一種基于逆哈特曼原理的透鏡波前像差測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于逆哈特曼原理的透鏡波前像差測量方法。
【背景技術】
[0002] 光學元件的面形和波前的檢測在光學元件的加工和裝調中是必不可少的，通常分 為面形直接測量和斜率測量兩種，分別對應于干設儀測量和光線偏折測量。由于面形參數(shù) 只是表示了物理性質，它可W指導得到最終理想的面形，但它不能直觀表示光線偏折對系 統(tǒng)光學性能的影響。此外，干設儀測量需要人工精確的校準、配套設備要求嚴格苛刻、測量 波前時會很容易受到類似于空氣擾動等環(huán)境因素的影響，而且對光源要求較高，需要高質 量的激光光源才能獲得較好干設圖樣并反映出較高的精度，該就大大提高了實驗的操作難 度，并很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差。而斜率參數(shù)更能表示光學元件將如何影響系統(tǒng)的光學性能，如 光學系統(tǒng)的成像質量和它的波前斜率誤差直接相關。因此，基于光線偏折測量的波前斜率 測量更為普遍，比如莫爾偏折術、紋影攝影術、傅科刀口法、郎奇檢驗法、哈特曼檢測法W及 夏克-哈特曼檢測法等等。
[0003] 其中夏克-哈特曼檢測是一種最常用的波前斜率測量方法，目前已經廣泛應用于 天文望遠鏡中的自適應波前傳感，人眼波前像差測量，W及非球面鏡檢驗。不同于哈特曼檢 測的孔陣列光闊，夏克-哈特曼檢測用一個透鏡陣列光闊將通過被測透鏡的波前聚焦在探 測器上，探測器測量每個子透鏡焦點的空間位置，從而得到入射到透鏡陣列上的波前的斜 率，最終恢復出被測透鏡的波前。在夏克-哈特曼檢測中，被測波前被透鏡陣列中的子孔徑 劃分為多個采樣區(qū)域，測量的空間分辨率和動態(tài)范圍直接受到透鏡陣列中子孔徑的空間分 布的影響。此外，為了避免焦點的混淆，波前斜率較大時也不適合采用夏克-哈特曼進行檢 測。

【發(fā)明內容】

[0004] 鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種簡便精確的透鏡波前像差測量方法。它不同于 干設儀造價昂貴、對環(huán)境因素敏感、要求相干光源等特點，本發(fā)明只需要一個LCD顯示器， 一個具有外置針孔的數(shù)字CCD相機，W及一臺計算機構成的裝置簡單就能實現(xiàn)波前像差的 測量，具有結構裝置簡單，硬件設備便宜，測量精度高的優(yōu)點。而且由于可W看作是哈特曼 檢測的逆過程，相比于傳統(tǒng)的哈特曼檢測，具有高度的靈活性和動態(tài)的波前斜率測量范圍， 可W測量睹峭的波前斜率，而且結合計算機軟件編程可W用于透射光學系統(tǒng)的波前測量和 波前像差分析。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案是一種基于逆哈特曼原理的透鏡波前像差測量方法，本發(fā) 明可W看作是逆哈特曼原理，即光線傳播方向與哈特曼原理中光線的傳播方向相反，WLCD 顯示器作為光源，LCD屏上顯示的用光強編碼的相移條紋圖通過被測透鏡后，經過相機針孔 投射到相應的CCD探測器像素陣列上，得到對應光線的位置，并根據(jù)光學系統(tǒng)的幾何關系 計算波前斜率，W此重構出波前面形，并計算出波像差。
[0006] 首先，產生一組水平和豎直方向的正弦相移條紋圖；而后，將LCD顯示器、外置針 孔的相機和被測透鏡進行準直和標定，得到它們的空間坐標位置；接下來拍攝經過被測透 鏡偏折后的LCD顯示器顯示的相移條紋圖，隨后移去被測透鏡后再拍攝一組水平和豎直相 移條紋圖作為參考；最后，將拍攝到的相移條紋圖進行相位展開，計算斜率，并恢復波前。具 體步驟如下所示： (1)生成一組水平和豎直方向的相移條紋圖 根據(jù)LCD顯示器的屏幕尺寸和分辨率，選擇正弦條紋的一個的周期的像素數(shù)，確定一 個周期條紋對應的實際尺寸(單位毫米)。選擇相移條紋的相移步數(shù)N(N3 3,該里W4步 相移進行說明），編程得到相移條紋圖2。通過改變條紋的周期和相移步數(shù)可W改變測量的 精度和靈敏度。
[0007] (2)對LCD顯示器、外置針孔的CCD相機和被測透鏡進行準直和標定 在CCD相機的外部安置一個針孔避免光瞳像差的影響。對LCD顯示器、外置針孔的CCD相機和被測透鏡進行準直，使CCD相機和被測透鏡的光軸重合，且與LCD顯示器的屏幕垂 直。將CCD相機調焦在被測透鏡的表面。標定測量得到LCD顯示器、針孔和被測透鏡之間 的距離。
[000引 （3)拍攝被調制的相移條紋圖 LCD顯示器逐次顯示一組相移條紋圖，相機同步進行拍攝。移去被測透鏡后再拍攝一組 水平和豎直相移條紋圖。為了消除環(huán)境的影響，可W拍攝多組相移條紋圖進行平均。
[0009] (4)相位展開、斜率計算和波前恢復 對拍攝到的相移條紋圖進行相位展開，得到透鏡各部分對應的屏幕像素位置，計算斜 率。得到的斜率可W與理想透鏡的波前斜率進行對比。最后由斜率數(shù)據(jù)恢復波前，從而進 行像差分析。
[0010] 本發(fā)明的顯著特點是裝置簡單，造價便宜，解決了透鏡的波前像差測量問題。而且 測量精度高，測量斜率的動態(tài)范圍大，空間分辨率高，可W測量干設儀和哈特曼檢測無法測 量的大數(shù)值斜率問題。
【附圖說明】
[0011] 當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整地理解本發(fā)明W及容 易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構成 本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的 不當限定，其中： 附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)裝置圖； 附圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)按哈特曼檢測過程的原理圖； 附圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)波前像差分析的原理圖。
【具體實施方式】
[0012] W下結合附圖1至3與對本發(fā)明的實施例進行說明。
[0013] 一種基于逆哈特曼原理的透鏡波前像差測量方法，系統(tǒng)設計如圖1所示，主要由 一個LCD顯示器1，數(shù)字CCD相機8,W及一個計算機3組成。CCD相機8由CCD探測平面 4、相機透鏡系統(tǒng)5和外置針孔6組成，其中針孔6被安裝在靠近CCD相機鏡頭的外部，用來 消除光瞳像差對系統(tǒng)的影響。其系統(tǒng)測量原理如圖2所示，假如按哈特曼的原理中光線傳 播方向來看，將系統(tǒng)中的針孔6看作是點光源，光線10經過被測透鏡7后到達LCD顯示器 屏幕11上的某一位置。該位置與理想光線9之間有一個偏離，在理想像面12上該個偏離 就是光線的垂軸像差。根據(jù)垂軸像差計算出波前斜率，然后由斜率數(shù)據(jù)進行波前恢復，最終 就得到被測透鏡7的波前像差。具體實施過程如下所示： 步驟1 ;生成一組水平和豎直方向的相移條紋圖2 由于本發(fā)明中需要確定LCD顯示器1上像素位置與它照明的被測透鏡7位置之間的對 應關系，所W需要對屏幕像素位置用光強進行編碼，該里選擇正弦條紋圖進行顯示。根據(jù)顯 示器的屏幕尺寸和分辨率，選擇正弦條紋一個周期的像素數(shù)，確定一個周期條紋對應的實 際尺寸(單位毫米)。利用相移技術，選擇相移條紋的相移步數(shù)N(該里W4步相移為例進行 說明)，編程得到由光強調制的相移條紋圖。通過改變條紋的周期和相移步數(shù)可W改變測量 的精度和靈敏度。
[0014]步驟2 ;LCD顯示器1、外置針孔6的CCD相機8和被測透鏡7進行準直和標定 不同視場的光線都會經過透鏡的孔徑光闊中屯、，由于光瞳像差的存在，在入瞳巧L徑光 闊在物空間的像）位置處各視場主光線將不再會聚于一點，該將影響到斜率的計算。因此， 在CCD相機8的外部裝置一個針孔6W避免光瞳像差的影響。
[0015]然后，對LCD顯示器1、外置針孔6的相機8和被測透鏡7進行準直，使CCD相機8 和被測透鏡7的光軸重合，且與LCD顯示器1的屏垂直。當裝置不準直時，可W在恢復波前 后移除低階像差，保證高階像差的測量精度。將CCD相機8調焦在被測透鏡7的表面，對系 統(tǒng)進行標定、測量得到LCD顯示器1、針孔6和被測透鏡7之間的距離。
[0016] 步驟3 ;拍攝被調制的相移條紋圖2 顯示器逐次顯示一組相移條紋圖2,相機同步進行拍攝。移去被測透鏡7后再拍攝一組 水平和豎直相移條紋圖2。為了消除環(huán)境的影響，可W拍攝多組相移條紋圖2并進行平均。
[0017] 步驟4 ;相位展開、斜率