中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着光学系统在军事、工业、医疗等领域的广泛应用，对系统性能的要求日益提升。透镜作为光学系统的核心元件，其曲率半径、焦距、折射率等参数直接影响系统成像质量与功能实现。因此，在透镜制造过程中，需采用先进的测量技术，以实现透镜参数的快速、自动化、抗干扰及高精度测量，从而确保产品质量并满足高性能光学系统的需求。本文对基于夏克-哈特曼波前传感器（ShackHartmann Wavefront Sensor, SHS）的光束准直与透镜参数测量方法进行了研究。
光束准直在透镜参数测量中至关重要。本文提出了一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光束准直方法。该方法在近轴近似下,采用微透镜阵列分割待准直光束，通过比较会聚和发散球面波在子孔径内引起的光斑实际质心和参考质心的坐标差异，实现光束准直。实验中，采用孔径光阑限制待准直光束尺寸，满足近轴近似。在近轴近似下，针对焦距为100 mm的双胶合准直透镜，实现了光束准直。利用模式法还原准直光束波前，其均方根误差可以达到0.02 λ，验证了本文提出的准直方法的准直效果。实验结果表明该方法结构简单、成本低、准直精度高。
基于几何光学或干涉现象的透镜参数测量方法存在测量精度有限、自动化程度低及抗环境干扰能力不足等缺陷，难以满足高精度、高效率、抗干扰的测量需求。针对已有方法的局限性，本文提出了一种基于夏克-哈特曼波前传感器的透镜参数测量方法。首先，通过评价函数，即由夏克-哈特曼波前传感器形成的光斑质心偏移量最小平方和(least square sum of centroids shifts, LSSCS)，确定待测透镜焦距测量的参考点位置。在距离参考点不同距离的两个位置分别测量两个球面波的曲率半径，获得待测透镜的焦距。其次，待测透镜表面曲率半径是待测透镜表面反射光束为平行光的两个位置的坐标差值。该位置通过评价函数LSSCS确定。第三，依据测得的焦距和表面曲率半径，针对薄透镜，通过透镜制造者公式进一步确定待测透镜材料的折射率。实验结果表明，该方法测量的透镜参数与标称值吻合较好。该方法不需要波前重构，具有简单、准确、抗干扰等优点。