[发明专利]波前传感器及用它的透镜检查仪和主动反射式光学望远镜

说明书

本发明涉及一种用于测量光束波前形状的波前传感器，以及使用该波前传感器的透镜检查仪和主动反射式光学望远镜。

传统上，已知Hartmann波前传感器是一种用于测量光束波前形状的波前传感器。Hartmann波前传感器包括一个称为Hartmann板的板状构件，构件中按恒定间距有规律地形成多个小孔；还包括一个与Hartmann板平行放置的面传感器。光束从面传感器的背面射到Hartmann板上。当入射光束穿过小孔时，形成一束细光线，并根据小孔数目在面传感器上产生多个光点。

当入射光束是平面波时，Hartmann板中小孔之间的间距和面传感器上光点之间的间距相等。即使小孔间距和光点间距不等，也可以根据各光点在面传感器上的位置计算发射光线的方向，因为Hartmann板与面传感器之间的距离以及Hartmann板中小孔的位置是已知的。由于此方向等于入射光束波平面的法向，所以可以根据光的多个方向测量出入射光束的波前形状。

另一方面，为了提高信噪比(S/N比)，通常为Hartmann板的每个小孔配备具有相同规格的单一聚焦透镜，并且将面传感器放在每个透镜的焦点上。

但是，传统的波前传感器存在一个问题，即当入射光束是平面波时，通常使用单个聚焦透镜并将面传感器放在单个聚焦透镜之焦点上可以充分提高S/N比，但是如果入射光束不是平面波，那么面传感器上的光点会变模糊，并且S/N比明显下降。

如图12(a)所示，当入射到Hartmann板1中透镜2上的光束P是平面波时，透过透镜2的光会聚在面传感器3上的一点，并产生光点Q1。光点Q1具有图13中实线表示的光能分布。但是，如图12(b)和12(c)所示，当入射光束P是发散光或会聚光时，透过透镜2的光不会收敛在面传感器3上，而是在面传感器3上产生一个相当大的光点Q2或Q3。这些光点Q2和Q3具有图13中虚线表示的光能分布，由于不象光点Q所显示的那样相对周围具有明显的光能差异，所以它们是模糊的。因此，当面传感器接收到的光能因透镜上存在灰尘或划痕而降低时，很容易影响光点Q2和Q3，最坏的情况是，这些点不能被辨别为光点。

另外，由于模糊光点周边不清楚，并且从光点中心向外延伸，所以面传感器3上的相邻光点会彼此接触或重叠。为了避免这种情况，必须缩短Hartmann板1和面传感器3之间的距离，或者加大Hartmann板1中小孔的间距。但是，在前一种情况下，对于非平面的入射光，光点的位移变小，这会降低对位移的灵敏度。在后一种情况下，光点的密度变小，这会减小测量点。因此，两者情况都会损失对波前形状的测量精度。

特别是，当测量明显非平面的波前(诸如通过透镜射出的光束)时，不能忽略上述问题，并且绝对有必要避免光点发生明显模糊，以便提高测量精度。

根据上述观点，本发明的一个目的是提供一种波前传感器，无论入射光束的波前形状如何，它都能避免产生明显模糊的光点，进行高精度测量。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述波前传感器的透镜检查仪和反射式望远镜。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种波前传感器，它包括多个透镜，它们位于同一平面上；和面传感器，它接收经每个透镜会聚成光点的一束光，其中波前传感器根据光点在面传感器上的位置测量入射到透镜上的光束的波前形状。每个透镜都包括多个焦距不同的同心区，并且面传感器基本上位于第一位置和第二位置之间的一半距离，其中第一位置是在平面波穿过同心区中焦距最小的区域后成像的位置，而第二位置是在平面波穿过焦距最大的另一区域后成像的位置。

在本发明的另一种较佳形式中，诸同心区的各自焦距从每个透镜的中心部分向周边部分作阶跃型变化。另一种情况是，诸同心区的各自焦距从每个透镜的中心部分向周边部分作连续变化。

从制造角度看，最好每个透镜的中心部分具有最大焦距，而每个透镜的周边部分具有最小焦距。

诸透镜最好包括一衍射光学元件。

在本发明的另一方面，提供了一种透镜检测仪，它包括具有上述结构的波前传感器。

在本发明的又一方面，提供了一种主动反射式光学望远镜，它使用具有上述结构的波前传感器。

图1是一透视示意图，示出了依照本发明的波前传感器的一般结构；

图2是一平面图，示出了适于安装在波前传感器上的透镜。

图3是一放大图，示出了构成透镜的衍射光学元件的截面轮廓；

图4是一示意图，示出了当本发明的波前传感器应用于透镜检查仪时所用的结构；

图5是一示意图，示出了包含本发明波前传感器的透镜检查仪的一般结构；

图6(a)示出了当会聚光束入射到波前传感器上时的成像方式；