专利名称:光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种哈特曼波前传感器,尤其是一种能够达到最大动态测量范围的光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器。
现有的哈特曼波前传感器通常采用微透镜阵列-CCD探测器结构。1995年7月20日出版的《应用光学》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”(“Fundamental performance comparison of aHartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor”4186APPLIED OPTICS/Vol 34 No 21 20 July 1995)一文公开的一种哈特曼波前传感器,由微透镜阵列和CCD探测器构成,微透镜阵列和CCD探测器由机械结构耦合于一体。以往所有的哈特曼波前传感器微透镜阵列的排布与布局与CCD探测器靶面上子孔径的划分都是对应一致的,例如张强,许冰,姜文汉在《光学学报》,1999,Vol.19,No.3,pp.386~389“环形光斑的波前传感器与波前校正器优化布局”中介绍的哈特曼波前传感器,微透镜阵列布局是环形的,则形成的光斑阵列也是环形的,CCD探测器靶面上子孔径也是环形的,如附图6所示,靶面上中心和边缘大量的像素在工作过程中没有探测作用,总的像素利用率只有62.5%。这样的设计严重局限了哈特曼波前传感器的动态范围。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足,提供一种能充分提高CCD像素利用率,使之达到最大动态测量范围的光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器。
本发明的技术解决方案一是光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器,包括阵列孔径分割元件和CCD探测器件,其特征在于阵列孔径分割元件由透镜-楔板阵列构成,不仅可以聚焦光束成光斑阵列,而且光斑阵列的排布可以任意设计调节。其中透镜-楔板阵列由一个楔板阵列和一个微透镜阵列组成或楔板和透镜设计为一体的二元光学或连续表面阵列元件。
本发明的技术解决方案二是光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器,包括阵列孔径分割元件和CCD探测器件,其特征在于阵列孔径分割元件由离轴透镜阵列构成,不仅可以聚焦光束成光斑阵列,而且光斑阵列的排布可以任意设计调节。离轴透镜阵列可以是二元光学菲涅尔离轴微透镜阵列,也可以是连续表面离轴微透镜阵列,或变折射率的离轴微透镜阵列。
本发明由于阵列孔径分割元件由透镜-楔板阵列或离轴透镜阵列构成,通过对透镜-楔板阵列中各楔板的角度不同设计或通过对离轴透镜阵列中各透镜的光轴位置的不同设计,不仅可以达到聚焦光束成光斑阵列的目的,而且无论光束形状和孔径分割元件布局如何,都可以使光斑阵列按预期希望排布,这样能充分提高CCD像素利用率,使之达到最大动态测量范围。
具体实施例方式
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,在本发明技术解决方案一中哈特曼波前传感器包括阵列孔径分割元件1和CCD探测器件2,阵列孔径分割元件1由透镜-楔板阵列构成,透镜-楔板阵列由一个楔板阵列和一个微透镜阵列组成或是楔板和透镜设计为一体的一个阵列元件。
平面光波经透镜聚焦,焦斑位置将在焦面与透镜的光轴的交点(x0,y0)处,而当光束通过楔板时再由透镜聚焦时,如图2所示,有角度楔板为光波附加一定量的倾斜像差,光波出射方向将在x和y方向与原方向偏转δx和δyδi=I-θi-arcsin{n·sin[arcsin(1n·sinI)-θi]},]]>其中i=x, y,n是楔板的折射率,I是光波相对于楔板表面的入射角,θx和θy分别是楔板在x和y方向的角度,经过透镜聚焦后,焦斑的位置为 其中f是透镜的焦距。因此,通过改变楔板的角度我们可以将平面光波经透镜聚焦的光斑排布到任意希望的位置(x1,y1)上。
当透镜-楔板阵列由一个楔板阵列和一个微透镜阵列组成时,光束通过楔板阵列时,楔板阵列光波进行了孔径分割并且每一个子孔径的光波附加一定量的倾斜像差,经过相应的微透镜阵列上相应透镜聚焦成像于CCD形成光斑阵列。每一个光斑位置都由相应的楔板角度决定,那么整个光斑阵列的排布也就可以通过改变楔板阵列中每个楔板的设计角度来决定,且无论原光束形状和孔径分割元件布局如何,光斑阵列排布都可以按预定希望设计。例如,环形光束通过设计的透镜-楔板阵列后,其光斑的排布可以成为如图5所示的方形阵列排布,相比图6中的环形排布,这样大大提高了CCD像素利用率,可以达到95%以上。在其它参数如微透镜焦距和CCD总像素数一定的情况下,此时每个子孔径的像素数最多,哈特曼波前传感器的动态范围为最大。
楔板阵列和微透镜阵列也可以设计为一体成为一个阵列元件,即将楔板阵列和微透镜阵列用微光刻的方法同时刻画于同一个基板上,该阵列元件的每一个单元即是一组楔板和透镜的组合,用于实现光束偏转和聚焦,其工作原理完全如前所述。
如图3所示,本发明技术解决方案二中,阵列孔径分割元件可以由离轴微透镜阵列1′构成。离轴透镜阵列1′可以是二元光学菲涅尔离轴微透镜阵列,也可以是连续表面离轴微透镜阵列,还可以是变折射率的离轴微透镜阵列。
透镜光轴位置决定了焦点位置,如图4所示,透镜光轴与几何形状轴线重合时,聚焦光斑的位置是光轴(几何形状轴线)与焦面的交点(x0,y0),离轴透镜的光轴位置与几何形状轴线不重合,聚焦光斑的位置是光轴与焦面的交点(x1,y1),那么通过改变离轴透镜的光轴位置,可以改变相应聚焦光斑的位置。离轴透镜阵列上每个透镜的光轴位置,决定了相应的聚焦光斑在焦面上的位置,因而也最终决定光斑阵列的排布,那么无论原光束形状和孔径分割元件布局如何,整个光斑阵列的排布可以通过改变离轴透镜阵列每个透镜的光轴位置按预定希望设计。同样,例如环形光束通过设计的离轴微透镜阵列后,其光斑的排布也可以成为如图5所示的方形阵列排布,相比图6中的环形排布,这样大大提高了CCD像素利用率,达到95%以上。在其它参数如微透镜焦距和CCD总像素数一定的情况下,此时每个子孔径的像素数最多,哈特曼波前传感器的动态范围为最大。离轴微透镜阵列的制作可以是微光刻的二元光学元件或连续表面元件,也可以是变折射率离轴微透镜阵列,其子透镜是通过折射率成梯度变化,达到聚焦光束的目的。离轴微透镜阵列子透镜形状可以是柱面镜,也可以是立方体、圆柱体,或其它形状。
权利要求
1.光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器,包括阵列孔径分割元件和CCD探测器件,其特征在于所述的阵列孔径分割元件由透镜-楔板阵列构成。
2.根据权利要求1所述的光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器其特征在于所述的透镜-楔板阵列由一个楔板阵列和一个微透镜阵列组成。
3.根据权利要求1所述的光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器其特征在于所述的透镜-楔板阵列是楔板和透镜设计为一体的二元光学或连续表面阵列元件。
4.光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器,包括阵列孔径分割元件和CCD探测器件,其特征在于所述的阵列孔径分割元件由离轴透镜阵列构成。
5.根据权利要求4所述的光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器,其特征在于所述的离轴透镜阵列是二元光学菲涅尔离轴微透镜阵列,或连续表面离轴微透镜阵列,或变折射率的离轴微透镜阵列。
全文摘要
光斑阵列排布可调的哈特曼波前传感器,包括阵列孔径分割元件和CCD探测器件,其特点在于阵列孔径分割元件由透镜-楔板阵列或离轴透镜阵列构成,通过对透镜-楔板阵列中各楔板的角度不同设计或通过对离轴透镜阵列中各透镜的光轴位置的不同设计,不仅可以达到聚焦光束成光斑阵列的目的,而且无论光束形状和孔径分割元件布局如何,都可以使光斑阵列按预期希望排布。本发明能充分提高CCD像素利用率,使之达到最大动态测量范围。
文档编号G02B27/22GK1465967SQ0212375
公开日2004年1月7日 申请日期2002年6月24日 优先权日2002年6月24日
发明者侯静, 凌宁, 姜文汉, 静 侯 申请人:中国科学院光电技术研究所