[发明专利]哈特曼波前探测器与入射光束的孔径对准方法

说明书

技术领域

本发明属于光电信号探测领域，涉及一种用于波前形状测量的光学仪器—哈特曼波前探测器的使用方法，具体地说是哈特曼波前探测器与入射光束的孔径对准方法。

背景技术

哈特曼波前探测器是一种在光学面形检测、光学系统装调、尤其是在自适应光学技术中广泛使用的波前测量装置。传统的哈特曼波前探测器主要包括微透镜阵列、转接镜头、光电探测器（通常为CCD或CMOS）和数据处理软件。入射光先通过微透镜阵列，然后通过转接镜头使光束直径正好与光电探测器的口径相同而进入其中成像，最后从光电探测器上读出探测数据。转接镜头的作用是使微透镜阵列与光电探测器间口径匹配。

哈特曼波前探测器的工作原理是：微透镜阵列将接收到的光学波前进行空间分割，使得每个子波面上只有简单的倾斜而没有高阶像差，其通过微透镜后能够很好地聚焦到光电探测器上，从而在光电探测器中形成一个光点阵列。具有倾斜的子波前对应的聚焦光点在光电探测器中发生位置偏移，其偏移量与子波前的倾斜量和倾斜方向严格相关。因此，在获得子波前倾斜信息的空间分布后就可以重构出整个波前的畸变分布。

在哈特曼波前探测器与待探测系统进行对接时，通常只考虑光束需要正入射进入哈特曼波前探测器，以减少波前的倾斜像差。而对于入射光束是否能完整地覆盖所设计的微透镜阵列、即入射光束孔径与哈特曼波前探测器的通光孔径是否能对准是无法精确控制的。而为了提高哈特曼波前探测器的数据读出速度，微透镜后的聚焦光点要尽量占据较少的光电探测器像素，甚至可以少到只覆盖2×2个像素，因此将光点放大到像素尺寸之后已经看不出“圆点”的形状，无法直接由聚焦光点的光强分布得知微透镜阵列与待测系统孔径间的对准关系。

孔径位置的偏差会导致边缘部分的光点只有半个或部分进入光电探测器，这必然会导致测量结果出现偏差，从而引入很大的测量误差。

发明内容

本发明为了解决波前探测中的孔径对准问题，提出一种可视化的哈特曼波前探测器孔径对准方法。目的是便于精确调节入射光束孔径与哈特曼波前探测器孔径的相对位置，达到对准，使微透镜阵列的有效光点数目与设计的相同，从而保证哈特曼波前探测器的波前测量精度。

下面详述本发明：在哈特曼波前探测器的转接镜头上设计能插入、拔出一个凹透镜的结构，以在进行哈特曼波前探测器与入射光束孔径对准时，将凹透镜插入到转接镜头中的光路上，从而使哈特曼的光电探测器上的光点阵列像切换为微透镜阵列的实物像，实现可视化地调节微透镜阵列的位置，使入射光束孔径与哈特曼波前探测器孔径对准。孔径对准完成后将凹透镜移出光路，恢复为传统配置的哈特曼波前探测器，可以进行波前探测。

为了更好地理解本发明，下面详述本发明的光路设计。传统的哈特曼波前探测器的光路设计如图1所示，由微透镜阵列1、第一透镜2、第二透镜3、光电探测器4组成微透镜光点阵列成像光路。其中微透镜阵列1的焦距、第一透镜2和第二透镜3的焦距分别为f₁、f₂与f₃，第一透镜2到微透镜阵列1的距离为二者的焦距之和f₁+f₂，以保证第一透镜2和第二透镜3之间的光线为平行光。第一透镜2和第二透镜3组成转接镜头，光电探测器4置于第二透镜3的焦点处。此处转接镜头的作用是将通过微透镜阵列1的光束口径调整为与光电探测器4的口径相同，使光点阵列经过转接镜头后完整地重新成像于光电探测器4中。

通常微透镜阵列1的焦距f₁、其口径D₁、光电探测器4的口径D₄是已知的，则转接镜头中两透镜的焦距f₂与f₃和D₁与D₄的关系满足下式：

f₂/f₃=D₁/D₄                                 （1）

其中第一透镜2的焦距f₂根据微透镜阵列1的焦距f₁来确定，范围在10mm～50mm之间，设计条件比较宽松，而f₂确定后则可以由（1）式确定第二透镜3的焦距f₃。