本发明涉及一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统及方法，属于光学检测领域。
背景技术：
1、波像差是影响光学系统成像质量的重要因素。物点发出的波面经实际光学系统后，实际波面与理想波面在出瞳处存在偏差，即为波像差。理想成像系统的点扩展函数为艾里班，当存在波像差时，点扩展函数变大，能量不集中，会影响光学系统的性能。测量波像差的常用方法是干涉仪，但干涉仪不测量复色光的色像差。
2、因为光学介质对于不同波长的光具有不同的折射率，所以各种波长的光在透射式光学系统中具有不同的传播路径，这导致光学系统产生色像差，简称色差。在菲涅尔透镜中，对于不同波长的光，透镜的焦距不同，色像差问题更为突出。对于宽波段成像系统，色像差是影响成像质量的重要因素。色像差检测对于光学系统的性能评估十分重要。
3、色像差因性质不同而分为位置色差和倍率色差两种。位置色像差描述的是不同波长的光对于轴上物点成像位置的差异，表现为轴向位移，因此也称为轴向色差。倍率色像差描述的是不同波长的光对于轴外物点因成像倍率不同造成的成像位置差异，表现为垂轴位移，也称为垂轴色差。对白光点目标成像时，轴向色差使光斑弥散，垂轴色差使光斑拉长。
4、传统色像差测量方法基本是分时测量不同波长光对物点的成像位置，比较成像位置的差异获得色像差大小。在对两种不同波长的光束进行测量的时间间隔内，需要调整光源或其他光学器件，以便进行下一个波长光束的测量。对光学系统的调整以及环境震动都可能会导致待测光学成像系统发生变化，导致最终色像差测量结果不够准确。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统及方法，通过同时测量不同波长光的波前，能够计算得到光学系统在各个波长下的波像差，并根据这些波前之间离焦量和整体倾斜量的差别，计算得到轴向色差和垂轴色差，波像差和色像差的集成测量使得测量结果更加完整，有利于更全面地评估待测光学成像系统成像性能。
2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
3、本发明公开的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统，包括卤素氙灯光源、光纤、反射式平行光管、第一五维调整台、待测光学成像系统、第二五维调整台、夏克哈特曼波前传感器。所述待测光学成像系统是波像差和色像差测量对象。所述夏克哈特曼波前传感器包括准直透镜、微透镜阵列、图像传感器。所述微透镜阵列被分子孔径镀膜，不同子透镜交替镀有不同波段的增透膜，通过增透膜使得子透镜只能透射指定波段的光束。所述不同波段指属于图像传感器工作波长范围内的窄带光，窄带光的中心波长根据测量需求确定。
4、基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统中的光路传播路径为：卤素氙灯光源耦合光纤发射白光，白光经过反射式平行光管准直产生平行光，平行光到达待测光学成像系统，待测光学成像系统将平行光会聚在像点位置，准直透镜对像点位置的球面波进行准直，准直后的光束经过分子孔径镀膜的微透镜阵列形成光斑阵列图。
5、本发明公开一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，使用的夏克哈特曼波前传感器中的微透镜阵列被分子孔径镀膜，不同子透镜交替镀有不同波段的增透膜，使得不同子透镜透射并聚焦不同波段的光束。使用白色点光源对夏克哈特曼波前传感器进行参考零位标定，再引入具有入射角度的白色平行光入射到待测光学成像系统，白色平行光经过待测光学成像系统在像点处形成球面波，使用夏克哈特曼波前传感器对像点位置球面波进行准直和波前传感，重构出不同波段的波前分布得到波像差，根据不同波段的波前中的整体倾斜和离焦计算待测光学成像系统的色像差。
6、本发明公开的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，包括如下步骤：
7、步骤一：对夏克哈特曼波前传感器进行参考零位标定。
8、卤素氙灯光源耦合光纤发射白光作为白光点光源，将白光点光源放置在夏克哈特曼波前传感器中的准直透镜前焦点处进行准直，光束经过准直后到达分子孔径镀膜的微透镜阵列，不同波段的光束被对应子透镜会聚在后焦面上，图像传感器采集微透镜阵列后焦平面处的光斑阵列图作为参考零位光斑阵列图。
9、按照微透镜阵列分子孔径镀膜的方式将标定光斑阵列图拆分为中心波长为λ1，λ2…λm共m幅参考零位光斑阵列子图，使用质心法计算并记录m幅参考零位光斑阵列子图中光斑质心坐标。
10、步骤二：引入白色平行光，具有入射角度的白色平行光入射到待测光学成像系统，使用夏克哈特曼波前传感器对像点位置的球面波进行准直和波前传感，得到待测光学成像系统使用不同波段的光束成像时的重构波前。去除重构波前中的整体倾斜和离焦，得到待测光学成像系统使用不同波段光束成像时的波像差。
11、将步骤一中的白光点光源放置在平行光管的焦点处进行准直，通过第一五维调整台调整待测光学成像系统的偏摆或俯仰，使得准直之后的光束传播方向与待测光学成像系统光轴夹角为(θx,θy)，光束入射到待测光学成像系统后会聚在像点位置。
12、通过第二五维调整台调整夏克哈特曼波前传感器，使得其中的准直透镜的焦点与待测光学成像系统的像点位置重合，并且保持夏克哈特曼波前传感器光轴方向和待测光学成像系统出射光的中心光线方向相同，经过准直透镜准直后的光束到达分子孔径镀膜的微透镜阵列，图像传感器采集微透镜阵列后焦平面处的光斑阵列图。
13、按照微透镜阵列分子孔径镀膜的方式将光斑阵列图拆分为中心波长为λ1，λ2…λm共m幅光斑阵列子图，计算m幅光斑阵列子图中各光斑质心坐标，减去步骤一中对应子孔径的参考零位光斑质心坐标，得到光斑质心偏移量，根据光斑质心偏移量使用泽尼克模式法对m幅光斑阵列子图进行波前重构，得到不同波段光束的重构波前去除重构波前中的整体倾斜和离焦，得到待测光学成像系统使用中心波长λ1，λ2…λm的光束成像时的波像差。
14、步骤三：使用夏克哈特曼波前传感器的器件参数和步骤二中不同波段光束的重构波前，计算得到待测光学成像系统因色像差引起的沿光轴方向成像位置差异和垂轴方向成像位置差异。
15、提取步骤二中不同波段光束的重构波前中的整体倾斜波前和离焦波前，根据准直透镜的焦距f，夏克哈特曼波前传感器的入瞳大小d，计算得到待测光学成像系统因色像差引起的沿光轴方向成像位置差异和垂轴方向成像位置差异，计算公式为：
16、
17、其中λm，λn表示微透镜阵列中子透镜允许透过的光的中心波长；分别为中心波长λm和λn的光束以步骤二中的角度(θx,θy)入射到待测光学成像系统时，成像位置在垂直于光轴的x方向、垂直于光轴的y方向、沿光轴方向上的距离差值；分别为中心波长为λm的重构波前中x方向和y方向上倾斜波前pv值大小；分别为中心波长为λn的重构波前中x方向和y方向上倾斜波前pv值大小；为中心波长为λm的重构波前中离焦波前pv值大小，为中心波长为λn的重构波前中离焦波前pv值大小；d为夏克哈特曼波前传感器入瞳直径大小，f为夏克哈特曼波前传感器中的准直透镜的焦距大小。
18、步骤四：通过第一五维调整台调整待测光学成像系统的偏摆或俯仰，重复步骤二和步骤三，根据步骤二计算得到不同视场下待测光学成像系统的波像差，并根据步骤三计算得到因色像差引起的沿光轴方向成像位置差异和垂轴方向成像位置差异。
19、有益效果：
20、1、本发明公开的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统及方法，根据测量需求设计微透镜镀膜波段，单次测量就可以得到待测光学成像系统在多个指定波段下的波像差，实现对光学成像系统在不同波长下的性能评估。
21、2、本发明公开的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统及方法，使用的夏克哈特曼波前传感器中的微透镜阵列被分子孔径镀膜，能够得到不同波段下的重构波前，使用不同波段重构波前中的整体倾斜和离焦，实现测量光学成像系统的轴向色差和垂轴色差，实现波像差和色像差的集成测量，有利于更全面地评估待测光学成像系统的成像性能。
22、3、本发明公开的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统及方法，通过对夏克哈特曼波前传感器中的微透镜阵列进行分子孔径镀增透膜，引入白色平行光入射待测光学系统，按照波长拆分光斑阵列图并同时进行波前重构，实现在不调整光学元件的前提下同时测量待测光学成像系统的在不同波段下的波像差和色像差，避免了传统的分时测量方法中环境扰动对色像差测量准确性带来的影响，具有更好的稳定性和抗干扰能力，测量过程更加简单快捷。
1.一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统，其特征在于：包括卤素氙灯光源、光纤、反射式平行光管、第一五维调整台、待测光学成像系统、第二五维调整台、夏克哈特曼波前传感器；所述待测光学成像系统是波像差和色像差测量对象；所述夏克哈特曼波前传感器包括准直透镜、微透镜阵列、图像传感器；所述微透镜阵列被分子孔径镀膜，不同子透镜交替镀有不同波段的增透膜，通过增透膜使得子透镜只能透射指定波段的光束；所述不同波段指属于图像传感器工作波长范围内的窄带光，窄带光的中心波长根据测量需求确定。
2.如权利要求1所述的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统，其特征在于：卤素氙灯光源耦合光纤发射白光，白光经过反射式平行光管准直产生平行光，平行光到达待测光学成像系统，待测光学成像系统将平行光会聚在像点位置，准直透镜对像点位置的球面波进行准直，准直后的光束经过分子孔径镀膜的微透镜阵列形成光斑阵列图。
3.一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，基于如权利要求1或2所述的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统实现，其特征在于：使用的夏克哈特曼波前传感器中的微透镜阵列被分子孔径镀膜，不同子透镜交替镀有不同波段的增透膜，使得不同子透镜透射并聚焦不同波段的光束；使用白色点光源对夏克哈特曼波前传感器进行参考零位标定，再引入具有入射角度的白色平行光入射到待测光学成像系统，白色平行光经过待测光学成像系统在像点处形成球面波，使用夏克哈特曼波前传感器对像点位置球面波进行准直和波前传感，重构出不同波段的波前分布得到波像差，根据不同波段的波前中的整体倾斜和离焦计算待测光学成像系统的色像差。
4.一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，基于如权利要求1或2所述的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量系统实现，其特征在于：包括如下步骤，
5.如权利要求4所述的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
6.如权利要求5所述的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
7.如权利要求6所述的一种基于夏克哈特曼传感器的波像差和色像差测量方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
