夏克－哈特曼波前传感器频响特性的标定装置及标定方法
【专利摘要】本发明涉及夏克－哈特曼波前传感器(以下简称传感器)频响特性的标定装置及标定方法，装置包括刀口、刀口位置精密调节装置以及依次设置在激光器输出光路上的准直镜和传感器；传感器与准直镜的光轴穿好；传感器的微透镜阵列的行方向垂直于空间直角坐标系的XOZ平面，列方向平行于空间直角坐标系的OX轴。刀口安装在刀口位置精密调节装置上，刀口距微透镜阵列所在平面的距离小于Lx/(λvmax)，vmax为传感器的截止频率，Lx为传感器在X方向上的工作长度，λ为所述激光器输出激光的波长；刀口的刃边与微透镜阵列的行方向平行，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方向的延长线交于微透镜阵列最下方一行透镜的中心处。本发明能获取传感器在全频段的响应特性。
【专利说明】
夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定装置及标定方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学领域，涉及一种夏克一哈特曼波前传感器频率响应特性的标定装 置及标定方法。
【背景技术】
[0002] 夏克一哈特曼波前传感器主要由微透镜阵列和探测器组成，在光学元件和光学系 统波像差测试、强激光参数诊断与控制、大气湍流参数测量、人眼像差测量等领域有广泛应 用。夏克一哈特曼波前传感器对光源的时间相干性要求不高，具有结构简单、易于操作、环 境适应性强、实时性好、动态范围大等优点。
[0003] 目前，夏克一哈特曼波前传感器频率响应特性的标定方法为制作不同频率的相位 板，用单色平行光波照射相位板，由夏克一哈特曼波前传感器测量相位板的出射光波，从而 获取夏克一哈特曼波前传感器在相应频率处的响应特性。但是，目前的技术水平尚无法保 证高频相位板的加工精度，且加工不同频率相位板的费用很高，相位板法无法获取夏克一 哈特曼波前传感器在全频段的响应特性。
【发明内容】
[0004] 根据以上背景，本发明提供了一种夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定装置 及标定方法，该标定装置及标定方法能获取夏克一哈特曼波前传感器在全频段的响应特 性。
[0005] 本发明基于衍射理论，利用激光器和刀口产生光强、相位的空间频率均沿夏克-哈 特曼波前传感器列方向连续变化的衍射波，实现夏克一哈特曼波前传感器频率响应特性的 标定。具体为:首先利用夏克一哈特曼波前传感器的定位模块实现其与单色平行光源的对 准;再移动刀口所在定位模块，使刀口刃边方向平行于波前传感器探测器的行方向，平行光 波经刀口衍射产生光强、相位的空间频率均沿夏克-哈特曼波前传感器探测器列方向连续 变化的衍射波;最后对夏克-哈特曼波前传感器频响特性进行标定。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定装置，包括激光器、准直镜和夏克一哈 特曼波前传感器;所述准直镜和夏克一哈特曼波前传感器依次设置在激光器的输出光路 上;所述夏克一哈特曼波前传感器与准直镜的光轴穿好;所述夏克一哈特曼波前传感器包 括微透镜阵列;所述微透镜阵列的行方向垂直于空间直角坐标系的Χ0Ζ平面，列方向平行于 空间直角坐标系的0X轴;其特殊之处在于:标定装置还包括刀口和刀口位置精密调节装置； 所述刀口安装在刀口位置精密调节装置上，并位于准直镜和夏克一哈特曼波前传感器之间 的光路上;标定时，刀口距微透镜阵列所在平面的距离小于Lx/(A Vmax)，Vmax为夏克一哈特曼 波前传感器的截止频率，Lx为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度，λ为所述激 光器输出激光的波长;刀口的刃边与所述微透镜阵列的行方向平行，刃边距准直镜的入瞳 边缘有一定距离，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方向的延长线交于微透镜 阵列最下方一行透镜的中心处;所述激光器发出的单色光经准直镜后出射平行光束，所述 平行光束经刀口的刃边衍射后，在微透镜阵列的正前方产生用于夏克一哈特曼波前传感器 频响特性标定的衍射光波相位分布，且该衍射光波的相位的空间频率在夏克一哈特曼波前 传感器列方向上线性增加。
[0008] 上述刀口位置精密调节装置由电控转台和三维平移台组成，刀口安装在电控转台 上，结合夏克-哈特曼波前传感器的实时输出波前数据，实现刀口位置的自动调节。
[0009] 夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法一，其特殊之处在于:包括以下步 骤：
[0010] 1】打开激光器，调整夏克一哈特曼波前传感器的位置，使其与设置在激光器输出 光路上的准直镜穿好；
[0011] 2】调整刀口的位置，使刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列 的行方向平行；
[0012] 3】将刀口切入准直镜和夏克一哈特曼波前传感器间的光路中，并使刀口距所述微 透镜阵列所在平面的距离小于Lx/(A Vmax)，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方 向的延长线交于微透镜阵列最下方一行透镜的中心处;所述v max为夏克一哈特曼波前传感 器的截止频率，Lx为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度，λ为所述激光器输出 激光的波长；
[0013] 4】按步骤3】将装置调整好后，在所述微透镜阵列的正前方将产生用于标定的衍射 光波相位分布，利用夏克一哈特曼波前传感器获取所述衍射光波相位分布的波前数据，则 夏克一哈特曼波前传感器对不同频率波前的响应特性F为：
[0015] 式中，FFT表示傅里叶变换;Wtest为夏克-哈特曼波前传感器所测得的实际波前数 据;Wtheory为理论波前数据。
[0016] 上述步骤2】具体为：
[0017] 2.1调整刀口的位置；
[0018]
，式中，wu为微透镜阵列的第i行第j列微透镜对
应的波前数据;为微透镜阵列的第i行微透镜对应波前数据的平均值，
[0019] 2.3若△大于设定阈值，则刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜 阵列的行方向不平行，重复步骤2.1~2.3;若△小于或等于设定阈值，则刀口的刃边方向与 夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列的行方向平行。
[0020] 夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法二，其特殊之处在于:包括以下步 骤：
[0021] 1】打开激光器，调整夏克一哈特曼波前传感器的位置，使其与设置在激光器输出 光路上的准直镜穿好；
[0022] 2】将刀口切入准直镜和夏克一哈特曼波前传感器间的光路中，并使刀口距所述微 透镜阵列所在平面的距离小于Lx/(AVmax)，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方 向的延长线交于微透镜阵列最下方一行透镜的中心处;所述vmax为夏克一哈特曼波前传感 器的截止频率，L x为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度，λ为所述激光器输出 激光的波长；
[0023] 3】调整刀口的位置，使刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列 的行方向平行；
[0024] 4】按步骤3】将装置调整好后，在所述微透镜阵列的正前方将产生用于标定的衍射 光波相位分布，利用夏克一哈特曼波前传感器获取所述衍射光波相位分布的波前数据，则 夏克一哈特曼波前传感器对不同频率波前的响应特性F为：
[0026]式中，FFT表示傅里叶变换;Wtest为夏克-哈特曼波前传感器所测得的实际波前数 据;Wtheory为理论波前数据。
[0027] 上述步骤3】具体为：
[0028] 3.1调整刀口的位置；
[0029]
，式中，为微透镜阵列的第i行第j列微透镜 对应的波前数据;％为微透镜阵列的第i行微透镜对应波前数据的平均值，
[0030] 3.3若△大于设定阈值，则刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜 阵列的行方向不平行，重复步骤3.1~3.3;若△小于或等于设定阈值，则刀口的刃边方向与 夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列的行方向平行。
[0031 ]本发明具有如下有益效果：
[0032] 1、本发明基于衍射理论，利用准直镜出射的平行单色激光，经刀口衍射而生成光 强、相位的空间频率均沿夏克-哈特曼波前传感器微透镜阵列的列方向上连续变化的衍射 光波，通过对比夏克-哈特曼波前传感器所测得波前数据与理论数据，从而可一次性实现对 夏克一哈特曼波前传感器全频段频率响应特性的标定，为波前传感器的性能提供全面的判 定准则。
[0033] 2、本发明利用刀口位置精密调节装置实现了刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波 前传感器的微透镜阵列的行方向的高精度对准，从而提高了频率响应特性标定的可靠性。 [0034] 3、本发明计算响应时间短，计算结果准确度高。
[0035] 4、本发明结构简单、稳定性高、重复性好，测量结果置信度高。
【附图说明】
[0036]图1是本发明的结构示意图；
[0037]图2为本发明的刀口位置精密调节装置的结构示意图；
[0038]图中，1-激光器，2-准直镜，3-刀口位置精密调节装置，31-电控转台，32-三维平移 台，4-夏克一哈特曼波前传感器，5-微透镜阵列，6-衍射光波相位分布，7-刀口。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
[0040] 图1所示为本发明所提供的夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定装置的结构 示意图，它包括激光器1、准直镜2、夏克一哈特曼波前传感器4、刀口位置精密调节装置3、刀 口 7;其中，准直镜2和夏克一哈特曼波前传感器4依次设置在激光器1的输出光路上。
[0041] 夏克一哈特曼波前传感器4包括微透镜阵列5,微透镜阵列的行方向垂直于空间直 角坐标系的Χ0Ζ平面，列方向平行于空间直角坐标系的0X轴;夏克一哈特曼波前传感器4与 准直镜2的光轴穿好(即微透镜阵列5中的各微透镜的光轴均与准直镜2的光轴平行）。
[0042] 刀口位置精密调节装置3由电控转台31和三维平移台32组成;刀口7安装在电控转 台31上，并位于准直镜2和夏克一哈特曼波前传感器4之间的光路上。标定时，利用三维平移 台32将刀口 7切入光路，通过调整刀口位置精密调节装置3使刀口 7的刃边与微透镜阵列5的 行方向平行，刃边距准直镜2的入瞳边缘有一定距离(最好保持至少5mm以上），刃边位于微 透镜阵列5下方，刃边沿准直镜2光轴方向的延长线交于微透镜阵列5最下方行透镜的中心 处；刀口7距微透镜阵列5所在平面的距离略小于L x/(AVmax)，Vmax为夏克一哈特曼波前传感 器4的截止频率，L x为夏克一哈特曼波前传感器4在X方向上的工作长度。此时，刀口 7的刃边 衍射光波相位将完全覆盖夏克一哈特曼波前传感器4的有效响应频段。
[0043]本发明的标定原理为：
[0044]根据衍射理论，单色平行光波经刀口 7的刃边衍射后，在其后方距离z处的衍射光 波具有如下的光强、相位分布形式：
[0047]
,其中λ为单色平行光波的波长，X表示沿X轴方向微透镜距刀 口刃边的距离，ζ表示沿Ζ轴方向微透镜阵列所在平面离刃边的距离。
[0048] 刀口 7的刃边衍射光波的光强和相位分布的变化频率为：
[0049] ν = χ/(λζ) (3)
[0050] 公式(3)表明衍射衍射光波相位分布的变化频率沿X轴方向线性增加，衍射衍射光 波相位分布的波前信号中含有丰富的频率成分，基于此对夏克一哈特曼波前传感器4的频 响特性进行标定。
[0051] 激光器1发出的单色光经准直镜2后出射平行光束，该平行光束经刀口 7的刃边衍 射后，在微透镜阵列5的正前方将产生用于夏克一哈特曼波前传感器4频响特性标定的衍射 光波相位分布6。利用夏克一哈特曼波前传感器4获取衍射光波相位分布6的波前数据，并对 该波前数据进行傅里叶变换；同时对理论推导所得衍射光波相位分布的波前数据进行傅里 叶变换，将二者的傅里叶变换结果相除即得到夏克一哈特曼波前传感器4对不同频率波前 的响应特性。
[0052]本发明所提供的夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法，包括以下步骤： 【注:步骤(2)和步骤(3)的先后顺序可以互换】
[0053] (1)打开激光器1，调整夏克一哈特曼波前传感器4的位置，使其与设置在激光器1 输出光路上的准直镜2穿好。
[0054] (2)将刀口位置精密调节装置3置于图1中的虚线位置处，控制刀口位置精密调节 装置3的电控转台31，使安装在其上的刀口 7的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器4的微 透镜阵列5的行方向平行。
[0055] (3)通过三维平移台32，将刀口 7切入光路中，使刀口 7刃边位于微透镜阵列5下方， 并使刀口 7刃边沿准直镜2光轴方向的延长线交于微透镜阵列5最下方行透镜的中心处，使 刀口 7距微透镜阵列5所在平面的距离略小于Lx/(AVmax)，Vmax为夏克一哈特曼波前传感器的 截止频率，L x为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度。
[0056] (4)按上述步骤将装置调整好后，在微透镜阵列5的正前方将产生用于标定的衍射 光波相位分布6;利用夏克一哈特曼波前传感器4获取衍射光波相位分布6的波前数据，对所 测得的波前数据进行傅里叶变换，同时对理论推导所得的衍射相位分布的波前数据进行傅 里叶变换，将二者的傅里叶变换结果相除即得到夏克一哈特曼波前传感器对不同频率波前 的响应特性，即
[0058]式中：FFT表示傅里叶变换;Wtest为夏克-哈特曼波前传感器所测得的实际波前数 据;Wtheory为理论波前数据。
[0059]由前述公式(3)可以看出，当刃边方向平行于微透镜阵列5的行方向时，夏克一哈 特曼波前传感器5所测得波前数据在微透镜阵列5的行方向一致，因此，在上述步骤(2)中可 以通过公式(5)来评判刀口 7的刃边方向与波前传感器探测器行方向的平行程度，计算公式 如下：
[0061]式中，wu为所述夏克-哈特曼波前传感器所获取的第i行第j列波前数据，^为所 述夏克-哈特曼波前传感器所获取的第i行波前数据的平均值
【主权项】
1. 夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定装置，包括激光器、准直镜和夏克一哈特 曼波前传感器;所述准直镜和夏克一哈特曼波前传感器依次设置在激光器的输出光路上； 所述夏克一哈特曼波前传感器与准直镜的光轴穿好;所述夏克一哈特曼波前传感器包括微 透镜阵列;所述微透镜阵列的行方向垂直于空间直角坐标系的XOZ平面，列方向平行于空间 直角坐标系的ox轴;其特征在于:标定装置还包括刀口和刀口位置精密调节装置； 所述刀口安装在刀口位置精密调节装置上，并位于准直镜和夏克一哈特曼波前传感器 之间的光路上；标定时，所述刀口距微透镜阵列所在平面的距离小于Lx/(AVmax)，Vmax为夏 克一哈特曼波前传感器的截止频率，L x为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度， λ为所述激光器输出激光的波长;刀口的刃边与所述微透镜阵列的行方向平行，刃边距准直 镜的入瞳边缘有一定距离，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方向的延长线交 于微透镜阵列最下方一行透镜的中心处； 所述激光器发出的单色光经准直镜后出射平行光束，所述平行光束经刀口的刃边衍射 后，在微透镜阵列的正前方产生用于夏克一哈特曼波前传感器频响特性标定的衍射光波相 位分布，且该衍射光波的相位的空间频率在夏克一哈特曼波前传感器列方向上线性增加。2. 根据权利要求1所述的夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定装置，其特征在于： 所述刀口位置精密调节装置由电控转台和三维平移台组成，刀口安装在电控转台上。3. 夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法，其特征在于:包括以下步骤： 1】打开激光器，调整夏克一哈特曼波前传感器的位置，使其与设置在激光器输出光路 上的准直镜穿好； 2】调整刀口的位置，使刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列的行 方向平行； 3】将刀口切入准直镜和夏克一哈特曼波前传感器间的光路中，并使刀口距所述微透镜 阵列所在平面的距离小于Lx/(AVmax)，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方向的 延长线交于微透镜阵列最下方一行透镜的中心处;所述v max为夏克一哈特曼波前传感器的 截止频率，Lx为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度，λ为所述激光器输出激光 的波长； 4】按步骤3】将装置调整好后，在所述微透镜阵列的正前方将产生用于标定的衍射光波 相位分布，利用夏克一哈特曼波前传感器获取所述衍射光波相位分布的波前数据，则夏 克一哈特曼波前传感器对不同频率波前的响应特性F为：式中，FFT表示傅里叶变换;Wtest为夏克-哈特曼波前传感器所测得的实际波前数据； Wtheory为理论波前数据。4. 根据权利要求3所述的夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法，其特征在于： 所述步骤2】具体为： 2.1调整刀口的位置； 2.2计#:中，为微透镜阵列的第i行第j列微透镜对 应的波前数据;为微透镜阵列的第i行微透镜对应波前数据的平均僅2.3若△大于设定阈值，则刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列 的行方向不平行，重复步骤2.1~2.3;若△小于或等于设定阈值，则刀口的刃边方向与夏 克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列的行方向平行。5. 夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法，其特征在于:包括以下步骤： 1】打开激光器，调整夏克一哈特曼波前传感器的位置，使其与设置在激光器输出光路 上的准直镜穿好； 2】将刀口切入准直镜和夏克一哈特曼波前传感器间的光路中，并使刀口距所述微透镜 阵列所在平面的距离小于Lx/(AVmax)，刃边位于微透镜阵列下方，刃边沿准直镜光轴方向的 延长线交于微透镜阵列最下方一行透镜的中心处;所述v max为夏克一哈特曼波前传感器的 截止频率，Lx为夏克一哈特曼波前传感器在X方向上的工作长度，λ为所述激光器输出激光 的波长； 3】调整刀口的位置，使刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列的行 方向平行； 4】按步骤3】将装置调整好后，在所述微透镜阵列的正前方将产生用于标定的衍射光波 相位分布，利用夏克一哈特曼波前传感器获取所述衍射光波相位分布的波前数据，则夏 克一哈特曼波前传感器对不同频銮被前的晌府特件F为，式中，FFT表示傅里叶变换;Wtest为夏克-哈特曼波前传感器所测得的实际波前数据； Wtheory为理论波前数据。6. 根据权利要求5所述的夏克一哈特曼波前传感器频响特性的标定方法，其特征在于： 所述步骤3】具体为： 3.1调整刀口的位置； 3.2计寞，式中，wu为微透镜阵列的第i行第j列微透镜对 应的波前数据;i为微透镜阵列的第i行微透镜对应波前数据的平均值3.3若△大于设定阈值，则刀口的刃边方向与夏克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列 的行方向不平行，重复步骤3.1~3.3;若△小于或等于设定阈值，则刀口的刃边方向与夏 克一哈特曼波前传感器的微透镜阵列的行方向平行。
【文档编号】G01J9/00GK105865638SQ201610298934
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】刘尚阔, 段亚轩, 李晶, 赵建科, 薛勋, 周艳
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所