一种数字化3D打印棱锥波前传感器的制作方法

一种数字化3d打印棱锥波前传感器
技术领域：
1.本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种用于波前像差测量的棱锥波前传感器。


背景技术：

2.波前传感器是自适应光学系统的关键器件，能够实时测量入射波前像差。近年来，随着技术发展，自适应光学快速从军事向民用和工业领域扩展，例如激光光束整形、眼底病变的医疗诊断和光通信等领域。
3.棱锥波前传感器是一种斜率型波前测量系统，一般由四棱锥、聚焦透镜和成像透镜构成。如图1所示，入射光波通过聚焦透镜4汇聚于四棱锥1的顶点，折射为四个子光束，四束子光束再通过成像透镜2形成四个子光瞳像，光电探测器3测量4个子光瞳像的强度分布，计算得到波前像差的斜率分布，进而通过波前重构算法得到波前相位分布。
4.与传统波前斜率测量器件
‑
哈特曼传感器相比，棱锥波前传感器具有光能利用率高、空间分辨率高，以及采样率易于改变的优点。但实际自适应光学系统却很少采用棱锥波前传感器，尤其是对暗弱目标成像，光能资源珍贵的应用场合。原因在于很难加工出符合设计要求的四棱锥器件，限制了棱锥波前传感器的实际应用，不能发挥出该器件高效利用光能的优势。
5.四棱锥是棱锥波前探测器的分光元件，它的性能直接决定探测器的性能。入射光经过四棱锥分光折射后，形成的四个子光瞳像中心的夹角β由棱锥底角α和折射率n决定：β＝(n
‑
1)α，见图2。实际应用中，为了避免子光瞳像的重叠，同时不超出光电探测器的测量范围，棱锥底角的角度范围一般为1
‑
3度。四棱锥锥尖面几乎为一个平面，以减少色散效应。
6.目前，四棱锥的加工方法主要有传统光学抛光法和光刻电铸压膜法(liga)。采用传统光学抛光法加工四棱锥，光学磨头和镜坯载台在小夹角下很难保持精度，同时磨头的进刀、出刀过程反复冲击棱锥的棱边，棱边和锥尖形成明显的平台，实际中很难得到符合设计要求的四棱锥。
7.光刻电铸压膜法(liga)虽然可以加工出光学性能满足要求的四棱锥，但liga技术制作的器件尺寸非常微小，系统装调难度很大，同时对加工设备要求高，生产成本高昂。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是：克服现有棱锥波前传感器的四棱锥的加工难题，提供一种数字化3d打印棱锥波前传感器。1、改变传统四棱锥设计，增大棱锥底角，降低加工难度；2、采用数字化建模，灵活设计器件参数；引入3d打印加工工艺，实现棱锥的精准加工；3、合理选择打印材料的折射率分布，实现棱锥波前传感器对多波长的波前测量，降低色散效应。本发明所采用的技术方案是：一种数字化3d打印棱锥波前传感器，包括沿光线方向顺序排列的数字微反射镜(dmd)、聚焦透镜、数字化3d打印棱锥、成像透镜和光电探测器，数字化3d打印棱锥顶点位于聚焦透镜的像方焦点，成像透镜到棱锥顶点的光程等于成像透镜的物
方焦距，光电探测器到成像透镜的光程为成像透镜的像方焦距，所述数字微反射镜位于聚焦透镜的像方共轭位置，当波前扰动增强时，超出棱锥波前传感器的静态测量范围，数字微反射镜提供周期性变化的倾斜调制，增大棱锥波前传感器的动态测量范围，数字化3d打印棱锥通过3d打印机打印获得。
9.当数字化3d打印棱锥打印时，波前测量对象的波长为非单一波长时，采用如下任一方案打印
10.方案1、采用传统小底角四棱锥设计，所述底角计算公式为
[0011][0012]
其中，f为入射光波的f数，n为四棱锥材料折射率，根据棱锥底角α、底面长度d确定棱锥高度h，建立四棱锥三维数字化模型文件，采用3d打印机从四棱锥底面开始，沿垂直底面方向，逐层扫描，得到数字化3d打印四棱锥，最后对四棱锥进行抛光；
[0013]
方案2、棱锥由折射率n1的四棱锥和折射率n2的正四棱台构成，四棱锥和正四棱台的底角相同，都为α，所述棱锥四个子光束的偏转夹角为：
[0014]
β＝α(n1‑
n2)
[0015]
根据所述设计确定棱锥参数，建立棱锥三维数字化模型文件，通过3d打印机，从正四棱台右底面开始，通过3d打印机，采用第二打印材料逐层扫描得到正四棱台，再换用第一打印材料，在正四棱台上打印出四棱锥，得到数字化3d打印棱锥，最后进行抛光处理。
[0016]
第一打印材料和第二打印材料根据实际需要选择，如可以选择第一打印材料为折射率n1＝1.5的透明光敏树脂，第二打印材料为折射率n2＝1.4的透明光敏树脂。
[0017]
当数字化3d打印棱锥打印时，波前测量对象的波长为单一波长时，采用如下方案打印
[0018]
方案3、棱锥由底角α1的四棱锥和底角为α2的正四棱台两部分构成，棱锥材料折射率为n，所述棱锥的四个子光束的偏转夹角公式为：
[0019]
β＝(n
‑
1)(α1‑
α2)
[0020]
根据所述设计确定棱锥参数，建立棱锥三维数字化模型文件，通过3d打印机，逐层扫描，得到数字化3d打印棱锥，最后进行抛光处理。抛光处理所采用的抛光工艺采用干式和液态抛光工艺，抛光工艺处理后，棱锥的微细结构不受影响
[0021]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0022]
一、本发明根据棱锥设计方案建立三维数字化模型，便于技术参数的修改、存储以及可视化处理。
[0023]
二、本发明采用3d打印技术，能够根据设计参数精准加工，解决了光学抛光法加工精度低，周期长的问题；解决了liga工艺加工的器件尺寸过小，难以装校的问题。
[0024]
三、本发明通过对数字化模型的调整和3d打印工艺，能够提供个性化、小批量的定制。
[0025]
四、本发明通过棱锥的设计和材料折射率的选择，有效增大棱锥的底角设计范围，降低了器件的加工难度和色散效应，有利于光学抛光工艺的应用。
[0026]
五、本发明采用3d打印技术，椎体顶点和棱边的锐度由扫描激光聚焦光斑决定，可
以获得比光学抛光法面积更小的椎体平台。以双光子3d打印机为例，数字化3d打印棱锥1的锥尖宽度范围为160
‑
200nm，远远小于现有棱锥波前传感器的锥尖平台小于5μm的加工精度。
[0027]
六、本发明采用3d打印技术，可以将不同折射率的材料加工成一个完整的光学器件，不需要分别加工成多个部件再装配，测量系统结构紧凑，装配难度降低。
[0028]
七、本发明采用3d打印技术，与传统光学抛光法，liga工艺相比，工业化程度高，工艺流程简单，成本低。
附图说明
[0029]
图1为本发明结构组成示意图；
[0030]
图2为本发明实例1的棱锥结构示意图；
[0031]
图3为本发明实例2的棱锥结构示意图；
[0032]
图4为本发明实例3的棱锥结构示意图；
[0033]
图5为本发明去掉数字微反射镜的结构示意图。
具体实施方式
[0034]
如图1所示，本发明一种数字化3d打印棱锥波前传感器，具体包括、数字化3d打印棱锥1、成像透镜2、光电探测器3、聚焦透镜4和数字微反射镜5。所述数字化3d打印棱锥1的顶点与聚焦透镜4的像方焦点重合。入射光波w(x,y)经过聚焦透镜4汇聚在数字化3d打印棱锥1的顶点被分成四个子光束折射，通过成像透镜2成像至光电探测器3，形成4个子光瞳像，四个子光瞳像光强分布分别为(i1，i2,i3,i4)，采样点(x,y)的波前斜率满足公式(1)，根据四个子光瞳像的强度分布，求出波前斜率分布，进而通过区域法或模式法重构出入射波前w
′
(x，y)。
[0035][0036]
在本发明实施例中，数字化3d打印棱锥1的加工具体包括4个步骤：1、棱锥参数的设计、确定；2、根据棱锥参数建立三维数字化模型文件；3、根据三维数字模型，3d打印加工；4、抛光处理。
[0037]
本发明实例提供了三种不同的棱锥参数设计方案。
[0038]
当入射波前的波长为多波长，必须考虑棱锥材料对入射光波的色散效应时，如图2所示，本发明实施例可以采用方案1。所述棱锥为传统小底角四棱锥，从棱锥底面出射的四个子光束的夹角β满足公式(2)
[0039]
β＝(n
‑
1)α
ꢀꢀꢀ
(2)
[0040]
其中，α为棱锥的棱面和底面夹角，n为棱锥材料折射率。为避免四个子光瞳像的重叠，要求其中f为入射光波w(x,y)的f数。则棱锥的底角α满足公式3
[0041][0042]
兼顾降低色散效应，公式(3)一般取等号。
[0043]
以f＝50，n＝1.5为例，则α＝3.24deg，棱锥锥尖面几乎为一个平面，出射光束近似垂直底面出射。
[0044]
定义所述数字化3d打印棱锥1底面为正方形，边长d1，锥顶到底面的垂直高度满足公式(4)，得到椎体高度h1[0045][0046]
本发明实施例中，根据系统装调需要，可以在椎体底面增加厚度为h2的平板，平板材料与椎体材料相同。根据所述棱锥参数确定方法，计算得到各个参数值，进而建立三维数字化模型数据文件。
[0047]
根据所述棱锥的三维数字化模型数据文件，选择折射率为n的光敏材料，3d打印机从棱锥底面开始，沿棱锥底面垂线方向，逐层打印，最后进行抛光处理。
[0048]
当入射波前的波长为多波长，必须考虑棱锥材料对入射光波的色散效应时，如图3所示，本发明实施例还可以采用方案2。
[0049]
所述方案2，棱锥由一个折射率n1的四棱锥6和一个折射率n2的正四棱台7构成。所述四棱锥6和正四棱台7有相同大小的底角α1。入射光波经四棱锥6和正四棱台7的折射，出射子光束夹角满足公式(5)
[0050]
β＝(n1‑
n2)α1ꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
仍以f＝50为例，四棱锥6的折射率n1＝1.5，正四棱台7的折射率n2＝1.4，产生β＝1.62deg的偏转夹角，代入公式(5)计算得到α1＝16.2deg。
[0052]
所述本实施例方案2中，合理选择n1和n2的数值，可以同时满足底角增大和色散效应小的需求。
[0053]
所述四棱锥6和正四棱台7相接底面为正方形，边长为d2，所述四棱锥6的椎体高度满足公式(6)
[0054][0055]
正四棱台7朝向成像透镜3的右底面为正方形，边长为d3，满足公式(7)
[0056][0057]
正四棱台7左、右两底面的垂直距离h4满足公式(8)
[0058][0059]
根据所述参数确定公式，计算得到棱锥参数值，进而建立三维数字化模型数据文件。
[0060]
根据所述三维数字化模型数据文件，选择折射率为n2的打印材料，3d打印机从正四棱台7的右底面开始，沿底面垂线方向，逐层打印高度h4。改变打印材料，选择折射率为n1的打印材料，从正四棱台7左底面开始，继续沿底面垂线方向，逐层打印高度h3的四棱锥6，
最后进行抛光处理。
[0061]
当入射波前为单波长测量，无需考虑色散效应时，如图4所示，本发明实施例还可以采用方案3。
[0062]
所述方案3，棱锥由一个四棱锥8和一个正四棱台9构成。四棱锥8的锥尖朝向聚焦透镜4。四棱锥8和正四棱台9均采用折射率n的打印材料，四棱锥8的底角和正四棱台9的底角不同，分别为α1，为α2，入射光波经过四棱锥8和正四棱台9的折射，出射子光束夹角满足公式(9)
[0063]
β＝(n
‑
1)(α1‑
α2)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0064]
仍以f＝50，n＝1.5为例，产生β＝1.62deg的偏转夹角，两底角之差只需满足(α1‑
α2)＝3.24deg。
[0065]
所述四棱锥6和正四棱台的底角可以分别为33.24deg和30.24deg。也可以选择其他角度组合满足公式(9)。
[0066]
所述数字化3d打印棱锥1的大底角，克服了底角过小带来的锥顶角和锥面边缘锐度难以加工实现的困难。
[0067]
所述四棱锥8和正四棱台9相接底面为正方形，边长为d4，所述四棱锥6的椎体高度h5满足公式(10)
[0068][0069]
正四棱台9朝向成像透镜3的右底面为正方形，边长为d5，满足公式(11)
[0070][0071]
正四棱台9左、右两底面的垂直距离h6满足公式(12)
[0072][0073]
根据所述参数确定公式，计算得到各参数值，进而建立三维数字化模型数据文件。
[0074]
根据所述三维数字化模型数据文件，选择折射率为n的打印材料，3d打印机从正四棱台9的右底面开始，沿底面垂线方向，逐层打印，最后进行抛光处理。
[0075]
所述发明实施例中，数字化3d打印棱锥1的锥尖宽度由3d打印机的扫描激光的焦斑尺寸决定。以双光子3d打印机为例，数字化3d打印棱锥1的锥尖平台宽度约为160
‑
200nm，远远小于棱锥波前传感器的锥尖小于5μm的加工精度要求。
[0076]
如图1所示，所述发明实施例中，当入射光波w(x，y)的扰动增强，超出了数字化3d打印棱锥1的静态调制范围，聚焦光斑偏离锥尖，造成其中一个子光瞳像亮度增强，而另一个子光瞳像成为暗点，仅能判断扰动方向，不能进行定量计算。所述数字微反射镜5在x，y方向产生周期性倾斜调制信号，使x、y方向的两个子光瞳面上都可以探测光强分布，增大棱锥波前传感器的动态测量范围。
[0077]
如图5所示，当入射光波w(x，y)的动态扰动较小时，所述实施例中还可以去掉数字微反射镜5。
[0078]
以上的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以上实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容，实施例
中未作详细描述的属于本领域技术人员所公知的现有技术。