專利名稱：基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于光學檢測的哈特曼波前傳感器，特別是一種微棱鏡哈特曼波前傳感器。
背景技術：
哈特曼波前傳感器已廣泛應用于自適應光學系統之中，它可以事先用一束高質量的參考光標定，而在現場測量時無需參考光，所以對環境的要求不像干涉儀那樣敏感，因此它對于光學元件質量控制是一個十分有效的工具。現有的哈特曼波前傳感器，通常采用微透鏡陣列分割光束孔徑，并將入射光聚焦到光電探測器(通常為CCD)的光敏靶面，或者通過一轉像系統將微透鏡的焦面光斑圖象成像于光電探測器光敏靶面。這種微透鏡結構的哈特曼傳感器常被用來測量大氣像差、進行光學檢測等。上述哈特曼傳感器可以參見“Adaptive Optics for Astronomy”D.M.Alloin and J.M.Mariotti.KluwerAcademic Publishers，1994.“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski，B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997。這類哈特曼傳感器的不足在于微透鏡陣列與CCD的耦合技術比較復雜，微透鏡陣列的微透鏡單元的焦距誤差不一致導致影響傳感器精度，對微透鏡陣列制作技術的要求很高，安裝、調試困難，不適宜大批量制造。
姜文漢等曾提出和制作過一種帶有不同楔角的棱鏡(指光楔或楔板)組成的分割鏡分割光束孔徑(“37單元自適應光學系統”，姜文漢，吳旭斌，凌寧，光電工程，22卷1期38-45頁，1995年)，并用物鏡聚焦于CCD光敏靶面的哈特曼傳感器，可以克服孔徑分割元件與CCD耦合的困難。但用單個子棱鏡拼裝成孔徑分割元件的制造技術復雜而昂貴，也不適宜于批量生產。
中國專利申請號“01108433.2”的實施例1中提出哈特曼波前傳感器的孔徑分割元件1’可以是采用微光學技術或二元光學技術制作的集成式二元菲涅爾微棱鏡陣列，聚焦透鏡2’的焦面與CCD3’的光敏靶面4’重合，如圖1所示。此項發明專利申請提出了一種簡單穩定的哈特曼波前傳感器結構，但對其中的關鍵元器件-光束孔徑分割元件，并未提供確切的結構與制作方案。因此，本發明是對上述專利申請的繼續。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術中微透鏡陣列與光電探測器的耦合技術比較復雜、微透鏡陣列的微透鏡單元的焦距誤差不一致導致影響傳感器精度；以及子楔板拼裝技術工藝復雜而昂貴、不適宜批量生產等不足，提供一種適宜于工業化批量生產的用于光學檢測的微棱鏡哈特曼波前傳感器。
本發明的技術解決方案是用于光學檢測的微棱鏡哈特曼波前傳感器，包括光源、過渡系統、縮束系統、微棱鏡陣列、傅立葉透鏡和光電探測器CCD，其特征在于所述的微棱鏡陣列為變周期二維鋸齒形相位光柵陣列結構，與傅立葉透鏡組合實現光束的孔徑分割。
所述變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列為等鋸齒深度的變周期二維鋸齒形相位光柵陣列，即陣列中每個光柵均為同一鋸齒深度，只是x、y方向空間周期各不相同。
所述變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列可以有兩種實現方案單面光刻中心對稱的環形布局結構和兩面光刻的雙面光柵結構。單面光刻中心對稱的環形布局結構為在基片上單面光刻，以中心為基點，呈中心對稱圓周狀向外擴展，陣列中各個子孔徑x、y方向空間周期Tx和Ty同時由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n級數倍率遞變。兩面光刻的雙面光柵結構為在基片一面以x坐標軸為基準，刻蝕產生平行排列、光柵周期沿x方向的鋸齒形相位光柵，其光柵周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n級數倍率遞變；在基片另一面以y坐標軸為基準，刻蝕產生平行排列、光柵周期沿y方向的鋸齒形相位光柵，其光柵周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n級數倍率遞變。
所述變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列可以采用微光學技術或二元光學技術加工。
本發明的原理是變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列是采用微光學技術或二元光學技術，在一塊片基上刻蝕形成變周期二維鋸齒形相位光柵陣列，其鋸齒深度保持不變而子孔徑間周期遞變，通過設定鋸齒深度、光柵在兩正交方向的空間周期以及傅立葉透鏡焦距等參數來實現光斑陣列的均勻排布，可以有單面光刻中心對稱的環形布局結構和兩面光刻的雙面光柵結構兩種實現方案；光柵的鋸齒形相位結構采用微光學或二元光學技術刻蝕形成；傅立葉透鏡是依據焦距、f數(微透鏡的焦距/口徑)等參數要求加工的消像差透鏡，這樣通過光電探測器CCD接收到不會產生畸變。
本發明與現有技術相比有如下優點1.本發明所公開的微棱鏡哈特曼波前傳感器，其光束孔徑分割元件-微棱鏡陣列由變周期二維鋸齒形相位光柵陣列構成，只需與一個傅立葉透鏡組合，便能夠實現光束孔徑分割，所有子波前通過公共的傅立葉透鏡會聚到光電探測器光敏靶面，克服了現有技術中微透鏡陣列的微透鏡單元焦距不一致對哈特曼波前傳感器精度產生的影響。
2.本發明所公開的微棱鏡陣列，是利用微光學或二元光學技術直接在同一片基上刻蝕，避免了分別加工單個子棱鏡，然后進行子棱鏡拼裝的復雜、繁瑣、昂貴的工藝。
3.本發明所公開的微棱鏡陣列在加工時，只需改變陣列中每一個鋸齒形相位光柵的空間周期而鋸齒深度保持不變，并且鋸齒結構采用微光學或二元光學技術刻蝕形成，其結構簡單，加工工藝易實現，易于實現批量化生產。
4.將使哈特曼波前傳感器的安裝調整得以簡化。現有的微透鏡哈特曼傳感器通常需要一個轉像系統，將微透鏡陣列的焦點耦合到CCD的光敏靶面，如圖2所示，除須完成微透鏡陣列21、轉像系統22以及CCD23的準直調整外，還必須完成微透鏡陣列21的焦斑陣列和CCD23的光敏靶面24之間相對于轉像系統22的物像共軛調整，整個裝調的環節較多且難度大，不利于批量生產。而本專利所提出的微棱鏡陣列41和傅立葉透鏡42組合，直接成像于CCD光敏靶面44，如圖4所示，除必須的準直調整外，只需要將CCD光敏靶面44相對于傅立葉透鏡42進行調焦，簡化了傳感器的裝調工作。
圖1為中國發明專利申請“01108433.2”在實施例1中提出的哈特曼波前傳感器結構示意圖；圖2為現有技術中微透鏡哈特曼波前傳感器的結構示意圖；圖3a)為本發明中基于微棱鏡陣列的哈特曼傳感器檢測平面反射鏡裝置示意圖；圖3b)為本發明中基于微棱鏡陣列的哈特曼傳感器檢測凹球面反射鏡裝置示意圖；圖3c)為本發明中基于微棱鏡陣列的哈特曼傳感器檢測凸球面反射鏡裝置示意圖；圖4為本發明中基于微棱鏡陣列的哈特曼傳感器結構及工作原理示意圖；圖5為本發明中變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列41采用單面光刻中心對稱的環形布局結構示意圖；圖6為圖5的立體示意圖；圖7為本發明中變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列41采用兩面光刻的雙面光柵結構示意圖；圖8為圖7的左視圖；圖9為圖7的右視圖。
具體實施例方式
如圖3a)所示，在對平面反射鏡進行光學面形檢測時，激光光源1發出的激光束經針孔2濾波后，由準直鏡3準直為平行光出射，經反射鏡5和分束鏡6反射，并經過一個口徑匹配系統7(使用口徑匹配系統可以實現對不同口徑的檢測)出射至待檢的平面反射鏡8，經平面反射鏡8的反射光束返回并通過口徑匹配系統7，經分束鏡6透射，并經過渡系統9進入基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器光束透過微棱鏡陣列41，經傅立葉透鏡42成像，在CCD 43光敏靶面上形成光斑陣列；如圖3b)所示，在對凹球面反射鏡進行光學面形檢測時，激光光源1發出的激光束經針孔2濾波后，由準直鏡3準直為平行光出射，經反射鏡5和分束鏡6反射進準直鏡7(換用準直鏡可以實現對不通口徑的檢測)，透射光束經待檢球面反射鏡8(待檢球面反射鏡8球心與準直鏡7焦點重合)反射，返回準直鏡7，經分束鏡6透射，并經過過渡系統9進入基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器光束透過微棱鏡陣列41，再經傅立葉透鏡42成像，在CCD 43光敏靶面上形成光斑陣列；如圖3c)所示，在對凸球面反射鏡進行光學面形檢測時，激光光源1發出的激光束經針孔2濾波后，由準直鏡3準直為平行光出射，經反射鏡5和分束鏡6反射進匹配系統7，并透過準直鏡8(換用準直鏡可以實現對不同口徑的檢測)，透射光束經待檢球面反射鏡9(待檢球面反射鏡8球心與準直鏡8焦點重合)反射，返回準直鏡8和匹配系統7，經分束鏡6透射，并經過過渡系統10進入基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器光束透過微棱鏡陣列41，再經傅立葉透鏡42成像，在CCD 43光敏靶面上形成光斑陣列；
如圖4所示，微棱鏡哈特曼波前傳感器由變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列41、傅立葉透鏡42和CCD 43組成，傅立葉透鏡42緊貼變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列41，CCD 43的光敏靶面44位于傅立葉透鏡42焦面上，變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列41為采用微光學或二元光學技術在同一基片上刻蝕產生的二維鋸齒形相位光柵陣列，且為等鋸齒深度的變周期二維鋸齒形相位光柵陣列，即陣列中每個光柵均為同一鋸齒深度，只是x、y方向空間周期各不相同，它可以有兩種實現方案單面光刻中心對稱的環形布局結構和兩面光刻的雙面光柵結構，分別如圖5、圖6和圖7、圖8、圖9所示。
圖4所示的結構其具體的實施可以是微棱鏡陣列41和傅立葉透鏡42分別采用帶有三維調整功能的機械件固定，其后的CCD需要軸向平移調整。裝調時，分別對微棱鏡陣列41、傅立葉透鏡42和CCD 43進行準直調整；然后平行光入射，CCD 43進行軸向調整，使其光敏靶面位于傅立葉透鏡42的焦平面上，整個裝調過程完成。
本發明在工作時，如圖4所示，經待檢面形(平面、凹面或凸面反射鏡)反射回的光束作為入射光束，經二維鋸齒形變周期相位光柵結構的微棱鏡陣列41后，各個子孔徑的光束分別產生了相應的相位變化，經由緊貼其后的傅立葉透鏡42，和位于傅立葉透鏡焦面上的CCD 43探測其光強分布，該光強分布包含著二維鋸齒形相位光柵陣列41所產生的相位信息，每個子孔徑所產生的相位變化不同，因而在傅立葉透鏡42焦面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割。事先將標準平面波入射產生的光斑陣列保存起來作為標定位置。當帶有被檢面形像差信息的波前入射時，各個局部傾斜平面波對其子孔徑內二維鋸齒形相位光柵產生新的附加相位，該相位變化將反映到傅立葉透鏡42焦面的光斑位置相對于標定位置的偏移上。
CCD 43將接收到的光斑信號可通過計算機進行處理，采用質心算法由公式①計算光斑的位置(xi，yi)，探測全孔徑的波面誤差信息
xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm,]]>yi=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm...(1)]]>式中，m＝1～M，n＝1～N為子孔徑映射到CCD 43光敏靶面44上對應的像素區域，Inm是CCD 43光敏靶面44上第(n，m)個像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m)個像素的x坐標和y坐標。
再根據公式②計算入射波前的波前斜率gxi，gyigx1=Δxλf=x1-x0λf,]]>gyt=Δyλf=y1-y0λf...(2)]]>式中，(x0，y0)為標準平面波標定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準位置；哈特曼傳感器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(xi，yi)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖5所示，微棱鏡陣列可以是單面光刻中心對稱的環形布局結構各個光柵的周期和刻線方向形成環形布局，即在基片上單面光刻，以中心點O為基點，呈中心對稱圓周狀向外擴展，陣列中各個子孔徑x、y方向空間周期Tx和Ty同時由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n級數倍率遞變。
圖6為圖5所示結構的立體示意圖。
如圖7、圖8和圖9所示，微棱鏡陣列還可以有兩面光刻的雙面光柵結構由兩面分別確定陣列中各個光柵的X和Y方向的光柵周期，在基片一面刻線產生X方向周期，另一面則刻線產生Y方向周期，雙面刻線共同形成光柵陣列的不同周期，即在基片一面以x坐標軸為基準，刻蝕產生平行排列、光柵周期沿x方向的鋸齒形相位光柵，其光柵周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n級數倍率遞變；在基片另一面以y坐標軸為基準，刻蝕產生平行排列、光柵周期沿y方向的鋸齒形相位光柵，其光柵周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n級數倍率遞變。
權利要求
1.基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，包括光源、過渡系統、縮束系統、微棱鏡陣列、傅立葉透鏡和光電探測器，其特征在于所述的微棱鏡哈特曼傳感器是由變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列與傅立葉透鏡組合實現光束的孔徑分割。
2.根據權利要求1所述的基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，其特征在于所述變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列為等鋸齒深度的變周期二維鋸齒形相位光柵陣列，即陣列中每個光柵均為同一鋸齒深度，只是x、y方向空間周期各不相同。
3.根據權利要求1或2所述的基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列既可采用微光學技術，也可采用二元光學技術加工。
4.根據權利要求1或2所述的基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，其特征在于所述變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列采用單面光刻中心對稱的環形布局結構或兩面光刻的雙面光柵結構。
5.根據權利要求4所述的基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的單面光刻中心對稱的環形布局結構為在基片上單面光刻，以中心為基點，呈中心對稱圓周狀向外擴展，陣列中各個子孔徑x、y方向空間周期Tx和Ty同時由中心向外呈1，1/2，1/3…1/n級數倍率遞變。
6.根據權利要求4所述的基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的兩面光刻的雙面光柵結構為在基片一面以x坐標軸為基準，刻蝕產生平行排列、光柵周期沿x方向的鋸齒形相位光柵，其光柵周期由中心向外呈1，1/2，1/3…1/n級數倍率遞變；在基片另一面以y坐標軸為基準，刻蝕產生平行排列、光柵周期沿y方向的鋸齒形相位光柵，其光柵周期由中心向外呈1，1/2，1/3…1/n級數倍率遞變。
全文摘要
基于微棱鏡陣列的光學檢測哈特曼波前傳感器，包括光源、過渡系統、縮束系統、微棱鏡陣列、傅立葉透鏡和光電探測器，其特征在于所述的微棱鏡哈特曼波前傳感器由變周期二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列、與其緊貼著的傅立葉透鏡及光電探測器組成；其中的二維鋸齒形相位光柵結構的微棱鏡陣列，可有單面光刻中心對稱的環形布局結構和兩面光刻的雙面光柵結構，既可采用微光學技術，也可采用二元光學技術加工。本發明結構簡單、穩定，加工工藝易實現，相對于現有的微透鏡技術，能夠簡化哈特曼波前傳感器的安裝、調節，實現批量化生產。
文檔編號G01D5/26GK1601230SQ03126430
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月28日 優先權日2003年9月28日
發明者王海英, 蔣鵬, 楊澤平, 李恩德, 張雨東 申請人:中國科學院光電技術研究所