基于微棱镜阵列的光学检测哈特曼波前传感器

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基于微棱镜阵列的光学检测哈特曼波前传感器\n技术领域\n本发明涉及一种用于光学检测的哈特曼波前传感器，特别是一种微棱镜 哈特曼波前传感器。 背景技术\n哈特曼波前传感器已广泛应用于自适应光学系统之中，它可以事先用一 束高质量的参考光标定，而在现场测量时无需参考光，所以对环境的要求不 像干涉仪那样敏感，因此它对于光学元件质量控制是一个十分有效的工具。 现有的哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列分割光束孔径，并将入射光\n聚焦到光电探测器（通常为CCD)的光敏靶面，或者通过一转像系统将微 透镜的焦面光斑图象成像于光电探测器光敏靶面。这种微透镜结构的哈特曼 传感器常被用来测量大气像差、进行光学检测等。上述哈特曼传感器可以参 见"Adaptive Optics for Astronomy" D.M.AIIoin and丄M.Mariotti.Kluwer Academic Publishers, 1994. "Hartmann Sensers for Optical Testing" Robert丄Zielinski, B.Martin Levine, Brain MoNeil. SPIE Vol.314， P398， 1997。这类哈特曼传感器的不足在于微透镜阵列与CCD的耦合技术 比较复杂，微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致导致影响传感器精 度，对微透镜阵列制作技术的要求很高，安装、调试困难，不适宜大批量制 造。\n姜文汉等曾提出和制作过一种带有不同楔角的棱镜（指光楔或楔板）组 成的分割镜分割光束孔径（"37单元自适应光学系统"，姜文汉，吴旭斌， 凌宁，光电工程，22巻1期38-45页，1995年），并用物镜聚焦于CCD光 敏靶面的哈特曼传感器，可以克服孔径分割元件与CCD耦合的困难。但用\n单个子棱镜拼装成孔径分割元件的制造'技术复杂而昂贵，也不适宜千批量生产。\n中国专利申请号"01108433.2"的实施例1中提出：哈特曼波前传感 器的孔径分割元件1'可以是采用微光学技术或二元光学技术制作的集成式 二元菲涅尔微棱镜阵列，聚焦透镜2'的焦面与CCD3'的光敏靶面4'重合， 如图1所示。此项发明专利申请提出了一种简单稳定的哈特曼波前传感器结 构，但对其中的关键元器件-光束孔径分割元件，并未提供确切的结构与制 作方案。因此，本发明是对上述专利申请的继续。 发明内容\n本发明的技术解决问题是：克服现有技术中微透镜阵列与光电探测器的 耦合技术比较复杂、微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致导致影响传 感器精度；以及子楔板拼装技术工艺复杂而昂贵、不适宜批量生产等不足， 提供一种适宜于工业化批量生产的用于光学检测的微棱镜哈特曼波前传感器。\n本发明的技术解决方案是：用于光学检测的微棱镜哈特曼波前传感器， 包括光源、过渡系统、缩束系统、微棱镜阵列、傅立叶透镜和光电探测器 CCD,其特征在于：所述的微棱镜阵列为变周期二维锯齿形相位光栅阵列结 构，与傅立叶透镜组合实现光束的孔径分割。\n所述变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列为等锯齿深度的变 周期二维锯齿形相位光栅阵列，即阵列中每个光栅均为同一锯齿深度，只是 x、 y方向空间周期各不相同。\n所述变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列可以有两种实现方 案：单面光刻中心对称的环形布局结构和两面光刻的双面光栅结构。单面光 刻中心对称的环形布局结构为在基片上单面光刻，以中心为基点，呈中心对 称圓周状向外扩展，阵列中各个子孔径x、 y方向空间周期Tx和Ty同时由 中心向外呈1, 1/2， 1/3... 1/n级数倍率递变。两面光刻的双面光栅结构为\n在基片一面以X坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿X方向的锯\n齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1, 1/2， 1/3...1/n级数倍率递变； 在基片另一面以y坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿y方向的 锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1， 1/2, 1/3...1/n级数倍率递 变。\n所述变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列可以采用微光学技 术或二元光学技术力口工。\n本发明的原理是：变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列是采用 微光学技术或二元光学技术，在一块基片上刻蚀形成变周期二维锯齿形相位 光栅阵列，其锯齿深度保持不变而子孔径间周期递变，通过设定锯齿深度、 光栅在两正交方向的空间周期以及傅立叶透镜焦距等参数来实现光斑阵列 的均匀排布，可以有单面光刻中心对称的环形布局结构和两面光刻的双面光 栅结构两种实现方案；光栅的锯齿形相位结构采用微光学或二元光学技术刻 蚀形成；傅立叶透镜是依据焦距、f数（微透镜的焦距/口径）等参数要求加 工的消像差透镜，这样通过光电探测器CCD接收到不会产生畸变。\n本发明与现有技术相比有如下优点：\n1.本发明所公开的微棱镜哈特曼波前传感器，其光束孔径分割元件-微 棱镜阵列由变周期二维锯齿形相位光栅阵列构成，只需与一个傅立叶透镜组 合，便能够实现光束孔径分割，所有子波前通过公共的傅立叶透镜会聚到光 电探测器光敏靶面，克服了现有技术中微透镜阵列的微透镜单元焦距不一致 对哈特曼波前传感器精度产生的影响。\n2. 本发明所公开的微棱镜阵列，是利用微光学或二元光学技术直接在 同 一基片上刻蚀，避免了分别加工单个子棱镜，然后进行子棱镜拼装的复杂、 繁瑣、昂贵的工艺。\n3. 本发明所公开的微棱镜阵列在加工时，只需改变阵列中每一个锯齿 形相位光栅的空间周期而锯齿深度保持不变，并且锯齿结抱采用微光学或二\n元光学技术刻蚀形成，其结构简单，加工工艺易实现，易于实现批量化生产。\n4.将使哈特曼波前传感器的安装调整得以简化。现有的微透镜哈特曼\n『\n传感器通常需要一个转像系统，将微透镜阵列的焦点耦合到CCD的光敏靶 面，如图2所示，除须完成微透镜阵列21、转像系统22以及CCD23的准 直调整外，还必须完成微透镜阵列21的焦斑阵列和CCD23的光敏靶面24 之间相对于转像系统22的物像共轭调整，整个装调的环节较多且难度大， 不利于批量生产。而本专利所提出的微棱镜阵列41和傅立叶透镜42组合， 直接成像于CCD光敏靶面44,如图4所示，除必须的准直调整外，只需要 将CCD光敏靶面44相对于傅立叶透镜42进行调焦，筒化了传感器的装调 工作。 附困说明\n图1为中国发明专利申请"01108433.2"在实施例1中提出的哈特曼\n波前传感器结构示意图；\n图2为现有技术中微透镜哈特曼波前传感器的结构示意图；\n图3 a)为本发明中基于微棱镜阵列的哈特曼传感器检测平面反射镜装\n置示意图；\n图3 b)为本发明中基于微棱镜阵列的哈特曼传感器检测凹球面反射镜 装置示意图；\n图3 c)为本发明中基于微棱镜阵列的哈特曼传感器检测凸球面反射镜 装置示意图；\n图4为本发明中基于微棱镜阵列的哈特曼传感器结构及工作原理示意\n图；\n图5为本发明中变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列41采用 单面光刻中心对称的环形布局结构示意图； 图6为图5的立体示意图；\n图7为本发明中变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列41采用\n两面光刻的双面光栅结构示意图；\n图8为图7的左视图；\n图9为图7的右视图。 具体实施方式\n如图3a)所示，在对平面反射镜进行光学面形检测时，激光光源1发出 的激光束经针孔2滤波后，由准直镜3准直为平行光出射，经反射镜5和分 束镜6反射，并经过 一 个口径匹配系统7 (使用口径匹配系统可以实现对不 同口径的检测）出射至待检的平面反射镜8，经平面反射镜8的反射光束返 回并通过口径匹配系统7，经分束镜6透射，并经过渡系统9进入基于微棱 镜阵列的哈特曼波前传感器：光束透过微棱镜阵列41，经傅立叶透镜42成 像，在CCD43光敏靶面上形成光斑阵列；\n如图3b)所示，在对凹球面反射镜进行光学面形检测时，激光光源1发 出的激光束经针孔2滤波后，由准直镜3准直为平行光出射，经反射镜5 和分束镜6反射进准直镜7 (换用准直镜可以实现对不同口径的检测），透 射光束经待检球面反射镜8 (待检球面反射镜8球心与准直镜7焦点重合） 反射，返回准直镜7，经分束镜6透射，并经过过渡系统9进入基于微棱镜 阵列的哈特曼波前传感器：光束透过微棱镜阵列41,再经傅立叶透镜42成 像，在CCD43光敏靶面上形成光斑阵列；\n如图3c)所示，在对凸球面反射镜进行光学面形检测时，激光光源1发 出的激光束经针孔2滤波后，由准直镜3准直为平行光出射，经反射镜5 和分束镜6反射进匹配系统7，并透过准直镜8 (换用准直镜可以实现对不 同口径的检测），透射光束经待检球面反射镜9 (待检球面反射镜8球心与 准直镜8焦点重合）反射，返回准直镜8和匹配系统7，经分束镜6透射， 并经过过渡系统10进入基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器：光束透过微 棱镜阵列41，再经傅立叶透镜42成像，在CCD43光敏靶面上形成光斑阵\n列；如图4所示，微棱镜哈特曼波前传感器由变周期二维锯齿形相位光栅结 构的微棱镜阵列41,、'傅立叶透镜42和CCD43组成，傅立叶透镜42紧贴 变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列41， CCD43的光敏靶面44 位于傅立叶透镜42焦面上，变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列 41为采用微光学或二元光学技术在同一基片上刻蚀产生的二维锯齿形相位 光栅阵列，且为等锯齿深度的变周期二维锯齿形相位光栅阵列，即阵列中每 个光栅均为同一锯齿深度，只是x、 y方向空间周期各不相同，它可以有两 种实现方案：单面光刻中心对称的环形布局结构和两面光刻的双面光4册结 构，分别如图5、图6和图7、图8、图9所示。\n图4所示的结构其具体的实施可以是：微棱镜阵列41和傅立叶透镜42 分别采用带有三维调整功能的机械件固定，其后的CCD需要轴向平移调整。 装调时，分别对微棱镜阵列41、傅立叶透镜42和CCD43进行准直调整； 然后平行光入射，CCD43进行轴向调整，使其光敏靶面位于傅立叶透镜42 的焦平面上，整个装调过程完成。\n本发明在工作时，如图4所示，经待检面形（平面、凹面或凸面反射镜） 反射回的光束作为入射光束，经二维锯齿形变周期相位光栅结构的微棱镜阵 列41后，各个子孔径的光束分别产生了相应的相位变化，经由紧贴其后的 傅立叶透镜42,和位于傅立叶透镜焦面上的CCD 43探测其光强分布，该 光强分布包含着二维锯齿形相位光栅阵列41所产生的相位信息，每个子孔 径所产生的相位变化不同，因而在傅立叶透镜42焦面上形成一个光斑阵列， 整个光束孔径被均匀分割。事先将标准平面波入射产生的光斑阵列保存起来 作为标定位置。当带有被检面形像差信息的波前入射时，各个局部倾斜平面 波对其子孔径内二维锯齿形相位光栅产生新的附加相位，该相位变化将反映 到傅立叶透镜42焦面的光斑位置相对于标定位置的偏移上。\nCCD43将接收到的光斑信号可通过计算机进行处理，采用质心算法：\n由公式①计算光斑的位置（工，乂），探测全孔径的波面误差信息：\nformula see original document page 9式中，m=1~M,n=1~N为子孔径映射到CCD 43光敏乾面44上对应的 像素区域，^""是CCD43光敏靶面44上第（n,m)个像素接收到的信号，\nx鹏，3^分别为第（n,m)个像素的x坐标和y坐标。 再根据公式②计算入射波前的波前斜率' g":\nformula see original document page 9\n式中，（X。，乂 ）为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准\n位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到（工，X),完成哈 特曼波前传感器对信号的检测。\n如图5所示，微棱镜阵列可以是单面光刻中心对称的环形布局结构：各 个光栅的周期和刻线方向形成环形布局，即在基片上单面光刻，以中心点 o为基点，呈中心对称圆周状向外扩展，阵列中各个子孔径x、 y方向空间 周期Tx和Ty同时由中心向外呈1， 1/2, 1/3... 1/n级数倍率递变。\n图6为图5所示结构的立体示意图。\n如图7、图8和图9所示，微棱镜阵列还可以有两面光刻的双面光栅结 构：由两面分别确定阵列中各个光栅的X和丫方向的光栅周期，在基片一 面刻线产生X方向周期，另一面则刻线产生丫方向周期，双面刻线共同形 成光栅阵列的不同周期，即在基片一面以x坐标轴为基准，刻蚀产生平行排 歹ll、光栅周期沿x方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1,1/2， 1/3...1/n级数倍率递变；在基片另一面以y坐标轴为基准，刻蚀产生平行 排列、光栅周期沿y方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1， 1/2, 1/3... 1/n级数倍率递变。