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小孔眼镜和哈特曼检验有没有关系？

锐光凯奇raycage

2025-04-14

导读：小孔眼镜和哈特曼检验虽然都涉及小孔结构，但它们的应用场景和目的存在显著差异，并无直接关联。仅仅借此机会介绍一下哈特曼波前传感器的应用，因为水平有限，希望能够起到抛砖引玉的效果供大家参考。

大家知道如图1所示的小孔眼镜吧？

图1 小孔眼镜

小孔眼镜，也被称为“针孔眼镜”或“针孔眼镜片”，是一种特殊设计的眼镜。它的设计原理基于光学原理--通过在眼镜片上开设许多小孔，限制光线进入眼睛的范围，因此有号称小孔眼镜可以改善近视、纠正远视、减轻散光等问题的说法。到今天为止都无法提供足够的证据来支持这一结论，但是也无法提供充分的证据推翻这一结论。其实基本原理是光学原理中的小孔成像原理，缩小光圈，增加景深而已。可以想象戴上这种眼镜，由于进入眼镜的光线减少，东西看上去是要暗一些，因此在开车或者操作机器是不允许佩戴小孔眼镜的。

尽管如此，带着这种眼镜看书还是相当的安全，尤其对于验光后无法购置高昂特殊眼镜的人来说，还是有一点点帮助吧，这类群体应该是不多见！

今天是通过小孔眼镜引出另外一个非常专业的光学话题--哈特曼（Hartmann）波前传感器，哈特曼传感器的结构，也是小孔(其中的一种，现在使用微透镜阵列代替小孔），图2：

图2 哈特曼传感器的小孔结构

图3是光学测量相关专业人员非常熟悉的一本经典著作，在这本书里的第十章，D. Malacara详细介绍了这种检测方法。这种方法是哈特曼（Hartmann）在1900年检验位于波茨坦的大型折射望远镜时发明，但是大家也公认1894年Tscherning也提出过这个检验原理。

图3 第一版的光学车间检验

这个方法当时主要是解决大孔径的反射镜面形误差检测技术。具体原理为在被测反射镜焦点位置放置点光源，发出的理想球面波经待测镜反射后在焦点附近被整形光学系统发散成近似平面波，该平面波通过小孔阵列聚焦在像面，形成和记录一组光斑，每个光斑位置表征了与其对应的被检镜相应子孔径处波面的横向像差。通过求解每个焦斑位置与理想位置的偏移量，可以得到相应位置处的波面斜率，进而通过积分运算求得反射镜面形误差。

经过100多年的检测技术发展，尤其是近30年科技、加工水平的飞速发展，现代科技手段赋予了这种传统的检测技术新的生命。这种技术被应用到自适应光学，涵盖可见、近红外和短波红外波段，具备高速、高分辨率的特点，小孔现在已经使用微透代替，记录的胶片也是使用CCD相机代替，不仅可以检验反射镜，也可以被应用于透射光路中，名称也是被称为了哈特曼波前传感器。

目前美国Thorlabs公司可以提供商业化哈特曼波前传感器，国内2019年创立的苏州菲斯光电仪器有限公司据报道也可以提供短波红外哈特曼波前传感器。

使用哈特曼波前传感器分析入射光束波前的形状，以识别或校正光穿过各个光学器件或光学组件引起的畸变。现在已经不使用小孔，而是使用微透镜阵列将光束分成离散的强度点阵来实现这个功能。这些数据可通过Zernike多项式来重建和分析波前的形状。除了分析经典光学现象之外，它们还越来越广泛地用于通过实时监测波前控制自适应光学的应用，从而在生成图像前消除波前畸变。图4是现代哈特曼波前传感器的基本原理：

图4 哈特曼波前传感器的基本原理（引于索雷博官方网页）

图4左入射波前是平面波，则所有焦斑都直接位于对应微透镜后面的中心位置，形成参考光斑场。当图4右入射的是有畸变的波面情况下，相对微透镜光轴的传播角α会造成光斑(红点)偏离参考光斑位置。波前传感器其实就是CCD相机，通过光斑位置不难计算出其偏移量，从而得出波前的形状，通过一个可以控制的变形镜补偿波面畸变而实现自适应光学（目前非常流行的一种应用现代技术，在光刻机中也可以使用）。

小孔眼镜和哈特曼检验虽然都涉及小孔结构，但它们的应用场景和目的存在显著差异，并无直接关联。仅借此机会介绍一下哈特曼波前传感器的应用，水平有限，希望能够起到抛砖引玉的效果供大家参考。

PS ：本次推送内容中提到了哈特曼（Hartmann）波前传感器、哈特曼传感器和哈特曼检验，本质都是一样的原理。如果按照时代顺序的说法一般都是使用哈特曼检验这个术语，其中小孔阵列也称为哈特曼传感器；而现代化的装置是用微透镜阵列代替小孔，使用CCD相机探测波前的畸变，所以现在习惯称为哈特曼波前传感器。希望推送内容没有引起大家误解。

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