寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標定裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬光學領域，涉及一種夏克-哈特曼波前傳感器絕對標定裝置及方法，尤 其涉及一種利用單色儀、會聚鏡和點衍射板產生不同波段的高精度球面波，實現寬譜段夏 克-哈特曼波前傳感器參數絕對標定的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 由于夏克-哈特曼波前傳感器具有如下優點：①測量系統結構和光路簡單；②對 光源的時間相干性要求不高；③能夠在弱光下操作；④對測量環境要求不高，且在線實時 測量；⑤測量動態范圍大，不存在2 31的不定性問題，其波面傾斜相同，不會影響測量結果。 由于具有以上優點，夏克-哈特曼波前傳感器主要應用于強激光參數診斷與控制、自適應 光學系統中波前測量、大氣湍流參數測量、人眼像差測量、光學元件和光學系統性能參數測 試等領域。
[0003] 夏克-哈特曼波前傳感器主要由微透鏡陣列和C⑶探測器組成，其標定主要包括： 1)微透鏡陣列的安裝和本身的透射波前等引入的系統誤差標定；2)微透鏡陣列距CCD探測 器靶面之間的距離定標。
[0004] 夏克-哈特曼波前傳感器標定方法主要有兩種：平面波法和球面波法。
[0005] 采用平面波法標定，這種方法簡單，但系統誤差標定時，平面波本身的像差無法扣 除。同時，提供高精度的平面波需要大口徑、長焦距平行光管，其造價昂貴、科研成本高。采 用此方法無法實現微透鏡陣列距CCD探測器靶面之間的距離定標，通常采用激光干涉儀與 夏克-哈特曼波前傳感器測量同一塊相位板的像差分布情況，以激光干涉儀測量結果作為 標準參考值，修正微透鏡陣列距CCD探測器靶面之間的距離。這種方法受限于激光干涉儀 的測量精度和測量環境，精度不高，且只能標定和激光干涉儀工作波段一致的夏克-哈特 曼波前傳感器，對于紫外和紅外波段夏克-哈特曼波前傳感器，這種方法無法實現。
[0006] 球面波法主要采用激光耦合進單模光纖產生球面波實現夏克-哈特曼波前傳感 器的標定。這種方法受限于光纖芯徑的大小，無法產生高精度的球面波，從而造成夏克-哈 特曼波前傳感器的系統誤差標定精度不高。同時，此方法通過更換激光器，只能在幾個特征 波長下對夏克-哈特曼波前傳感器的標定，其無法實現連續光譜標定。對于深紫外波段的 夏克-哈特曼波前傳感器需要更高精度的球面波進行標定，單模光纖芯徑的大小無法滿足 要求，利用小孔產生球面波，對小孔的大小有嚴格的要求，通常在納米量級，這將造成球面 波能量損失嚴重，夏克-哈特曼波前傳感器無法響應。
[0007] 標定夏克-哈特曼波前傳感器計算算法方面，Alexander Chernyshov等（具體 請查閱參考文獻 Alexander Chernyshov，Uwe Sterr，Fritz Riehle，JUrgenHelmcke，and Johannes Pfund. Calibration of a Shack-Hartmann sensor for absolute measurements of wavefronts. Applied Optics. 2005,44 (30)，6419 ~6425)，通過擬合二項式 Δ p 得到 夏克-哈特曼傳感器的物理參數。△ P反映了待測球面波真實曲率和傳感器測量得到的 曲率之間的差別。由于夏克-哈特曼傳感器本身特點，使得待測球面波真實的曲率半徑很 難精確測量，這種做法顯然不合理。楊金生等人提出了一種夏克-哈特曼傳感器物理參數 標定方法（專利號：200910091741. 4 -種使用球面波前標定哈特曼-夏克傳感器的方法）， 這種方在確定透鏡陣列焦距f〇和相鄰子孔徑間距的真實值P 〇的過程中存在連環嵌套的假 設，即計算f〇時假設P 〇等于P，而在計算P 〇時用到了上步中計算所得f。的值。同時利用球 面波引入的離焦數值修正復原波前，這種處理方式值得商榷，因為不同測量口徑，離焦數值 不同，并且在標定參數過程中引入了 一系列的數學近似。
【發明內容】
[0008] 為了解決【背景技術】中存在的上述技術問題，本發明提出了一種可實現寬譜段夏 克-哈特曼波前傳感器系統誤差和物理參數的絕對標定以及可提高系統標定精度的寬譜 段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標定裝置及方法。
[0009] 本發明的技術解決方案是：本發明提供了一種寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕 對標定裝置，其特殊之處在于：所述寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標定裝置包括會 聚鏡、點衍射板、錐孔板、高精度平移臺、采集與控制計算機、光軸定位模塊以及可輸出不同 波長單色光的單色儀；所述單色儀可輸出不同波長的單色光，其波段覆蓋范圍從紫外到紅 外；所述錐孔板可拆卸的固定在待標定的夏克-哈特曼波前傳感器的前端；所述錐孔板的 錐孔中心與待標定的夏克-哈特曼波前傳感器的靶面中心重合；待標定的夏克-哈特曼波 前傳感器固定在高精度平移臺上；所述采集與控制計算機分別與待標定的夏克-哈特曼波 前傳感器以及高精度平移臺相連；所述會聚鏡設置在單色儀的出射光路上；所述會聚鏡、 點衍射板以及錐孔板依次處于同一光軸上；所述光軸定位模塊置于點衍射板與錐孔板之 間。
[0010] 上述點衍射板是可見光和紅外波段點衍射板或紫外波段點衍射板；所述點衍射板 是可見光和紅外波段點衍射板時，所述點衍射板上設置有從1 μπι~10 μπι不等尺寸的針 孔；每種尺寸的針孔至少包括3個；相鄰針孔的孔間距大于Imm ;所述點衍射板是紫外波段 點衍射板時，所述點衍射板上設置有納米量級的針孔，針孔規則排列組成針孔陣列；相鄰針 孔的間距由范西特-澤尼克定理決定；針孔陣列區域大小通過標量衍射理論計算理想點光 源發出的球面經待標定夏克-哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列形成衍射光斑的大小來決 定。
[0011] 上述點衍射板置于會聚鏡的焦點處。
[0012] 上述光軸定位模塊包括He-Ne激光器、分光鏡以及平面鏡；所述分光鏡以及平面 鏡依次設置在He-Ne激光器的出射光路上；分光鏡將He-Ne激光器出射的激光分為反射光 以及透射光；反射光入射至點衍射板上；透射光入射至平面鏡后依次經平面鏡反射以及分 光鏡反射后入射至錐孔板上。
[0013] 一種基于如前所述的寬譜段夏克-哈特曼波前傳感器絕對標定裝置的標定方法， 其特殊之處在于：所述標定方法包括以下步驟：
[0014] 1)利用單色儀、會聚鏡和點衍射板產生與理想球面波偏差RMS優于KT4 λ的高精 度球面波；
[0015] 2)通過光軸定位模塊完成球面波與待標定的夏克-哈特曼波前傳感器的對準；
[0016] 3)移動待標定的夏克-哈特曼波前傳感器，采集不同位置處被待標定的夏克-哈 特曼波前傳感器的微透鏡陣列分割的光斑陣列圖像，通過標定算法實現夏克-哈特曼波前 傳感器的絕對標定。
[0017] 上述步驟1)的具體實現方式是：
[0018] I. 1)根據待標定夏克-哈特曼波前的工作波長不同選擇適合的點衍射板，將點衍 射板放置于會聚鏡的焦點處；
[0019] 1. 2)設置單色儀，使單色儀輸出與待標定的夏克-哈特曼波前傳感器工作波段一 致的單色光；
[0020] 1. 3)單色儀輸出單色光經會聚鏡聚焦后入射至點衍射板上，產生與理想球面波偏 差RMS優于KT4 λ的高精度球面波。
[0021] 上述步驟2)的具體實現方式是：
[0022] 2. 1)將光軸定位模塊放置于點衍射板與定位基準結構之間；
[0023] 2. 2)打開He-Ne激光器輸出準直激光經分光鏡后分別形成反射光以及透射光；反 射光入射至點衍射板上，透射光經平面鏡反射以及分光鏡再反射后入射至錐孔板上；調節 光軸定位模塊使入射至點衍射板上的光斑與點衍射板的針孔重合；
[0024] 2. 3)調節待標定的夏克-哈特曼波前傳感器的位置和姿態，使入射至錐孔板上的 激光束穿過錐孔板上的錐孔，并與待標定的夏克-哈特曼波前傳感器的靶面中心重合，從 而完成球面波與待標定的夏克-哈特曼波前傳感器的對準。
[0025] 上述步驟3)的具體實現方式是：
[0026] 3. 1)對準完成后，將光軸定位模塊撤出，拆下錐孔板，同時由待標定的夏克-哈特 曼波前傳感器采集光斑點陣圖像，利用高精度平移臺獲取待標定夏克-哈特曼波前傳感器 當前位置，并以此位置記為初始位置；
[0027] 3. 2)通過采集與控制計算機控制高精度平移臺，待標定的夏克-哈特曼波前傳感 器移動到不同位置i