专利名称：一种动态范围可调的哈特曼波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型光学动态波前传感器，尤其涉及一种基于相位补偿原理的动态范围可调的哈特曼波前传感器。
背景技术：
自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器构成，其中波前传感器可以说是自适应光学系统的“眼睛”，波前传感器的探测能力直接影响自适应光学系统的校正性能。哈特曼波前传感器是目前最流行、应用最为广泛的波前传感器。中国专利申请公开说明书(申请号98112210. 8，公开号CN1245904A)公开的一种哈特曼波前传感器，其实现方式主要采用波前分割取样阵列元件如微透镜阵列，将波前分割成许多子孔径波前，并将入射的光分别汇聚到阵列光电传感器上形成光斑阵列。当无像差平面波入射时，每个子孔径波前的光斑位于光电传感器靶面上相应子区域的中心，当带有像差波前入射时，每个子孔径对应光斑会发生一定的偏移，测量各光斑相对于无像差平面波入射情况的偏移量， 通过计算机处理计算，就能获得各子孔径内波前和整个的波前像差信息。但是，哈特曼波前传感器的动态范围一般在设计时已经确定，当需要测量大像差时，往往会出现光斑偏移超出设计动态范围，导致探测不准甚至无法探测的情况。如果设计时就采用大动态范围，哈特曼波前传感器整体探测精度又会随之下降。因此，如何用哈特曼波前传感器探测大像差，并且保证探测精度，是需要开展的研究工作。目前，已经提出了许多大动态范围或是动态范围可调的哈特曼波前传感器，如中国专利申请公开说明书(申请号02123756. 5，公开号CN1212508C)提出的一种动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，它通过在哈特曼波前传感器结构中加入测量子孔径选通控制元件，控制子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整波前传感器测量精度和动态范围的目的。这些发明能够实现增大哈特曼波前传感器的动态范围的目的，但是波面分割取样阵列元件总会带有一定的离轴像差，该发明与其他大动态范围或动态范围可调的哈特曼波前传感器均不可避免地会遇到光斑偏移较大、离轴较远时光斑质心难以探测准确的问题。如果忽视这个问题，即使增大了哈特曼波前传感器的动态范围，波前探测精度也会因光斑质心探测误差变大而下降。因此发明一种即可实现动态范围可调， 又能保证探测精度的哈特曼波前传感器是十分有必要的。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服哈特曼波前传感器动态范围大和测量精度高难以兼顾的问题，提出一种动态范围可调，测量精度可保证，且容易满足质心算法精度和波前分割取样阵列元件离轴像差控制要求的哈特曼波前传感器。本发明提出的动态范围可调的哈特曼波前传感器，由光学匹配系统、波前分割取样阵列、相位调制器和光电传感器组成，光学匹配系统用于将入射光波缩束，使入射光波束尺寸不超过波前分割取样阵列的尺寸以及相位调制器的尺寸，相位调制器置于光学匹配系统与波前分割取样阵列之间，其口径大于光学匹配系统的通光口径，相位调制器对经过缩束的入射波附加像差，在其通光口径内形成诸多子区域，该子区域与波前分割取样阵列的子孔径口径及排布一一对应，并将所产生的像差附加给通过对应子孔径的光波，波前分割取样阵列将经过相位调制器的光波分割成多束子光束，并分别聚焦到位于其焦面的光电传感器靶面上。所述相位调制器置于光学匹配系统的前端，相位调制器子区域口径与波前分割取样阵列子孔径口径的比例与光学匹配系统缩束比例相同，子区域排布方式与子孔径相同。所述相位调制器也可以置于光学匹配系统与波前分割取样阵列之间，相位调制器子区域口径和排布方式与波前分割取样阵列子孔径均相同。所述相位调制器为透射式相位调制器，采用电寻址相位调制的液晶空间光调制
ο所述波前分割取样阵列采用二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列。所述光电传感器采用CCD探测器，或CMOS探测器，或四象限传感器阵列。与现有哈特曼波前传感器比较，本发明动态范围可调的哈特曼波前传感器能够使波前分割取样阵列各子孔径快速锁定光电传感器上对应光斑，实现动态范围可调，保证测量精度，在测量大像差时，即使光斑质心偏移较大，波前分割取样阵列的固有离轴像差会对质心探测造成影响，但通过相位补偿，使通过波前分割取样阵列的大像差逐渐变为小像差， 光电传感器上光斑回到各自标定位置附近，哈特曼波前传感器在测量小像差时精度是可以信赖的，因此本发明能够降低对波前分割取样阵列离轴像差控制的要求，大大减轻了离轴像差对最终测量结果的影响。
图1为本发明动态范围可调的哈特曼波前传感器实施例的结构示意图。图2为光斑偏移在哈特曼波前传感器设计动态范围之内时，本发明动态范围可调的哈特曼波前传感器靶面上光斑阵列复位过程示意图；图3为某些光斑偏移超出哈特曼波前传感器设计动态范围时，本发明动态范围可调的哈特曼波前传感器靶面上光斑阵列复位过程示意图；图4为本发明动态范围可调的哈特曼波前传感器另一实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明动态范围可调的哈特曼波前传感器作进一步说明。实施例一如图1所示，补偿子孔径内波前像差元件采用透射式相位调制器3，位于波面分割取样阵列2之前，补偿各子孔径内子波前倾斜像差，它包括光学匹配系统1、波前分割取样阵列2、透射式相位调制器3和光电传感器4，入射光波经过光学匹配系统1被缩束，在进入波前分割取样阵列2之前通过透射式相位调制器3，透射式相位调制器可以对光波附加特定的像差，波前分割取样阵列2的子孔径将光波分割成许多子光束，其焦面与光电传感器4靶面重合，将各子孔径中的子光束分别聚焦于光电传感器4靶面上，其中透射式相位调制器3采用电寻址相位调制的液晶空间光调制器，波前分割取样阵列2采用二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列，光电传感器4采用CCD探测器或CMOS探测器；透射式相位调制器3为波前分割取样阵列2每个子孔径内光波附加特定相差，附加方式可以是同步补偿，即同时对每个子孔径内光波附加特定相差，也可以是异步补偿，只对特定一个或几个子孔径内光波附加特定相差，当待测波前像差不大，光电传感器 4上光斑质心偏移不大，波前分割取样阵列2子孔径与光斑能够一一对应时，测量时根据光电传感器4光斑质心偏移得到每个子孔径内光波倾斜像差大小，并用透射式相位调制器3 同步补偿，最终使光电传感器4上每个光斑均复位至哈特曼波前传感器标定时所确定的初始位置，也即透射式相位调制器3将待测波前像差补偿，待测波前像差量就是补偿所用的像差量的共轭值。待测波面与补偿所用波面每一点像差量均为相反数关系形成共轭。当待测波前像差较大，光电传感器4上光斑质心偏移过大，波前分割取样阵列2子孔径与光斑无法一一对应时，通过控制透射式相位调制器3对不同子孔径内光波像差的异步补偿，观察光斑质心变化，质心发生的光斑与附加像差的子孔径对应，在锁定每个子孔径对应的光斑之后，就可测量光斑质心偏移计算每个子孔径内光波倾斜像差大小，并用透射式相位调制器3同步补偿，最终使光电传感器4上每个光斑均复位至哈特曼波前传感器标定时所确定的初始位置，这样就可不受动态范围限制，实现动态范围可调以及对波前像差的补偿和测量，因为像差补偿之后的光斑均在初始标定位置或者其附近，进入波前分割取样阵列2的光波波前像差非常小，而在小像差情况下哈特曼波前传感器的测量是可靠的，也即相位补偿的残差非常小，所以即使待测波前像差很大，最终的测量精度也能保证与小像差情况一致。实施例一通过以下步骤实现波前探测和动态范围可调(1)在相位调制器3上为每个波前分割取样阵列2子孔径划分对应的子区域，相位调制器3子区域的尺寸和排布与波前分割取样阵列2子孔径的尺寸和排布相同，每个相位调制器3子区域给其对应的子孔径内的光波附加一定的倾斜像差；(2)用无像差平面波入射标定，透射式相位调制器3不附加任何像差，记录探测器上每个波前分割取样阵列2子孔径对应光斑的初始标定位置；(3)测量带像差波前时，各子孔径对应光斑在光电传感器4靶面上会发生偏移，根据当前测得的光斑质心偏移计算各子孔径内光波的倾斜像差量，透射式相位调制器3将每个子孔径内光波算得的倾斜像差补偿，各光斑随之向标定位置移动，因为光斑质心偏移测量值存在误差，所以仅一次相位补偿不能使光斑回到标定位置上或者其附近，需要经过多次测量和补偿，最终使光电传感器4靶面上各光斑均复位至标定位置附近，其中相位补偿可以针对特定的子孔径，通过异步补偿的方式，子孔径能快速地锁定对应的光斑，因此探测波前像差时不受动态范围的限制，能够实现动态范围可调；(4)当光电传感器4上各光斑均复位至标定位置附近时，可以认为波前分割取样阵列2的光波波前像差很小，与标定时所用的无像差平行光近似，也即相位调制器基本补偿了待测波前像差，最终待测波前像差就是相位调制器上总补偿像差的共轭值。下面结合附图进一步说明透射式相位调制器对各子孔径内光波附加倾斜像差，使光电传感器上各光斑复位的过程。
如图2所示，各子孔径对应光斑偏移在哈特曼波前传感器设计动态范围之内，波面分割取样阵列2采用8X8子孔径单元在光电传感器4靶面上形成的光斑阵列，符号“ X，， 表示无像差波前标定光斑位置，黑点“ · ”表示带像差波面形成光斑。此时子孔径内波前像差均未超过动态范围，。将其中单个子孔径对应光电传感器4子区域作为示例，说明相位补偿时子孔径对应光斑复位过程。假设子孔径内波前近似只含倾斜像差。通过测得初始状态时子孔径对应光斑的偏移量，得到子孔径波前倾斜斜率％和Qy，子孔径内波前可表示为W(x, y) = σ χ . χ+ σ y . y (1)因为对离轴的光斑质心探测存在误差，测得的斜率相对于真实值也存在误差 δ σχ、δ oy，真实子波前可表示为W(χ, y) = (σχ+δ σ χ) · x+(oy+5 σ y) · y (2)根据测得值产生补偿相位W(χ, y) = - σ χ . χ-σ y . y (3)一次补偿后子孔径内波前为ff(x, y) = δ σ χ . χ+ δ σ y · y (4)此时光斑位置往无像差波前标定位置偏移，进入近轴区域。再次测量光斑质心偏移，根据测得量对之前的补偿相位进行补充修正，如此反复测量补偿直至每个子孔径对应光斑复位到无像差波前标定位置或该位置附近，具体复位位置容许范围可以根据可允许误差确定。这样就可以在波面分割取样阵列2带有离轴像差和离轴光斑质心测量有误差时也能保证测量精度。如图3所示，出现某些子孔径对应光斑偏移超出哈特曼波前传感器设计动态范围，进入临近子孔径对应光电传感器4子区域内的情况。通过控制邻近子孔径之间的相位非同步补偿，在对一个子孔径内进行相位补偿时，为了确定子孔径对应的光斑，首先为该子孔径随机产生一个很小的倾斜补偿像差，并保持邻近子孔径相位不变，探测该子孔径及邻近子孔径对应区域内是否有光斑位置变化，即可锁定该子孔径对应的光斑。光斑锁定后，用图2中情况相同方法对其进行相位补偿，即可让光斑返回子孔径对应光电传感器4子区域内，直至复位至无像差波前标定位置附近。这样就能突破动态范围限制，实现动态范围可调，而且测量大像差时，也避免了光斑偏移增大后带来的质心探测不准的问题，保证了对大像差的探测能力和探测精度。实施例二如图4所示，补偿子孔径内波前像差元件采用透射式相位调制器3，位于波面分割取样阵列2在光学匹配系统之前，补偿各子孔径内波前像差，它包括光学匹配系统1、波前分割取样阵列2、透射式相位调制器3和光电传感器4，入射光波经过光学匹配系统1缩束后进入波前分割取样阵列2，波前分割取样阵列2的子孔径将光波分割成许多子光束，其焦面与光电传感器4靶面重合，将各子孔径中的子光束分别聚焦于光电传感器4靶面上，透射式相位调制器置于光学匹配系统之前，可以对光波附加特定的像差，其中透射式相位调制器3采用电寻址相位调制的液晶空间光调制器，波前分割取样阵列2采用二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列，光电传感器采用CXD探测器或CMOS探测器；透射式相位调制器3为波前分割取样阵列2每个子孔径内光波附加特定相差，附加方式可以是同步补偿，即同时对每个子孔径内光波附加特定相差，也可以是异步补偿，只对特定一个或几个子孔径内光波附加特定相差，当待测波前像差不大，光电传感器 4上光斑质心偏移不大，波前分割取样阵列2子孔径与光斑能够一一对应时，测量时根据光电传感器4光斑质心偏移得到每个子孔径内光波倾斜像差大小，并用透射式相位调制器3 同步补偿，最终使光电传感器4上每个光斑均复位至哈特曼波前传感器标定时所确定的初始位置，也即透射式相位调制器3将待测波前像差补偿，待测波前像差量就是补偿所用的像差量的共轭值，当待测波前像差较大，光电传感器4上光斑质心偏移过大，波前分割取样阵列2子孔径与光斑无法一一对应时，通过控制透射式相位调制器3对不同子孔径内光波像差的异步补偿，观察光斑质心变化，质心发生的光斑与附加像差的子孔径对应，在锁定每个子孔径对应的光斑之后，就可测量光斑质心偏移计算每个子孔径内光波倾斜像差大小， 并用透射式相位调制器3同步补偿，最终使光电传感器4上每个光斑均复位至哈特曼波前传感器标定时所确定的初始位置，这样就可不受动态范围限制，实现动态范围可调以及对波前像差的补偿和测量，因为像差补偿之后的光斑均在初始标定位置或者其附近，进入波前分割取样阵列2的光波波前像差非常小，而在小像差情况下哈特曼波前传感器的测量是可靠的，也即相位补偿的残差非常小，所以即使待测波前像差很大，最终的测量精度也能保证与小像差情况一致。实施例二通过以下步骤实现波前探测和动态范围可调(1)在相位调制器3上为每个波前分割取样阵列2子孔径划分对应的子区域，相位调制器3子区域排布与波前分割取样阵列2子孔径排布相同，每个子区域与对应子孔径的口径之比等于光学匹配系统1的缩束比，每个相位调制器3子区域给其对应的子孔径内的光波附加一定的倾斜像差；(2)用无像差平面波入射标定，透射式相位调制器3不附加任何像差，记录探测器上每个波前分割取样阵列2子孔径对应光斑的初始标定位置；(3)测量带像差波前时，各子孔径对应光斑在光电传感器4靶面上会发生偏移，根据当前测得的光斑质心偏移计算各子孔径内光波的倾斜像差量，透射式相位调制器3将每个子孔径内光波算得的倾斜像差补偿，各光斑随之向标定位置移动，因为光斑质心偏移测量值存在误差，所以仅一次相位补偿不能使光斑回到标定位置上或者其附近，需要经过多次测量和补偿，最终使光电传感器4靶面上各光斑均复位至标定位置附近，其中相位补偿可以针对特定的子孔径，通过异步补偿的方式，子孔径能快速地锁定对应的光斑，因此探测波前像差时不受动态范围的限制，能够实现动态范围可调；(4)当光电传感器4上各光斑均复位至标定位置附近时，可以认为波前分割取样阵列2的光波波前像差很小，与标定时所用的无像差平行光近似，也即相位调制器基本补偿了待测波前像差，最终待测波前像差就是相位调制器上总补偿像差的共轭值。
权利要求
1.一种动态范围可调的哈特曼波前传感器，由光学匹配系统(1)、波前分割取样阵列 O)、相位调制器C3)和光电传感器(4)组成，光学匹配系统(1)用于将入射光波缩束，使入射光波束尺寸不超过波前分割取样阵列(2)的尺寸以及相位调制器(3)的尺寸，其特征在于相位调制器(3)置于光学匹配系统(1)与波前分割取样阵列(2)之间，其口径大于光学匹配系统(1)的通光口径，相位调制器C3)对经过缩束的入射波附加像差，在其通光口径内形成诸多子区域，该子区域与波前分割取样阵列O)的子孔径口径及排布一一对应，并将所产生的像差附加给通过对应子孔径的光波，波前分割取样阵列( 将经过相位调制器 (3)的光波分割成多束子光束，并分别聚焦到位于其焦面的光电传感器(4)靶面上。
2.根据权利要求1所述的动态范围可调的哈特曼波前传感器，其特征是相位调制器 (3)置于光学匹配系统(1)的前端，相位调制器(3)子区域口径与波前分割取样阵列(2)子孔径口径的比例与光学匹配系统缩束比例相同，子区域排布方式与子孔径相同。
3.根据权利要求1所述的动态范围可调的哈特曼波前传感器，其特征是相位调制器(3)置于光学匹配系统(1)与波前分割取样阵列(2)之间，相位调制器(3)子区域口径和排布方式与波前分割取样阵列(2)子孔径均相同。
4.根据权利要求1或2所述的动态范围可调的哈特曼波前传感器，其特征是相位调制器(3)为透射式相位调制器，采用电寻址相位调制的液晶空间光调制器。
5.根据权利要求1或2所述的动态范围可调的哈特曼波前传感器，其特征是波前分割取样阵列(2)采用二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列。
6.根据权利要求1所述的动态范围可调的哈特曼波前传感器，其特征是光电传感器(4)采用CCD探测器，或CMOS探测器，或四象限传感器阵列。
全文摘要
本发明提出了一种动态范围可调的哈特曼波前传感器，由光学匹配系统、波前分割取样阵列、相位调制器和光电传感器组成，光学匹配系统用于将入射光波缩束，使入射光波束尺寸小于波前分割取样阵列的尺寸及相位调制器的尺寸，相位调制器置于光学匹配系统与波前分割取样阵列之间，其口径大于光学匹配系统通光口径，相位调制器对经缩束的入射波附加像差，在其通光口径内形成诸多子区域，该子区域与波前分割取样阵列的子孔径口径及排布一一对应，并将所产生的像差附加给通过对应子孔径的光波，波前分割取样阵列将经过相位调制器的光波分割成多束子光束，并分别聚焦到位于其焦面的光电传感器靶面上。本发明可广泛应用于各类波前大像差情况下的波前探测。
文档编号G01J9/00GK102426061SQ201110242368
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者杨平, 王帅, 许冰 申请人:中国科学院光电技术研究所