阵列透镜测量仪的设计与应用分析

引　言

大口径光学传输系统不仅在天文上能够提高系统的成像分辨率,而且在高功率激光应用中能降低光学元件的热效应,提高靶目标上的聚焦功率密度。这使大口径光束波前的测量成为科学研究和工程应用中的重要课题。随着光束口径的增大,其测量仪器的价格和技术难度迅速增长,甚至无法实现对光束波前的测量。近年来,为了便于大口径天文探测系统的检验,在国外的研究中望远镜光学系统的结构多为ritchey2chretien(RC)结构[1],由于被检光学系统为聚焦系统,因此光束的口径变换可以通过被检光学器件自身实现,不过相对于传统的无焦系统,这种结构的光学加工更加复杂昂贵。目前检测大口径光学元件和系统的常用的方法有:使用价格昂贵的大口径相移干涉仪[2]、利用各种微透镜阵列[3, 4]建立的Hartmann2Shack(H2S)波前传感器[5, 6],或采用子孔径拼接技术[7, 8]等,其中相移干涉仪和子孔径拼接方法不能对光束波前进行实时测量。大口径H2S波前传感器,需要小像差的大口径扩束光学系统对光束进行耦合,其扩束系统的加工和装调,不仅难度极大,而且制造周期长,成本高。寻找一种性价比好,技术可行的测量方法是大口径激光束波前测量亟待解决的问题之一。天文上对光束的探测,采用的是相距1. 5km的若干探测器组成的阵列[9]。根据这种思想,作者基于H2S测量原理,设计了一种波前测量系统———透镜阵列测量仪,分析了系统设计中的参数选择及相应的系统测量性能,最后利用数值仿真研究了该仪器在大口径光束波前测量中的应用。

1　透镜阵列测量仪的结构和测量原理

透镜阵列测量仪对大口径光束的测量原理是基于哈特曼波前测量方法,它主要分为光束采样和波前重构两个部分。光束采样器的组成结构如图1所示。

当大口径光束入射时,透镜阵列测量仪利用二维孔径阵列和透镜阵列,对光束波面进行空间采样后,在透镜焦平面处的散射屏上,得到光束经透镜阵列聚焦形成的光斑点阵;通过成像系统,由CCD相机获取点阵图像,最后在计算机上通过数据处理得到光束重构的波前参数。可以看到在大口径光束的测量中,透镜阵列测量仪不需要昂贵的光学缩束器,可以大大减少加工成本和制造周期。

透镜阵列由完全相同的许多小透镜在基板和夹持层的固定下形成,图2中给出了N×N单元的透镜阵列,其子孔径的通光口径为d,间距为D,小透镜的焦距为f。考虑到单个子孔径的边缘,则小透镜的相位变换因子为:

通过卷积可得。式中, comb()为梳状函数[10]。该透镜阵列对入射光束的采样和聚焦效果可用下式进行相应模拟:

t(x,y) = t1(x,y)t2(x,y) (3)