一种基于离焦光栅阵列的波前传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于离焦光栅阵列的波前传感器，利用离焦光栅阵列，同时实现对待测光束的孔径分割和子孔径内

【技术实现步骤摘要】
一种基于离焦光栅阵列的波前传感器


[0001]本专利技术属于波前探测
，尤其涉及一种基于离焦光栅阵列的波前传感器。

技术介绍

[0002]波前探测一直是光学界研究热点之一，在天文观测、光学检测、医学成像、自适应光学等诸多领域都涉及到相位测量的问题。现有主流相位测量方法主要分为干涉法、直接测量法和基于强度分布的间接测量法三大类，每类方法都有其独特的优势，分别被应用于不同的场合。
[0003]离焦光栅实质上是一个离轴的菲涅尔波带片，具有普通光栅的棱镜作用，将入射波前在光栅的不同的衍射级上分束，同时具有菲涅尔波带片的透镜作用，在不同的衍射级上引入不同的透镜效应。最终使得输入波前有对称分布的
±
1级衍射光轴，且在
±
1级上具有大小相等，一正一负的焦距。
[0004]夏克
‑
哈特曼波前传感器主要是通过微透镜阵列对波前进行分割采样，子波前经过微透镜阵列后被聚焦于光电探测器上，形成光斑阵列图，其测量精度与空间采样率存在固有矛盾，限制了夏克
‑
哈特曼波前传感器的测量性能。曲率波前传感器是通过计算聚焦透镜前后光强的归一化之差，在光瞳内部与波前曲率成正比，但曲率波前传感器无法对高阶信息进行测量，限制了其发展。因此，目前亟需寻找一种探测精度高、鲁棒性好的低空间采样波前探测技术路线。
[0005]结合离焦光栅的特性、曲率波前传感器的原理及哈特曼波前传感器的结构，提出一种基于离焦光栅阵列波前传感器，在单个子孔径内引入离焦光栅对入射波前进行相位调制，在其焦面上获得
±
1级离焦光斑，结合曲率波前传感器的原理，得到单个波前的信息，最终根据复原矩阵和单个子孔径内的波前信息复原波前。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：夏克
‑
哈特曼波前传感器测量精度和空间采样率的固有矛盾以及曲率波前传感器无法对波前的高阶信息进行探测的问题。在低空间采样条件下完成高精度波前复原，在同等子孔径条件下以更高精度复原更高阶的波前像差信息。
[0007]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于离焦光栅阵列的波前传感器，所述波前传感器采用离焦光栅阵列对待测光束进行孔径分割和相位调制形成
±
1级衍射阵列，再利用微透镜阵列对
±
1级衍射阵列进行聚焦，形成
±
1级离焦光斑阵列；所述波前传感器主要包括离焦光栅阵列、微透镜阵列和光电探测器三部分；
[0008]所述离焦光栅阵列中的光栅为相位型离焦光栅，用于对待测光束进行孔径分割以形成若干子孔径并对子孔径内波前进行相位调制；设单个子孔径调制前的波前为φ
j
(x,y)，j为子孔径编号，对子孔径内波前调制的相移函数为φ
m
(x,y)，则对第j个子孔径调制后的波前φ'
j
(x,y)为：
[0009]φ'
j
(x,y)＝φ
j
(x,y)+φ
m
(x,y)
[0010]其中，x,y为离焦光栅的坐标；
[0011]所述微透镜阵列位于所述离焦光栅阵列之后，且与离焦光栅阵列一一对应，所述微透镜阵列对通过离焦光栅阵列调制后的光束进行聚焦，在其焦面上形成
±
1级离焦光斑阵列；
[0012]所述光电探测器位于微透镜阵列的焦面，探测每个子孔径内的
±
1级离焦光斑图像数据，所述离焦光斑图像数据用于利用曲率波前复原方法计算子孔径中的高阶像差信息和重建全口径的高分辨波前。
[0013]进一步的，所述离焦光栅阵列大于等于2
×
2。
[0014]进一步的，所述的曲率波前复原方法是基于两幅
±
1级离焦光斑图像的本征函数波前复原方法，包括所有基于
±
1级离焦光斑提取波前信息的方法。
[0015]进一步的，所述光电探测器可以是CCD、CMOS，或其他阵列型探测器。
[0016]本专利技术与现有技术相比有以下优点：
[0017]本专利技术利用离焦光栅对输入波前进行调制，调制后的波前在微透镜阵列的焦面可以得到正负焦面的信息，结合曲率波前传感器的波前复原算法，可以获得单个子孔径对应波前的高阶信息，以提高波前复原精度；本专利技术与传统夏克
‑
哈特曼波前传感器复原方法相比，可以在相同子孔径条件下以更高精度复原波前，稀疏子孔径条件下可以以更高精度复原更高阶畸变波前，有望用于对弱光、高精度等领域的波前探测。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例一2
×
2离焦光栅阵列波前传感器的结构示意图；
[0019]图2为本专利技术实施例一2
×
2离焦光栅阵列的相位图；
[0020]图3为本专利技术实施例一中的待测波前和焦面光强图，其中，(a)为待测波前图，(b)为焦面的光强图；
[0021]图4为本专利技术实施例一波前复原结果，其中，(a)为本专利技术实施例一复原的波前图，(b)为本专利技术实施例一波前复原残差图；
[0022]图5为传统夏克
‑
哈特曼波前传感器复原算法的复原结果，其中，(a)为模式法复原的波前图，(b)为模式法波前复原残差图。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术的目的和技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例一，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。
[0024]本专利技术为一种基于离焦光栅阵列波前传感器，实施例一中采用2
×
2离焦光栅阵列波前传感器，其光学结构如图1所示，离焦光栅对输入波前进行相位调制，离焦光栅阵列1位于微透镜阵列2前，CCD 3位于微透镜阵列2的焦平面处。其中，离焦光栅阵列、微透镜阵列均采用2
×
2排布，微透镜阵列焦距为50mm，单个子孔径尺寸为1200μm，光波波长为632.8nm。
[0025]具体实施分为两个部分，如下：
[0026]1.离焦光栅对入射波前的调制作用表示为：
[0027]离焦光栅为二元相位调制板，相移函数φ'(x,y)满足如下关系式：
[0028][0029]其中，x,y为离焦光栅的坐标，x0为离焦光栅的偏移量。
[0030]实施例一中，待测波前包含前16阶的本征函数像差，光瞳为长度为a宽度为b的矩形，且矩形区域上的本征函数的解析表达式为：
[0031][0032]对应的本征值为其中m,n＝0、1、2、3
…
[0033]则输入波前可以由本征函数表示为：
[0034][0035]其中，W
i
表示第i阶的本征函数的相差，a
i
为第i阶的本征函数的系数，波前总共由L阶的本征函数表示。
[0036]待测波前通过离焦光栅对相位进行调制，并经过微透镜阵列后在其焦面的CCD上形成正负离焦的光强图像，离焦光栅阵列的相位图2所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离焦光栅阵列的波前传感器，其特征在于：所述波前传感器采用离焦光栅阵列对待测光束进行孔径分割和相位调制形成
±
1级衍射阵列，再利用微透镜阵列对
±
1级衍射阵列进行聚焦，形成
±
1级离焦光斑阵列；所述波前传感器主要包括离焦光栅阵列、微透镜阵列和光电探测器三部分；所述离焦光栅阵列中的光栅为相位型离焦光栅，用于对待测光束进行孔径分割以形成若干子孔径并对子孔径内波前进行相位调制；设单个子孔径调制前的波前为φ
j
(x,y)，j为子孔径编号，对子孔径内波前调制的相移函数为φ
m
(x,y)，则对第j个子孔径调制后的波前φ
′
j
(x,y)为：φ
′
j
(x,y)＝φ
j
(x,y)+φ
m
(x,y)，其中，x,y为离焦光栅的坐标；所述微...

【专利技术属性】
技术研发人员：官泓利，赵旺，刘生虎，陈春璐，赵孟孟，杨康建，王帅，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：