本发明公开了一种波前传感器的参数标定装置和方法，该装置包括：平面波产生装置；光阑，设置在平面波产生装置与夏克‑哈特曼波前传感器之间，用于对平面波进行约束；位置调整装置，用于对夏克‑哈特曼波前传感器进行角度调整；三轴位移干涉仪，用于测量夏克‑哈特曼波前传感器的角度调整量；及数据处理分析系统，与夏克‑哈特曼波前传感器和三轴位移干涉仪分别连接，用于实时接收夏克‑哈特曼波前传感器在角度调整中的测量数据和三轴位移干涉仪测得的夏克‑哈特曼波前传感器角度调整量，计算夏克‑哈特曼波前传感器的物理参数的测量。本发明可以测量微透镜阵列到光电探测器之间的距离、安装的倾斜偏差，实现对夏克‑哈特曼波前传感器的标定。
1.一种波前传感器的参数标定装置，其特征在于，包括：
光阑，设置在平面波产生装置与夏克-哈特曼波前传感器之间，用于对平面波进行约束；
位置调整装置，用于对所述夏克-哈特曼波前传感器进行角度调整；
三轴位移干涉仪，用于测量所述夏克-哈特曼波前传感器的角度调整量；
数据处理分析系统，与所述夏克-哈特曼波前传感器和三轴位移干涉仪分别连接，用于实时接收所述夏克-哈特曼波前传感器在角度调整中的测量数据和三轴位移干涉仪测得的所述夏克-哈特曼波前传感器角度调整量，计算所述夏克-哈特曼波前传感器的物理参数，所述夏克-哈特曼波前传感器的物理参数包括所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对于光电探测器安装的倾斜偏差、微透镜阵列与光电探测器之间的距离及所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜测量精度中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的波前传感器的参数标定装置，其特征在于，所述平面波产生装置包括：点光源和与所述点光源对应设置的准直透镜。
3.如权利要求1所述的波前传感器的参数标定装置，其特征在于，所述平面波产生装置采用ZYGO干涉仪。
4.如权利要求1所述的波前传感器的参数标定装置，其特征在于，还包括向所述三轴位移干涉仪提供测试光的测试光源。
5.如权利要求1所述的波前传感器的参数标定装置，其特征在于，还包括平面反射镜，所述平面反射镜固定在所述夏克-哈特曼波前传感器上与所述三轴位移干涉仪相对的一侧。
6.如权利要求1所述的波前传感器的参数标定装置，其特征在于，所述角度调整包括绕X向调整和/或绕Y向调整。
7.一种波前传感器的参数标定方法，采用如权利要求1～6任意一项所述的波前传感器的参数标定装置，其特征在于，包括：步骤1：平面波入射至夏克-哈特曼波前传感器，利用所述夏克-哈特曼波前传感器记录初始位置的光斑阵列；
步骤2：对所述夏克-哈特曼波前传感器进行倾斜角度调整，利用干涉仪测量所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜调整量，并利用所述夏克-哈特曼波前传感器记录调整后的光斑阵列；
步骤3：根据所述初始位置的光斑阵列和所述调整后的光斑阵列变化计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对光电探测器安装的倾斜偏差。
8.如权利要求7所述的波前传感器的参数标定方法，其特征在于，所述步骤3具体为：当绕Y向调整所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜角度时，所述干涉仪测量得到所述夏克-哈特曼波前传感器绕Y向调整量δθy，对所述初始位置的光斑阵列和所述调整后的光斑阵列中对应位置的光斑的X向位置取差值计算得到每个光斑在X向的移动量δx1，...，δxn，再计算由微透镜阵列倾斜引起的相邻光斑的偏移量偏差δd1，...，δdn，其中n表示光斑阵列中光斑的数量，δdn＝δxn-δxn-1；
根据所述相邻光斑的偏移量偏差δd1，...，δdn和微透镜阵列的周期PL计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对光电探测器安装的倾斜偏差：
9.如权利要求8所述的波前传感器的参数标定方法，其特征在于，所述参数标定方法还包括步骤4：根据计算得到的每个光斑在X向的移动量δx1，...，δxn计算整体光斑在X向的平移量δx，根据所述整体光斑沿X向的平移量δx及所述夏克-哈特曼波前传感器绕Y向调整量δθy计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列与光电探测器之间的理论距离L：再结合所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对光电探测器安装的倾斜偏差和所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列与光电探测器之间的理论距离L，计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列与光电探测器之间的实际距离。
10.如权利要求9所述的波前传感器的参数标定方法，其特征在于，计算整体光斑在X向的平移量δx具体为：将所有光斑在X向的移动量δx1，...，δxn取平均值。
11.如权利要求7所述的波前传感器的参数标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括：对所述夏克-哈特曼波前传感器进行多次倾斜调整，在每次倾斜调整后均分别利用所述夏克-哈特曼波前传感器测量所述平面波相对夏克-哈特曼波前传感器的入射角度和利用所述干涉仪测量所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜角度；
计算多个不同倾斜位置下，所述平面波相对夏克-哈特曼波前传感器的入射角度的变化量δθHi及所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜角度变化量δθIi，再计算所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜测量精度δθ：其中n表示倾斜调整次数。
波前传感器的参数标定装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及传感器领域，特别涉及一种波前传感器的参数标定装置和方法。
背景技术
[0002] 夏克-哈特曼波前传感器是一种波前检测仪器，主要部件包括微透镜阵列和光电探测器(CCD/CMOS)。波前传感器的测量原理是基于对每个微透镜子孔径内入射前倾斜量的测量，利用每个子孔径内入射波前的倾斜量拼接出整个入射波前的波像差。通常微透镜到光电探测器的距离为微透镜的焦距，但在微透镜的加工、安装过程中存在一定误差，如果按照理论的加工及安装距离计算，就会在最终的波前计算中引入误差。因此在哈特曼波前传感器集成过程中，需要对微透镜的安装误差进行标定，否则将会影响夏克-哈特曼波前传感器的测量精度。
发明内容
[0003] 本发明提供一种波前传感器的参数标定装置和方法，以实现对夏克-哈特曼波前传感器物理参数的标定。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种波前传感器的参数标定装置，包括：
[0005] 平面波产生装置，用于产生平面波；
[0006] 光阑，设置在平面波产生装置与夏克-哈特曼波前传感器之间，用于对平面波进行约束；
[0007] 位置调整装置，用于对所述夏克-哈特曼波前传感器进行角度调整；
[0008] 三轴位移干涉仪，用于测量所述夏克-哈特曼波前传感器的角度调整量；
[0009] 以及
[0010] 数据处理分析系统，与所述夏克-哈特曼波前传感器和三轴位移干涉仪分别连接，用于实时接收所述夏克-哈特曼波前传感器在角度调整中的测量数据和三轴位移干涉仪测得的所述夏克-哈特曼波前传感器角度调整量，计算夏克-哈特曼波前传感器的物理参数的测量。
[0011] 作为优选，所述平面波产生装置包括：点光源和与所述点光源对应设置的准直透镜。
[0012] 作为优选，所述平面波产生装置采用ZYGO干涉仪。
[0013] 作为优选，所述角度调整包括绕X向调整和/或绕Y向调整。
[0014] 作为优选，还包括向所述三轴位移干涉仪提供测试光的测试光源。
[0015] 作为优选，还包括平面反射镜，所述平面反射镜固定在所述夏克-哈特曼波前传感器上、与所述三轴位移干涉仪相对的一侧。
[0016] 作为优选，所述夏克-哈特曼波前传感器的物理参数包括所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对于光电探测器安装的倾斜偏差、微透镜阵列与光电探测器之间的距离及所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜测量精度中的一种或多种。
[0017] 本发明还提供一种波前传感器的参数标定方法，采用所述的波前传感器的参数标定装置，包括：
[0018] 步骤1：平面波入射至夏克-哈特曼波前传感器，利用所述夏克-哈特曼波前传感器记录初始位置的光斑阵列；
[0019] 步骤2：对所述夏克-哈特曼波前传感器进行倾斜角度调整，利用干涉仪测量所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜调整量，并利用所述夏克-哈特曼波前传感器记录调整后的光斑阵列；
[0020] 步骤3：根据所述初始位置的光斑阵列和所述调整后的光斑阵列变化计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对光电探测器安装的倾斜偏差。
[0021] 作为优选，所述步骤3具体为：
[0022] 当绕Y向调整所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜角度时，所述干涉仪测量得到所述夏克-哈特曼波前传感器绕Y向调整量δθy，对所述初始位置的光斑阵列和所述调整后的光斑阵列中对应位置的光斑的X向位置取差值计算得到每个光斑在X向的移动量δx1，…，δxn，再计算由微透镜阵列倾斜引起的相邻光斑的偏移量偏差δd1，…，δdn，其中n表示光斑阵列中光斑的数量，δdn＝δxn-δxn-1；
[0023] 根据所述相邻光斑的偏移量偏差δd1，…，δdn和微透镜阵列的周期PL计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对光电探测器安装的倾斜偏差：
[0024]
[0025] 作为优选，所述参数标定方法还包括步骤4：
[0026] 根据计算得到的每个光斑在X向的移动量δx1，…，δxn计算整体光斑在X向的平移量δx，根据所述整体光斑沿X向的平移量δx及所述夏克-哈特曼波前传感器绕Y向调整量δθy计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列与光电探测器之间的理论距离L：
[0027] 再结合所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列相对光电探测器安装的倾斜偏差和所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列与光电探测器之间的理论距离L，计算所述夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列与光电探测器之间的实际距离。
[0028] 作为优选，计算整体光斑在X向的平移量δx具体为：将所有光斑在X向的移动量δx1，…，δxn取平均值。
[0029] 作为优选，所述标定方法还包括：
[0030] 对所述夏克-哈特曼波前传感器进行多次倾斜调整，在每次倾斜调整后均分别利用所述夏克-哈特曼波前传感器测量所述平面波相对夏克-哈特曼波前传感器的入射角度和利用所述干涉仪测量所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜角度；
[0031] 计算多个不同倾斜位置下，所述平面波相对夏克-哈特曼波前传感器的入射角度的变化量δθHi及所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜角度变化量δθIi，再计算所述夏克-哈特曼波前传感器的倾斜测量精度δθ：
[0032] 其中n表示倾斜调整次数。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0034] 1、本发明的结构简单，操作方便；
[0035] 2、本发明可以实现对微透镜阵列与光电探测器的间距的标定；
[0036] 3、本发明实现对微透镜阵列与光电探测器之间的安装倾斜进行标定；
[0037] 4、本发明可以实现对夏克-哈特曼波前传感器的倾斜测量精度的检测；
[0038] 5、本发明利用三轴位移干涉仪实现对角度调整量的精确测量。
附图说明
[0039] 图1为本发明一具体实施方式中波前传感器的参数标定装置的结构示意图；
[0040] 图2为本发明一具体实施方式中三轴位移干涉仪的测量原理图；
[0041] 图3a～3b为本发明一具体实施方式中测量微透镜阵列与光电探测器间距的原理示意图；
[0042] 图4a～4b为本发明一具体实施方式中测量微透镜阵列相对光电探测器倾斜量的原理示意图。
[0043] 图中所示：1-平面波产生装置、101-第一光斑阵列、102-第二光斑阵列、2-光阑、3-夏克-哈特曼波前传感器、31-微透镜阵列、32-光电探测器；4-波前传感器位置调整装置、5-平面反射镜、6-三轴位移干涉仪、61-第一测量光孔、62-第二测量光孔、63-第三测量光孔、7-测试光源、8-数据处理分析系统。
具体实施方式
[0044] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0045] 如图1所示，本发明的波前传感器的参数标定装置，包括：平面波产生装置1、光阑2、夏克-哈特曼波前传感器3、波前传感器位置调整装置4、平面反射镜5、三轴位移干涉仪6、测试光源7以及数据处理分析系统8。其中，所述平面波产生装置1用于产生平面波，所述光阑2设置在平面波产生装置1与夏克-哈特曼波前传感器3之间，用于对平面波进行约束，所述波前传感器位置调整装置4用于对所述夏克-哈特曼波前传感器3进行角度调整，所述平面反射镜5固定在所述夏克-哈特曼波前传感器3上、与所述三轴位移干涉仪6相对的一侧；
所述三轴位移干涉仪6用于测量所述夏克-哈特曼波前传感器3的调整倾斜量，所述测试光源7用于向所述三轴位移干涉仪6投射测试光，该测试光经平面反射镜5反射后投射到所述三轴位移干涉仪6。所述数据处理分析系统8与所述夏克-哈特曼波前传感器3和三轴位移干涉仪6分别连接，实时检测夏克-哈特曼波前传感器3和三轴位移干涉仪6的数据，从而实现对夏克-哈特曼波前传感器3的物理参数的测量。进一步的，所述夏克-哈特曼波前传感器3的物理参数包括所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31相对于光电探测器32安装的倾斜偏差、微透镜阵列31与光电探测器32之间的距离及所述夏克-哈特曼波前传感器3的倾斜测量精度中的一种或多种。
[0046] 具体地，所述平面波产生装置1发出平面波，该平面波经过光阑2的约束后入射到夏克-哈特曼波前传感器3的微透镜阵列31，参照图3a，并在光电探测器32上形成点阵的光斑阵列输出。
[0047] 作为优选，所述平面波产生装置1可以采用常用的点光源与准直透镜的组合方式来实现，也可以采用ZYGO干涉仪的平面波输出作为光源。
[0048] 本发明还提供一种波前传感器的参数标定方法，包括：
[0049] 步骤1：平面波入射至待测量的夏克-哈特曼波前传感器3，通过所述夏克-哈特曼波前传感器3记录初始位置的光斑阵列，也即是平面波经过微透镜阵列31后形成的光斑阵列，为示区分，称之为第一光斑阵列101，具体如图3b所示，同时利用三轴位移干涉仪6获取平面波的入射角度。
[0050] 具体地，通过所述三轴位移干涉仪6可以对夏克-哈特曼波前传感器3的角度变化进行精确的测量，即可以对入射到夏克-哈特曼波前传感器3的入射角度进行精确测量。因为本发明的三轴位移干涉仪6可以做到0.2nm的分辨率，10nm的位移测量精度，0.5rad的角测量精度，因此可以实现对所述夏克-哈特曼波前传感器3的调整角度的高精度测量。
[0051] 如图2所示，所述测试光源7向所述三轴位移干涉仪6投射测试光，该测试光经平面反射镜5反射后投射到所述三轴位移干涉仪6上，形成三个测量光孔，为示区别分别将之称为第一测量光孔61、第二测量光孔62和第三测量光孔63。且由所述第一测量光孔61可以得到第一测量位置Z1；由所述第二测量光孔62可以得到第二测量位置Z2；由所述第三测量光孔63可以得到第三测量位置Z3。对该三个测量位置平均：
[0052]
[0053] 即可获得夏克-哈特曼波前传感器3的具体位置。
[0054] 第一测量光孔61与第二测量光孔62在X向的距离为d1，第三测量光孔63与第一、第二测量光孔61、62在Y向上的距离为d2，则结合三轴位移干涉仪6获取的三个测量光孔的位置信息，可计算获得平面波的X向入射角Rx和Y向入射角Ry：
[0055]
[0056]
[0057] 步骤2：根据步骤1中平面波的入射角度对待测量的夏克-哈特曼波前传感器3进行倾斜角度调整，利用三轴位移干涉仪6测量所述夏克-哈特曼波前传感器3的倾斜调整量，并利用所述夏克-哈特曼波前传感器3记录调整后的光斑阵列。
[0058] 具体地，所述步骤2包括：
[0059] 步骤21：根据Y向入射角调整所述夏克-哈特曼波前传感器3的Y向角度，即微调夏克-哈特曼波前传感器3的Ry角度；
[0060] 步骤22：利用三轴位移干涉仪6测量所述夏克-哈特曼波前传感器3的Y向调整量δθy；
[0061] 步骤23：同时，夏克-哈特曼波前传感器3再次记录平面波经过微透镜阵列31后形成的光斑阵列，称之为第二光斑阵列102(如图3b所示，当然所述第一光斑阵列101和第二光斑阵列102并不能同时记录在一幅图像里，本发明为表述方便，画在一幅图里仅作解释示意)，根据所述第一光斑阵列101和第二光斑阵列102，计算每一个测量光斑在X方向的移动量，对各测量光斑的移动量取平均，获得所述夏克-哈特曼波前传感器3的X向调整量δx。
[0062] 步骤3：根据所述初始位置的光斑阵列和所述调整后的光斑阵列变化计算所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31相对光电探测器32安装的倾斜偏差。所述步骤3具体为：
[0063] 当绕Y向调整所述夏克-哈特曼波前传感器3的倾斜角度时，所述三轴位移干涉仪6测量得到所述夏克-哈特曼波前传感器3绕Y向调整量δθy，对所述初始位置的光斑阵列和所述调整后的光斑阵列中对应位置的光斑的X向位置取差值计算得到每个光斑在X向的移动量δx1，…，δxn，再计算由微透镜阵列31倾斜引起的相邻光斑的偏移量偏差δd1，…，δdn，其中n表示光斑阵列中光斑的数量，δdn＝δxn-δxn-1；
[0064] 根据所述相邻光斑的偏移量偏差δd1，…，δdn和微透镜阵列31的周期PL计算所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31相对光电探测器32安装的倾斜偏差：
[0065]
[0066] 步骤4：根据计算得到的每个光斑在X向的移动量δx1，…，δxn计算整体光斑在X向的平移量δx，根据所述整体光斑沿X向的平移量δx及所述夏克-哈特曼波前传感器3绕Y向调整量δθy计算所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31与光电探测器32之间的理论距离L：
[0067]
[0068] 然而，当微透镜阵列31的安装相对光电探测器32可能存在倾斜时，微透镜阵列31与光电探测器32之间的距离L不再是常数，其仅属于一理论数值。因此，需要将微透镜阵列31相对光电探测器32的倾斜量标定出来，以便在后期算法处理时进行补偿修正。
[0069] 因此，所述步骤4还包括：结合所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31相对光电探测器32安装的倾斜偏差和所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31与光电探测器32之间的理论距离L，计算所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31与光电探测器32之间的实际距离。
[0070] 具体地，如图4a和图4b所示，本发明通过对第一、第二光斑阵列101、102进行比对，可以计算出每个测量光斑在X方向的移动量δx1，δx2，…，δxn，δxn+1。则由于微透镜阵列31倾斜引起的相邻测量光斑的偏移量偏差为δd1＝δx2-δx1，δd2＝δx3-δx2，…，δdn＝δxn+1-δxn，PL为微透镜阵列31的周期，则可计算微透镜阵列31的倾斜角度为：
[0071]
[0072] 结合上述的微透镜阵列31与光电探测器32之间的理论距离L和倾斜角ω计算得到所述夏克-哈特曼波前传感器3中微透镜阵列31与光电探测器32之间的实际距离。
[0073] 进一步的，本发明还可以对夏克-哈特曼波前传感器3倾斜的测量精度进行验证。具体为：对夏克-哈特曼波前传感器3进行角度调整，使其处于n个不同倾斜位置θi，分别用夏克-哈特曼波前传感器3和三轴位移干涉仪6测量出对应每个倾斜位置的倾斜变化量δθHi，δθIi；根据所述倾斜变化量计算所述夏克-哈特曼波前传感器3的倾斜测量精度：
[0074]
[0075] 综上，通过采用本发明的波前传感器的参数标定装置和方法，可以测量出微透镜阵列31到光电探测器32之间的距离，微透镜阵列31相对于光电探测器32安装的倾斜偏差，进而可以在后期的光斑图像处理算法中进行修正，实现对夏克-哈特曼波前传感器3的标定，提高夏克-哈特曼波前传感器3的性能。
[0076] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
