基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器。该传感器包括光学匹配系统、第一和第二傅立叶透镜、CCD1和CCD2探测器；还包括分光镜、第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列。第一和第二衍射光栅阵列均由变空间频率的子光栅紧密排列组成，并分别与紧贴前面或后面的第一和第二傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；通过选取子光栅的衍射级数控制各子波前孔径聚焦光斑在CCD探测器的动态范围，以达到高精度条件下实现调整哈特曼波前传感器测量动态范围目的。本实用新型专利技术克服了现有哈特曼中测量精度与动态范围之间不可调和的矛盾问题；且结构简单、性能稳定、应用性强；适用于光学加工检测、各类高功率激光波前相位和光束质量检测等领域。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种光学动态波前传感器，特别涉及一种基于衍射光栅阵列的高精度和测量动态范围可调整的哈特曼波前传感器，属于光学检测领域。
技术介绍
哈特曼波前传感器是一种有效的光学动态波前检测仪器。它广泛应用于高功率激光、高重频脉冲激光的波前像差和光束质量综合检测，特别是在自适应光学系统之中。它事先采用理想参考波前定标，而在现场测量时不需要参考光波，所以对环境的要求没有波面干涉仪那样高，因此它对于高功率激光系统，尤其是高重频脉冲激光畸变波前像差的实时动态检测来说是一个十分有效的工具。哈特曼波前传感器工作的基本原理是利用波前孔径分割元件和聚焦光学元件将入射波前分割为子波前孔径，如夏克-哈特曼阵列，并将其聚焦于光电探测器的光敏靶面；或者是通过光学成像系统将各子波前孔径的焦平面光斑成像于光电探测器的光敏靶面，形成光斑点阵列，最后通过计算机对光电探测器接收到的光斑信息进行处理，计算出子波前孔径会聚光点的重心与标定重心在X、y方向上的偏移量，再由子波前孔径的焦距和偏移量大小求得各子波前孔径的波前斜率信息，最后由波前斜率信息重构待测激光光束波前分布。传统的哈特曼波前传感器通常采用微透镜子孔径阵列与CCD光电探测器固定耦合结构。中国专利技术专利，其授权公告号CN11189774C公开了一种哈特曼光学波前传感器，即为前面所述结构，它由微透镜子孔径阵列和CCD探测器通过机械系统固定耦合在一起构成。但是这种哈特曼波前传感器的空间分辨率由微透镜阵列的子孔径数确定，其缺陷在于它的测量精度、空间分辨率以及测量动态范围等关键参数只能由哈特曼的结构参数唯一确定，而不能根据测量的需要进行相应调整。而在实际的光学测量与激光光束质量检测应用中，对哈特曼波前传感器的要求不仅要有大的测量动态范围，而且要有高的测量精度，以适应不同光学元件面形误差的变化幅值，或者是以适应不同类型的激光光束波前像差以及光束质量的检测。如中国专利号为ZL 02123756. 5的专利，公开了一种测量动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，在波面分割取样阵列的前面或后面，或光学匹配系统中与波面分割取样阵列的共轭位置加入测量子孔径选通控制元件，通过控制测量子孔径的采样通光子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整哈特曼的测量动态范围的目的。该专利的缺陷在于测量子孔径选通控制元件不仅使得哈特曼波前传感器的结构更加复杂，而且通过控制测量子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，在提高哈特曼波前传感器测量动态范围的同时，也降低了其测量精度。又有文献Large-dynamic-rangeShack_Hartmann wavefrontsensor for highly aberrated eyes. (Journal ofBiomedical Optics, Vol. 11(3)030502-1-3030502-3,作者Geunyoung Yoon, SethPantanelli, Lana J. Nagy)提出通过在波前分割孔径之前加入一可控制的通光掩膜以提高哈特曼测量动态范围，但是其在提高测量动态范围的同时却又降低了哈特曼波前传感器的测量精度。还有文献Measurementand compensation of optical aberrationsusing a single spatial light modulator.(OPTICS EXPRESS, Vol. 15，No. 23，pp. 15287-15292，作者 Justo Arines, Vicente Duran,Zbigniew Jaroszewicz等)提出通过在分割波前子孔径之前加入一液晶空间光调制器以实现可移动的掩膜功能，从而提高哈特曼的测量动态范围，但是这种作法同样面临降低哈特曼波前传感器测量精度的缺陷。
技术实现思路
本技术的目的正是为了克服现有哈特曼波前传感器中，其测量动态范围与测量精度之间存在矛盾的问题，而提供一种结构简单、应用与适应性强、基于衍射光栅阵列的测量动态范围可调整又同时能够保持高测量精度的哈特曼波前传感器。本技术的基本设计思想是设计一种基于衍射光栅阵列的测量动态范围可调 整的高精度哈特曼波前传感器。该哈特曼波前传感器包括光学匹配系统、分光镜、波前孔径分割元件第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜、CCDl探测器和CCD2探测器。所述的两衍射光栅阵列均由变空间频率的子光栅紧密排列组成，即两衍射光栅阵列在对角方向上的变空间频率的子光栅的光栅空间频率按照1，2，3. ..N,或者N，N-l，N-2. . . I的规律递变；而其余的变空间频率的子光栅的光栅空间频率关于其任意对角方向轴对称分布。第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列分别与前面或后面紧贴着的第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；通过控制选取所述两衍射光栅阵列中子光栅的衍射级数来控制各子波前孔径的聚焦光斑在两CCD探测器光敏靶面的动态范围，以达到在保持高精度测量条件下，同时实现调整哈特曼波前传感器的测量动态范围的目的。为实现本技术的上述目的，本技术采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。本技术一种基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统、CXDl探测器和(XD2探测器，第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜；其特征在于还包括在光学匹配系统之后添加一个用于分光的分光镜，在分光镜透射面、第一傅立叶透镜前面或者后面，且紧贴着第一傅立叶透镜添加波前孔径分割元件第一衍射光栅阵列，在分光镜反射面、第二傅立叶透镜前面或者后面，且紧贴着第二傅立叶透镜添加波前孔径分割元件第二衍射光栅阵列；衍射光栅阵列与傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；所述分光镜将待测激光分为两束，一束经过第一衍射光栅阵列和第一傅立叶透镜后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第一傅立叶透镜焦平面处的CXDl探测器采集；另一束经过第二衍射光栅阵列和第二傅立叶透镜后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第二傅立叶透镜焦平面处的CCD2探测器采集；CCD1探测器和CCD2探测器分别获取待测激光波前正交方向上的斜率信息后，由正交方向上的斜率信息便可重构待测激光波前分布情况，即可获得待测激光波前的整体信息。上述技术方案中，所述第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列是由变空间频率的子光栅紧密排列组成，它们分别与第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜紧密耦合实现波前孔径分割；通过选取子光栅的衍射级数可以控制各子波前孔径聚焦光斑在CCDl探测器和CCD2探测器光敏靶面的测量动态范围，以达到调整哈特曼波前传感器测量动态范围的同时又能保持哈特曼高精度测量的目的。上述技术方案中，所述第一衍射光栅阵列上的变空间频率子光栅的光栅空间频率关于其任意一个对角线方向轴对称分布，且所述对角线方向上的子光栅的光栅空间频率按照1，2，3. ..N，或者Ν，Ν-1，Ν-2. .. I的规律递变。上述技术方案中，所述第二衍射光栅阵列上的变空间频率子光栅的光栅空间频率与第一衍射光栅阵列上的变空间频率子光栅的光栅空间频率分布完全相同，但它们的放置位置相互垂直。上述技术方案中，所述的第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列的变空间频率的子光栅结构可以采用振幅型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统(I)、CXDl探測器(5)和(XD2探测器(8)，第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(7);其特征在于还包括在光学匹配系统(I)之后添加ー个分光镜(2)，在分光镜(2)的透射面、第一傅立叶透镜(4)前面或者后面，且紧贴着第一傅立叶透镜(4)添加第一衍射光栅阵列(3)，在分光镜(2)的反射面、第二傅立叶透镜(7)前面或者后面，且紧贴着第二傅立叶透镜(7)添加第二衍射光栅阵列(6);所述衍射光栅阵列与傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；所述分光镜(2)将待测激光分为两束，一束经过第一衍射光栅阵列(3)和第一傅立叶透镜(4)后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第一傅立叶透镜(4)焦平面处的CXDl探測器(5)采集；另一束经过第二衍射光栅阵列(6)和第二傅立叶透镜(7)后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第二傅立叶透镜(7)焦平面处的(XD2探测器(8)采集；(XD1探测器(5)和(XD2探测器(8)分别获取待测激光波前正交方向上的斜率信息后，由正交方向上的斜率信息重构待测激光波前分布情況。2.根据权利要求I所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述第一衍射光栅阵列(3)和第二衍射光栅阵列(6)是由变空间频率的子光栅紧密排列组成，它们分别与第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(7)紧密耦合实现波前孔径分割；通过选取子光栅的衍射级数控制各子波前孔径聚焦光斑在...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国英，杜永兆，李洪儒，周寿桓，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：实用新型
国别省市：