一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置与方法与流程

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量。

背景技术：

夏克‐哈特曼波前传感器具有结构简单、测量速度快、抗振能力强、对测量光束的线宽、相干性和偏振态无特殊要求、无需参考光、可实时记录波前变化过程、同时适用于连续光和脉冲光测量等优点。在自适应光学、人眼像差检测、光学元件面形检测、光学系统波像差检测等方面有着广泛的应用。

光学系统的波像差通常需要在工作波长下进行测试，而在实际应用中，光学系统种类繁多，工作波段也不一样，因此，需要根据不同工作波长来搭建相应的波像差测量装置，这在实际应用中既不方便又存在一定的浪费。由于夏克‐哈特曼波前传感器具有对测量光束线宽无特殊要求的特点，因此，可以在较大光谱工作范围内保持相同的测量精度。

本发明给出一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置与方法，通过波长可调谐激光器输出与待测光学系统工作波长一致的激光光束，通过第一夏克‐哈特曼波前传感器测量系统误差并实时监测测量系统的稳定性，通过第二夏克‐哈特曼波前传感器测量系统误差及待测系统的波像差，从测量结果中计算待测光学系统的波像差，因此，只要一个测量装置，便可实现不同工作波长光学系统波像差的高稳定性测量。

技术实现要素：

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置，其特征在于，该装置包括波长可调谐激光器(1)、衰减器(2)、聚焦物镜(3)、y型光纤耦合器(4)、第一五维调整台(5)、第一物镜(6)、第一小孔板(7)、准直物镜(8)、分光板(9)、第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)、成像物镜(11)、待测光学系统(12)、球面反射镜(13)、第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)和数据处理模块(15)；其中，波长可调谐激光器(1)发出特定波长的激光光束，经衰减器(2)和聚焦物镜(3)后耦合入y型光纤耦合器(4)的总端(400)，然后分别从y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)和第二分支端(40b)出射，y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)出射的光束经第一物镜(6)后聚焦到第一小孔板(7)上，经第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)衍射后，获得近于理想的球面波，该球面波经准直物镜(8)准直后，被分光板(9)分成两束，一束光通过分光板(9)，另一束光被分光板(9)反射，透过分光板(9)的光束，进入第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)，将第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)的波像差，被分光板(9)反射的光束经成像物镜(11)后，进入待测光学系统(12)，透过待测光学系统(12)后，由球面反射镜(13)反射后，沿原路返回，分别经过待测光学系统(12)、成像物镜(11)后，透过分光板(9)进入第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)，将第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)、成像物镜(11)、待测光学系统(12)和球面反射镜(13)的波像差信息，数据处理模块(15)再根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)测量结果、第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)测量结果以及球面反射镜的面形信息，计算得待测光学系统(12)的波像差。

优选地，所述波长可调谐激光器(1)输出与待测光学系统(12)工作波长一致的激光光束。

优选地，所述衰减器(2)通过电动装置做360度旋转，从而实现衰减器(2)透过率的连续控制，衰减器(2)的透过率根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)或第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小进行自动调整，以保证第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)或第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值保持在其探测器饱和光强的90％～99％之间。

优选地，所述y型光纤耦合器(4)由单模光纤做成，包括总端(400)、第一分支端(40a)和第二分支端(40b)，光束经总端(400)耦合入y型光纤耦合器(4)后，同时以相同的强度从第一分支端(40a)和第二分支端(40b)输出。

优选地，所述第一物镜(6)中的光学元件镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。

优选地，所述第一物镜(6)安放在第一电动调整台(6a)上，当波长可调谐激光器(1)发出不同波长的激光光束时，第一电动调整台(6a)将根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小进行第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的位置调整，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上光强幅值达到最大时，完成第一物镜(6)的位置调整。

优选地，所述第一五维调整台(5)上放置y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)，通过第一五维调整台(5)进行y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整体位置的调整，从而改变经准直物镜(8)后到达第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整体位置的调整。

优选地，所述分光板(9)的分光比根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)和第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小来确定，使得透过分光板(9)到达第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小和透过分光板(9)到达第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小基本一致。

优选地，所述成像物镜(11)将待测光学系统(11)的出瞳成像在第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)的微透镜阵列所在平面上，同时将球面反射镜(13)反射后沿待测光学系统(11)原路返回的光束转换成平行光束；所述成像物镜(11)中各光学元件均镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率；所述成像物镜(11)同时具有变焦和变倍功能，从而在测量不同数值孔径待测光学系统(11)时，第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)探测器上的光斑始终保持和探测器有效像素的边缘相切；所述成像物镜(11)的波像差通过y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束进行测量。

一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量方法，其采用上述的装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

s1、根据待测光学系统(12)的工作波长选择波长可调谐激光器(1)的输出波长；

s2、通过第一电动调整台(6a)调节第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的距离，使得第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上测得的从第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)出射的光束强度最大；

s3、通过第一五维调整台(5)调整y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)的位置，使得第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；

s4、通过第二电动调整台(16a)调节第二物镜(16)相对于第二小孔板(17)的距离，使得第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上测得的从第二小孔板(17)上的第二小孔板小孔(17a)出射的光束强度最大；

s5、通过第二五维调整台(18)调整y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)的位置，使得第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；

s6、采用第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)和第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)测量系统误差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算得准直物镜(8)和成像物镜(11)的波像差分别为wcl和wim；

s7、移去y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)，将待测光学系统(12)及球面反射镜(13)安放在上述基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置中；

s8、采用第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)测量此时系统的波像差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算此时的系统波像差w；

s9、由数据处理模块(15)根据下式计算待测光学系统(12)的波像差wos：

式中，fsp为球面反射镜(13)的面形误差，其值由干涉仪直接测量得到。

s10、测量中，通过第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)监测整个测量系统的稳定性，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)测量结果变化超出测量精度的1/5时，需要重复步骤s2～s6进行系统误差的重新测量，然后再重复步骤s7～s9进行待测光学系统(12)的波像差测量，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)测量结果变化小于测量精度的1/5时，满足测量要求，完成待测光学系统(12)的波像差测量

本发明提供的一种基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置与方法，可实现不同工作波长光学系统波像差的高精度、高稳定性测量。通过波长可调谐激光器输出与待测光学系统工作波长一致的激光光束，通过第一夏克‐哈特曼波前传感器测量系统误差并实时监测测量系统的稳定性，通过第二夏克‐哈特曼波前传感器测量系统误差及待测系统的波像差，从测量结果中计算待测光学系统的波像差。只需一套测量装置便可实现不同工作波长光学系统像差的测量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为根据本发明实施方式的基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置示意图；

图2为根据本发明实施方式的y型光纤耦合器结构示意图；

图3为根据本发明实施方式的第一物镜位置调整组成结构示意图；

图4为根据本发明实施方式的基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量系统误差标定装置示意图；

图5为根据本发明实施方式的第二物镜位置调整组成结构示意图；

图6为根据本发明实施方式的基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量方法流程图；

其中，波像差测量装置包括：1、波长可调谐激光器，2、衰减器，3、聚焦物镜，4、y型光纤耦合器，5、第一五维调整台，6、第一物镜，7、第一小孔板，8、准直物镜，9、分光板，10、第一夏克‐哈特曼波前传感器，11、成像物镜，12、待测光学系统，13、球面反射镜，14、第二夏克‐哈特曼波前传感器，15、数据处理模块。

y型光纤耦合器4包括：400、总端，40a、第一分支端，40b、第二分支端。

第一物镜位置调整组成结构包括：6、第一物镜，6a、第一电动调整台，7、第一小孔板，7a、第一小孔板小孔。

系统误差标定装置包括：1、波长可调谐激光器，2、衰减器，3、聚焦物镜，4、y型光纤耦合器，5、第一五维调整台，6、第一物镜，7、第一小孔板，8、准直物镜，9、分光板，10、第一夏克‐哈特曼波前传感器，11、成像物镜，14、第二夏克‐哈特曼波前传感器，15、数据处理模块，16、第二五维调整台，17、第二物镜，18、第二小孔板。

第二物镜位置调整组成结构包括：17、第二物镜，17a、第二电动调整台，18、第二小孔板，18a、第二小孔板小孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，为本发明所述的基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置示意图，包括波长可调谐激光器(1)、衰减器(2)、聚焦物镜(3)、y型光纤耦合器(4)、第一五维调整台(5)、第一物镜(6)、第一小孔板(7)、准直物镜(8)、分光板(9)、第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)、成像物镜(11)、待测光学系统(12)、球面反射镜(13)、第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)和数据处理模块(15)。

波长可调谐激光器(1)发出特定波长的激光光束，经衰减器(2)和聚焦物镜(3)后耦合入y型光纤耦合器(4)的总端(400)，然后分别从y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)和第二分支端(40b)出射，y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)出射的光束经第一物镜(6)后聚焦到第一小孔板(7)上，经第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)衍射后，获得近于理想的球面波，该球面波经准直物镜(8)准直后，被分光板(9)分成两束，一束光通过分光板(9)，另一束光被分光板(9)反射，透过分光板(9)的光束，进入第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)，将第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)的波像差，被分光板(9)反射的光束经成像物镜(11)后，进入待测光学系统(12)，透过待测光学系统(12)后，由球面反射镜(13)反射后，沿原路返回，分别经过待测光学系统(12)、成像物镜(11)后，透过分光板(9)进入第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)，将第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)的测量结果传到数据处理模块(15)，经数据处理模块(15)处理后得到准直物镜(8)、成像物镜(11)、待测光学系统(12)和球面反射镜(13)的波像差信息，数据处理模块(15)再根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)测量结果、第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)测量结果以及球面反射镜的面形信息，计算得待测光学系统(12)的波像差。

波长可调谐激光器(1)输出与待测光学系统(12)工作波长一致的激光光束。

衰减器(2)通过电动装置做360度旋转，从而实现衰减器(2)透过率的连续控制，衰减器(2)的透过率根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)或第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小进行自动调整，以保证第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)或第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值保持在其探测器饱和光强的90％～99％之间。

如图2所示，为本发明所述的y型光纤耦合器结构示意图，y型光纤耦合器(4)由单模光纤做成，包括总端(400)、第一分支端(40a)和第二分支端(40b)，光束经总端(400)耦合入y型光纤耦合器(4)后，同时以相同的强度从第一分支端(40a)和第二分支端(40b)输出。

上述第一物镜(6)中的光学元件镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。

如图3所示，为本发明所述的第一物镜位置调整组成结构示意图，第一物镜(6)安放在第一电动调整台(6a)上，当波长可调谐激光器(1)发出不同波长的激光光束时，第一电动调整台(6a)将根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小进行第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的位置调整，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上光强幅值达到最大时，完成第一物镜(6)的位置调整。

所述第一五维调整台(5)上放置y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)，通过第一五维调整台(5)进行y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整体位置的调整，从而改变经准直物镜(8)后到达第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)整体位置的调整。

上述分光板(9)的分光比根据第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)和第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小来确定，使得透过分光板(9)到达第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)的光强幅值大小和透过分光板(9)到达第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上的光强幅值大小基本一致。

上述成像物镜(11)将待测光学系统(11)的出瞳成像在第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)的微透镜阵列所在平面上，同时将球面反射镜(13)反射后沿待测光学系统(11)原路返回的光束转换成平行光束。

上述成像物镜(11)中各光学元件均镀有宽光谱薄膜，从而使波长可调谐激光器(1)发出的各波长激光光束具有较高地且均匀的透过率。

上述成像物镜(11)同时具有变焦和变倍功能，从而在测量不同数值孔径待测光学系统(11)时，第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)探测器上的光斑始终保持和探测器有效像素的边缘相切。

如图4所示，为本发明所述的基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量系统误差标定装置示意图，通过该装置进行成像物镜(11)和准直物镜(8)波像差的测量。

所述成像物镜(11)的波像差通过y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束进行测量。

y型光纤耦合器(4)第二分支端(40b)出射光束经第二物镜(16)聚焦到第二小孔板(17)上，由第二小孔板(17)上的第二小孔板小孔(17a)衍射产生近于理想的球面波，由该球面波、第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)及数据处理模块(15)进行成像物镜(11)波像差的测量。

如图5所示，为本发明所述的第二物镜位置调整组成结构示意图，第二物镜(16)安放在第二电动调整台(16a)上，当波长可调谐激光器(1)发出不同波长的激光光束时，第二电动调整台(16a)将根据第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)的光强幅值大小进行第二物镜(16)相对于第二小孔板(17)的位置调整，当第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上光强幅值达到最大时，完成第二物镜(16)的位置调整。

所述第二五维调整台(18)上放置y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)，通过第二五维调整台(18)进行y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)整体位置的调整，从而改变经成像物镜(11)后到达第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)的光束的倾斜、俯仰和离焦，当第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零时，完成y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)整体位置的调整。

如图6所示，为本发明所述的基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量方法流程图，当采用上述基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置进行光学系统波像差测量时，基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量方法包括如下步骤：

s1、根据待测光学系统(12)的工作波长选择波长可调谐激光器(1)的输出波长；

s2、通过第一电动调整台(6a)调节第一物镜(6)相对于第一小孔板(7)的距离，使得第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上测得的从第一小孔板(7)上的第一小孔板小孔(7a)出射的光束强度最大；

s3、通过第一五维调整台(5)调整y型光纤耦合器(4)的第一分支端(40a)、第一物镜(6)、第一电动调整台(6a)及第一小孔板(7)的位置，使得第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；

s4、通过第二电动调整台(16a)调节第二物镜(16)相对于第二小孔板(17)的距离，使得第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上测得的从第二小孔板(17)上的第二小孔板小孔(17a)出射的光束强度最大；

s5、通过第二五维调整台(18)调整y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)的位置，使得第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)上测得光束的倾斜、俯仰和离焦均为零；

s6、采用第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)和第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)测量系统误差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算得准直物镜(8)和成像物镜(11)的波像差分别为wcl和wim；

s7、移去y型光纤耦合器(4)的第二分支端(40b)、第二物镜(16)、第二电动调整台(16a)及第二小孔板(17)，将待测光学系统(12)及球面反射镜(13)安放在上述基于夏克‐哈特曼波前传感器的光学系统波像差测量装置中；

s8、采用第二夏克‐哈特曼波前传感器(14)测量此时系统的波像差，将测量结果传给数据处理模块(15)，由数据处理模块(15)计算此时的系统波像差w；

s9、由数据处理模块(15)根据下式计算待测光学系统(12)的波像差wos：

式中，fsp为球面反射镜(13)的面形误差，其值由干涉仪直接测量得到。

s10、测量中，通过第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)监测整个测量系统的稳定性，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)测量结果变化超出测量精度的1/5时，需要重复步骤s2～s6进行系统误差的重新测量，然后再重复步骤s7～s9进行待测光学系统(12)的波像差测量，当第一夏克‐哈特曼波前传感器(10)测量结果变化小于测量精度的1/5时，满足测量要求，完成待测光学系统(12)的波像差测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。