视。
[0004]传统大口径波前检测方法各有利弊。用哈特曼法检测出射波前，每检测一个系统就要制造一个匹配的哈特曼光阑，成本很高，不适宜中小项目的检测；剪切干涉法必须引入至少和被检系统口径相当且材料均匀性高的剪切板，造价非常高；而子孔径拼接法其机械结构非常复杂，传递误差和积累误差大，算法难度大。
【发明内容】
[0005]鉴于传统方法的缺陷，为了以低成本、高分辨率进行大口径光学系统波前检测，当前发明采用PSD阵列法。
[0006]PSD阵列在该检测装置中，既是采样器件，又是探测器件。PSD阵列中PSD小单元将出射的大口径波前划分为若干子波前，并分别探测每个子波前的质心变化，从而实现大口径波前质量的检测。该方法无需引入传统装置中的扫描机构，避免了波面由扫描机构引入的扰动。系统结构简单、方便装调、可实现快速、精确的波前质量检测。
[0007]该检测装置由大口径标准平行光管2、被检聚焦透镜3、PSD (位置传感器)阵列4、步进电机6、A/D卡及计算机5组成。PSD阵列4对被检聚焦透镜3进行全口径连续采样，并实时进行光斑质心探测。通过自动对焦程序，步进电机6驱动PSD阵列4探测到被检聚焦透镜3的焦平面。步进电机6再驱动PSD阵列4在焦前后焦后移动，采集像空间不同垂轴位置的波前信息，通过计算机程序分析聚焦透镜3像差，实现对大口径聚焦透镜出射波前的实时检测。该方法对测量口径的大小没有限制，对降低测量成本、增加测量灵活度有重要意义。
[0008]本发明的技术解决方案如下: 如附图1所示，检测系统主要由He-Ne激光器1、大口径标准平行光管2、被检聚焦透镜
3、PSD阵列及A/D卡4、计算机5及步进电机6组成。其中PSD阵列可由步进电机6驱动，沿光轴方向移动。
[0009]测量原理如图3所示。实际测量中，由标准平行光管2发出的平行光束入射到被检聚焦镜3聚焦。步进电机6驱动PSD阵列4在光轴上运动，通过自动对焦程序，PSD阵列4探测面移动到聚焦透镜3焦平面位置c，PSD阵列4各单元输出聚焦平面c上各子波前的质心坐标。步进电机6再驱动PSD阵列4分别在焦前两个垂轴平面a、b焦后两个位置d、e分别探测出射波面上各子波前的质心坐标。通过计算机程序处理得到各探测面的点列图。
[0010]由点列图定义可知，由光源上一点发出的许多光线经过光学系统后，因像差使其与像面的焦点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图是在现代光学检测中像差最常用的评价方法之一。
[0011]为获得像差数据，在测量过程中，在像方焦点前后先后选取4个相隔一定距离的垂轴截面，a、b、d、e。通过PSD阵列分别求得每一探测面上各子波前在这些截面上的光斑中心坐标。PSD把入射子波前在光敏面上的位置以模拟信号输出，该信号只与光斑几何重心有关，与光斑强度、分布、对称性和尺寸无关。根据各电极上收集到电流信号的比例确定入射光的位置。在测量某一垂轴面波前信息时，PSD阵列在步进电机的驱动下沿光轴运动，同时PSD阵列探测面连续采集该波面上各子波前光斑质心位置。
[0012]若待测聚焦透镜完美，则系统没有像差。在每个垂轴截面位置上，波面子波前光斑图像应呈圆形均匀分布，如图4所示。若实际象与理想象之间存在着沿轴的差异，则该聚焦透镜存在像差，即实际象点与理想象点的偏移。则波面子波前光斑图像如图5所示。若轴外物点宽光束经系统成象后失对称，则系统中存在彗差，彗差是轴外象差之一，其点列图如图6所示。其危害是使物面上的轴外点成象为彗星状的弥散斑，破坏了轴外视场的成象清晰度，且随孔径及视场的变化而变化，它影响的是轴外象点的清晰程度。图7所示的系统中存在像散。由于像散的存在，导致轴外一点象成为互相垂直的二条短线，严重时轴外点得不到清晰的象。影响的也是轴外象点的清晰程度。事实上，只需测得两个截面位置上的信息，就可以确定像差，但考虑到减小随机误差的影响，选取四个位置进行测量，提高检测结果的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为该发明中检测装置结构图；
图2为该发明中某种PSD阵列图示例；
图3为该发明中测量原理图；
图4为待测聚焦透镜无像差时的点列图；
图5为待测聚焦透镜仅有球差的点列图；
图6为待测聚焦透镜仅有彗差的点列图；
图7为待测聚焦透镜仅有像散的点列图。
【具体实施方式】
[0014]发明涉及一种波面检测装置，适用于自适应光学和光学检测领域。该检测装置由大口径标准平行光管、被检聚焦透镜、PSD (位置传感器)阵列、步进电机、A/D卡及计算机组成。PSD阵列对被检聚焦透镜进行全口径连续采样，并实时进行光斑质心探测。通过自动对焦程序，步进电机驱动PSD阵列探测到被检聚焦透镜的焦平面。步进电机再驱动PSD阵列在焦前焦后移动，采集像空间不同垂轴位置的波前信息，通过计算机程序分析聚焦透镜像差，实现对大口径聚焦透镜出射波前的实时检测。该方法对测量口径的大小没有限制，对降低测量成本、增加测量灵活度有重要意义。
[0015]【具体实施方式】见附图1。
[0016]将He-Ne激光器I安装在平行光管准直透镜2的焦平面上。待测聚焦透镜3置于准直透镜后的平行光路中，PSD透镜阵列4置于待测聚焦透镜3的焦平面附近。He-Ne激光器1、平行光管2、聚焦透镜3、PSD阵列中心都在光轴上。用A/D卡连接PSD阵列4，将其输出电路与计算机5连接。
[0017]在测量之前需要标定每个PSD单元的线性度。标定PSD的线性度，以采样间隔对波前进行扫描采样，每采集一次，采样程序连续重复采集多次，以减小随机误差，并输出平均值。
[0018]把PSD阵列4放置于聚焦透镜3焦点位置附近。步进电机6驱动PSD阵列沿光轴在焦平面附近前后微量运动。通过自动对焦程序，PSD阵列4探测面移动到聚焦透镜3焦平面位置c，PSD阵列4各单元输出聚焦平面c上各子波前的质心坐标。步进电机6再驱动PSD阵列4分别在焦前两个垂轴平面a、b焦后两个位置d、e分别探测出射波面上各子波前的质心坐标。通过计算机程序处理得到各探测面的点列图。
【权利要求】
1.一种基于PSD (位置传感器)阵列检测大口径光学系统出射波面质量的装置， 其特征是由大口径标准平行光管、被检聚焦透镜、PSD (位置传感器)阵列、A/D卡、步进电机及计算机组成的检测系统，并通过以下步骤进行波面检测； 1)根据采样定理选择合适尺寸的PSD单元及阵列数目； 2)标准平行光管以He-Ne激光器为光源，激光器放置于准直物镜焦点处，被检测聚焦透镜位于平行光路中，PSD阵列位于聚焦透镜焦平面附近； 3)测量过程中，PSD阵列对全口径波面进行分割和质心探测，每个PSD分别输出各自测量子波前的质心坐标； 4)将所有采样点质心坐标进行算法拟合，得到待测波面的像差数据。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于:由大口径标准平行光管、被检聚焦透镜、PSD (位置传感器)阵列、步进电机及计算机组成；PSD阵列对被检聚焦透镜出射波前进行全口径采样，并实时探测光斑质心，通过算法拟合得到整个大口径波面像差数据，实现了对大口径聚焦透镜出射波前质量的实时检测。
3.根据权利要求1所述的检测装置，出射波面口径大小是任意的。
4.据权利要求1所述的检测装置，接收探测器件可以是PSD、CCD或其他光敏元件阵列。
5.根据权利要求1所述的检测装置，准直物镜可以采用球面透镜也可以采用非球面透镜。
6.根据权利要求1所述的检测装置，PSD阵列由(m，η)个PSD单元组成，m,η可以是奇数也可以是偶数。
7.根据权利要求1所述的检测装置，PSD阵列沿光轴的运动可以由电机驱动也可以手动控制。
8.根据权利要求1所述的检测装置，光源可以为激光器，也可以为其它光源。
【文档编号】G01M11/02GK104198055SQ201410431353
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】崔欢耀 申请人:深圳市天瑞科技有限公司