一種波面檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種波面檢測裝置，適用于自適應光學和光學檢測領域。該檢測裝置由大口徑標準平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD（位置傳感器）陣列、步進電機、A/D卡及計算機組成。PSD陣列對被檢聚焦透鏡進行全口徑連續采樣，并實時進行光斑質心探測。通過自動對焦程序，步進電機驅動PSD陣列探測到被檢聚焦透鏡的焦平面。步進電機再驅動PSD陣列在焦前焦后移動，采集像空間不同垂軸位置的波前信息，通過計算機程序分析聚焦透鏡像差，實現對大口徑聚焦透鏡出射波前的實時檢測。該方法對測量口徑的大小沒有限制，對降低測量成本、增加測量靈活度有重要意義。
【專利說明】—種波面檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明適用于自適應光學和光學檢測等領域，涉及一種基于PSD陣列進行波前檢測的技術，用于大口徑聚焦透鏡出射波前的測量。
【背景技術】
[0002]大口徑光學鏡面在軍事領域、航天領域以及大型地面、空間天文望遠鏡等科研領域中都得到了廣泛的應用。例如，要觀測天體劇烈活動對人類的危害與影響；探索宇宙的形成與演變；探索宇宙中是否有生命體；探索人類能否在月球與火星上進行無重力、無污染的生產；探索宇宙中存在的金礦和貴金屬能否開采等，都需要采用更大口徑的望遠系統，用來測量天體的大小、位置和物理性質，探測新天體和地球以外生命以及適宜人類生活的新空間，進而促進人類進一步開發和利用宇宙。另外，大口徑光學系統在天文光學、空間光學、地基空間目標探測與識別、慣性約束聚變(ICF)等高【技術領域】都得到了越來越廣泛的應用。
[0003]但大口徑光學系統波面檢測卻一直受到龐大設備費用與測量設備較長加工周期的限制而沒有得到很好解決。為了以低成本、高分辨率檢測光學系統中大口徑光學元件，對于大口徑光學系統波面檢測技術的研究受到越來越多的重視。
[0004]傳統大口徑波前檢測方法各有利弊。用哈特曼法檢測出射波前，每檢測一個系統就要制造一個匹配的哈特曼光闌，成本很高，不適宜中小項目的檢測；剪切干涉法必須引入至少和被檢系統口徑相當且材料均勻性高的剪切板，造價非常高；而子孔徑拼接法其機械結構非常復雜，傳遞誤差和積累誤差大，算法難度大。
【發明內容】
[0005]鑒于傳統方法的缺陷，為了以低成本、高分辨率進行大口徑光學系統波前檢測，當前發明采用PSD陣列法。
[0006]PSD陣列在該檢測裝置中，既是采樣器件，又是探測器件。PSD陣列中PSD小單元將出射的大口徑波前劃分為若干子波前，并分別探測每個子波前的質心變化，從而實現大口徑波前質量的檢測。該方法無需引入傳統裝置中的掃描機構，避免了波面由掃描機構引入的擾動。系統結構簡單、方便裝調、可實現快速、精確的波前質量檢測。
[0007]該檢測裝置由大口徑標準平行光管2、被檢聚焦透鏡3、PSD (位置傳感器)陣列4、步進電機6、A/D卡及計算機5組成。PSD陣列4對被檢聚焦透鏡3進行全口徑連續采樣，并實時進行光斑質心探測。通過自動對焦程序，步進電機6驅動PSD陣列4探測到被檢聚焦透鏡3的焦平面。步進電機6再驅動PSD陣列4在焦前后焦后移動，采集像空間不同垂軸位置的波前信息，通過計算機程序分析聚焦透鏡3像差，實現對大口徑聚焦透鏡出射波前的實時檢測。該方法對測量口徑的大小沒有限制，對降低測量成本、增加測量靈活度有重要意義。
[0008]本發明的技術解決方案如下: 如附圖1所示，檢測系統主要由He-Ne激光器1、大口徑標準平行光管2、被檢聚焦透鏡
3、PSD陣列及A/D卡4、計算機5及步進電機6組成。其中PSD陣列可由步進電機6驅動，沿光軸方向移動。
[0009]測量原理如圖3所示。實際測量中，由標準平行光管2發出的平行光束入射到被檢聚焦鏡3聚焦。步進電機6驅動PSD陣列4在光軸上運動，通過自動對焦程序，PSD陣列4探測面移動到聚焦透鏡3焦平面位置c，PSD陣列4各單元輸出聚焦平面c上各子波前的質心坐標。步進電機6再驅動PSD陣列4分別在焦前兩個垂軸平面a、b焦后兩個位置d、e分別探測出射波面上各子波前的質心坐標。通過計算機程序處理得到各探測面的點列圖。
[0010]由點列圖定義可知，由光源上一點發出的許多光線經過光學系統后，因像差使其與像面的焦點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形，稱為點列圖。點列圖是在現代光學檢測中像差最常用的評價方法之一。
[0011]為獲得像差數據，在測量過程中，在像方焦點前后先后選取4個相隔一定距離的垂軸截面，a、b、d、e。通過PSD陣列分別求得每一探測面上各子波前在這些截面上的光斑中心坐標。PSD把入射子波前在光敏面上的位置以模擬信號輸出，該信號只與光斑幾何重心有關，與光斑強度、分布、對稱性和尺寸無關。根據各電極上收集到電流信號的比例確定入射光的位置。在測量某一垂軸面波前信息時，PSD陣列在步進電機的驅動下沿光軸運動，同時PSD陣列探測面連續采集該波面上各子波前光斑質心位置。
[0012]若待測聚焦透鏡完美，則系統沒有像差。在每個垂軸截面位置上，波面子波前光斑圖像應呈圓形均勻分布，如圖4所示。若實際象與理想象之間存在著沿軸的差異，則該聚焦透鏡存在像差，即實際象點與理想象點的偏移。則波面子波前光斑圖像如圖5所示。若軸外物點寬光束經系統成象后失對稱，則系統中存在彗差，彗差是軸外象差之一，其點列圖如圖6所示。其危害是使物面上的軸外點成象為彗星狀的彌散斑，破壞了軸外視場的成象清晰度，且隨孔徑及視場的變化而變化，它影響的是軸外象點的清晰程度。圖7所示的系統中存在像散。由于像散的存在，導致軸外一點象成為互相垂直的二條短線，嚴重時軸外點得不到清晰的象。影響的也是軸外象點的清晰程度。事實上，只需測得兩個截面位置上的信息，就可以確定像差，但考慮到減小隨機誤差的影響，選取四個位置進行測量，提高檢測結果的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為該發明中檢測裝置結構圖；
圖2為該發明中某種PSD陣列圖示例；
圖3為該發明中測量原理圖；
圖4為待測聚焦透鏡無像差時的點列圖；
圖5為待測聚焦透鏡僅有球差的點列圖；
圖6為待測聚焦透鏡僅有彗差的點列圖；
圖7為待測聚焦透鏡僅有像散的點列圖。
【具體實施方式】
[0014]發明涉及一種波面檢測裝置，適用于自適應光學和光學檢測領域。該檢測裝置由大口徑標準平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD (位置傳感器)陣列、步進電機、A/D卡及計算機組成。PSD陣列對被檢聚焦透鏡進行全口徑連續采樣，并實時進行光斑質心探測。通過自動對焦程序，步進電機驅動PSD陣列探測到被檢聚焦透鏡的焦平面。步進電機再驅動PSD陣列在焦前焦后移動，采集像空間不同垂軸位置的波前信息，通過計算機程序分析聚焦透鏡像差，實現對大口徑聚焦透鏡出射波前的實時檢測。該方法對測量口徑的大小沒有限制，對降低測量成本、增加測量靈活度有重要意義。
[0015]【具體實施方式】見附圖1。
[0016]將He-Ne激光器I安裝在平行光管準直透鏡2的焦平面上。待測聚焦透鏡3置于準直透鏡后的平行光路中，PSD透鏡陣列4置于待測聚焦透鏡3的焦平面附近。He-Ne激光器1、平行光管2、聚焦透鏡3、PSD陣列中心都在光軸上。用A/D卡連接PSD陣列4，將其輸出電路與計算機5連接。
[0017]在測量之前需要標定每個PSD單元的線性度。標定PSD的線性度，以采樣間隔對波前進行掃描采樣，每采集一次，采樣程序連續重復采集多次，以減小隨機誤差，并輸出平均值。
[0018]把PSD陣列4放置于聚焦透鏡3焦點位置附近。步進電機6驅動PSD陣列沿光軸在焦平面附近前后微量運動。通過自動對焦程序，PSD陣列4探測面移動到聚焦透鏡3焦平面位置c，PSD陣列4各單元輸出聚焦平面c上各子波前的質心坐標。步進電機6再驅動PSD陣列4分別在焦前兩個垂軸平面a、b焦后兩個位置d、e分別探測出射波面上各子波前的質心坐標。通過計算機程序處理得到各探測面的點列圖。
【權利要求】
1.一種基于PSD (位置傳感器)陣列檢測大口徑光學系統出射波面質量的裝置， 其特征是由大口徑標準平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD (位置傳感器)陣列、A/D卡、步進電機及計算機組成的檢測系統，并通過以下步驟進行波面檢測； 1)根據采樣定理選擇合適尺寸的PSD單元及陣列數目； 2)標準平行光管以He-Ne激光器為光源，激光器放置于準直物鏡焦點處，被檢測聚焦透鏡位于平行光路中，PSD陣列位于聚焦透鏡焦平面附近； 3)測量過程中，PSD陣列對全口徑波面進行分割和質心探測，每個PSD分別輸出各自測量子波前的質心坐標； 4)將所有采樣點質心坐標進行算法擬合，得到待測波面的像差數據。
2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:由大口徑標準平行光管、被檢聚焦透鏡、PSD (位置傳感器)陣列、步進電機及計算機組成；PSD陣列對被檢聚焦透鏡出射波前進行全口徑采樣，并實時探測光斑質心，通過算法擬合得到整個大口徑波面像差數據，實現了對大口徑聚焦透鏡出射波前質量的實時檢測。
3.根據權利要求1所述的檢測裝置，出射波面口徑大小是任意的。
4.據權利要求1所述的檢測裝置，接收探測器件可以是PSD、CCD或其他光敏元件陣列。
5.根據權利要求1所述的檢測裝置，準直物鏡可以采用球面透鏡也可以采用非球面透鏡。
6.根據權利要求1所述的檢測裝置，PSD陣列由(m，η)個PSD單元組成，m,η可以是奇數也可以是偶數。
7.根據權利要求1所述的檢測裝置，PSD陣列沿光軸的運動可以由電機驅動也可以手動控制。
8.根據權利要求1所述的檢測裝置，光源可以為激光器，也可以為其它光源。
【文檔編號】G01M11/02GK104198055SQ201410431353
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】崔歡耀 申請人:深圳市天瑞科技有限公司