CN101614593B - 一种反射棱锥波前传感器 - Google Patents

Abstract

一种反射棱锥波前传感器，四个反射镜与反射棱锥配合对入射光分束反射、2×2微透镜阵列对反射子光束中继成像，在光电探测器的四个象限上形成四个子光瞳像，通过四个子光瞳像的光强分布差异计算出波前斜率信息，进而重构波前畸变相位分布。本发明光能利用率高，测量动态范围大、无色散和衍射效应，体积小、结构紧凑、易于调整，可适用于自适应光学系统对波前进行测量。

Description

一种反射棱锥波前传感器

技术领域

本发明涉及自适应光学领域，特别涉及用于波前质量测量的一种反射棱锥波前传感器。

背景技术

自适应光学利用光电子器件对光波的波前质量进行实时测量、计算和校正，使光学系统自动适应外界条件的变化，始终保持良好的工作状态。随着自适应光学技术的发展，其应用范围从早期的军事应用逐渐扩展到工业和民用应用领域，例如在惯性约束核聚变(ICF)、眼底病变的医疗诊断和光通信领域等。

自适应光学系统校正波前像差首先需要对入射波前质量进行准确探测，波前传感器是自适应光学系统中对入射波前像差准确测量的的关键部分。最常用的哈特曼传感器通过微透镜阵列将入射波面分成多个子波面，需要多单元微透镜阵列，微透镜子孔径数目的增多对电光成像元件的分辨率提出更高的要求。1983年授权的美国专利4399356“Optical wavefront sensing system”利用N(N＞1)个棱面的棱锥将入射波面分束，进而测量波前畸变的大小。1996年意大利的Roberto Ragazzoni(Journal of modern optics1996，43(2)：289-293)首次利用透射四棱锥将入射波面折射分成四个子光束，透过中继成像透镜在光电探测器上形成四个子光瞳像，子光瞳像的强度差异分布计算入射波前质量。实际应用中透射四棱锥的底面角非常小，一般在1°左右，光学加工如此小角度的玻璃棱锥存在相当的困难，尤其玻璃研磨过程无法保证棱锥的棱面之间良好的尖锐性，在棱锥顶端造成“平台”。“平台”一方面使光能损失，同时引起强烈的衍射效应，测量精度降低。而且玻璃棱锥对入射光有色散效应，限制了该系统正常工作的光谱宽度。专利US4399356的N个反射棱面将入射波前分束，分成的N个子光束被相应的N个探测阵列接收。该系统结构复杂，需要的中继成像系统和光电探测器数目多，成本高，另外元件的调整难度增大，不适合小型自适应系统的应用。

自适应光学应用范围和场合的扩大，需要构建小型和微型自适应光学系，体积小、结构简单、成本低廉、易于调整、同时测量精度高、动态范围大、可在宽谱带条件下工作的波前传感器成为关键技术之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有利用棱锥进行波前测量的波前传感器的技术不足，提供一种探测精度高、工作谱带宽，结构简单、调整难度低、可以满足小型微型自适应光学系统要求的反射棱锥波前传感器。

本发明的技术解决方案，一种反射棱锥波前传感器，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、反射棱锥、2×2微透镜阵列、光电探测器、聚焦透镜；所述2×2微透镜阵列置于反射棱锥和光电探测器之间，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜分别位于反射棱锥四个棱面的外侧，四个反射镜的镜面与底面的夹角等于反射棱锥的底面夹角，且四个反射镜与反射棱锥的棱面平行；所述反射棱锥的棱锥顶点位于聚焦透镜的焦平面位置，反射棱锥的四个棱面为反射面，透过聚焦透镜的光束聚焦在反射棱锥的顶点后被四个反射棱面反射至对应的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的垂直高度大于反射棱锥顶点到底面的垂直高度；入射波前经聚焦透镜落在反射棱锥的顶点被分成四个子光束反射，再依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜反射，沿入射波前初始方向向后传播，通过2×2微透镜阵列成像至光电探测器，在光电探测器四个象限上形成四个子光瞳像。

在所述的聚焦透镜(8)前放置合束镜(9)，从激光平行光源(10)出射的参考光经合束镜(9)与入射光合成一束光，然后再经聚焦透镜(8)汇聚在反射棱锥(5)的顶点。

所述的在反射棱锥(5)底面加上棱锥动态调制器11，驱动反射棱锥(5)的顶点做上下扫描。

所述第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)的镜面反射率大于99％，镜面的均方根误差rms值小于十分之一波长。

所述2×2微透镜阵列(6)的各微透镜的焦距相等；从反射棱锥(5)顶点经反射镜到2×2微透镜阵列(6)的光程等于2×2微透镜阵列(6)的焦距。

所述光电探测器(7)与2×2微透镜阵列(6)的距离等于微透镜焦距。

所述反射棱锥(5)为正四棱锥，各棱面反射率相等且大于99％；棱面的均方根rms值小于十分之一波长。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用与棱锥棱面平行放置的反射镜将经过棱镜顶点后的子光束反射至棱镜后方，只需一个中继成像透镜系统和一个光电探测器，结构简单、体积小、易于调整。

(2)本发明反射棱锥没有透射棱锥的色散效应和“平顶”造成的光强损失和衍射效应；另外通过反射镜与反射棱锥的间距的改变，子光瞳像的位置调整，保证子光瞳像不发生重合，测量精度高，且对反射棱锥的底面角没有特殊的要求。

(3)本发明采用反射式棱锥，不存在透射光学元件所特有的色散特性，棱锥面对不同波长的入射光的反射角度相同，可以工作在多波长条件下，工作谱带宽。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明中加入合束镜的结构组成示意图；

图3为图1的截面形式；

图4为本发明中四个反射镜与反射棱锥的结构示意图；

图5为本发明中反射棱锥实现动态调制的结构示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明技术解决方案，具体包括第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、反射棱锥5、2×2微透镜阵列6、光电探测器7、聚焦透镜8。2×2微透镜阵列6置于反射棱锥5和光电探测器7之间；第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4分别位于反射棱锥5的四个棱面的外侧，四个反射镜的镜面与底面的夹角等于反射棱锥5的底面夹角，且四个反射镜与反射棱锥5的棱面平行；所述反射棱锥5的棱锥顶点位于聚焦透镜(8)的焦平面位置，反射棱锥5的四个棱面为反射面，透过聚焦透镜8的光束聚焦在反射棱锥5的顶点后被四个反射棱面反射至对应的第一反射镜(1)、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4；第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4的垂直高度大于反射棱锥5顶点到底面的垂直高度；入射波前经聚焦透镜8落在反射棱锥5的顶点被分成四个子光束反射，再依次经第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4反射，沿入射波前初始方向向后传播，通过2×2微透镜阵列6成像至光电探测器7，在光电探测器7四个象限上形成四个子光瞳像，子瞳像的光强分布差异包含了波前倾斜信息，进而可以恢复出波前畸变相位信息。

为了描述上的方便，同时又不失结论的一般性，以棱锥的一维形式来说明本发明实现波前探测的具体实施方法。图3为本发明结构示意图1的截面形式，图中第一反射镜1和第三反射镜3分别与反射棱锥5的上下两个棱面平行；入射波面经过聚焦透镜8以后聚焦在反射棱锥5的顶点上，由于棱锥的光束偏离作用，使得入射光被反射棱锥5分成两个子光束a、b，第一子光束a入射至第三反射镜3被反射，第二子光束b入射至第一反射镜1被反射；第三反射镜3、第一反射镜1分别与反射棱锥5的上下两个棱面平行，根据几何光学原理，两个子光束a、b被第三反射镜3和第一反射镜1反射后的光线行进方向与光束聚焦在反射棱锥5顶点前的方向相同，反射棱锥5和两个反射镜组合起来的作用相当于将入射聚焦光束翻转并平移，同时反射光束的延长线的焦点前移。两个子光束a、b经第三反射镜3和第一反射镜1入射至2×2微透镜阵列6分别成像，到达位于2×2微透镜阵列6后焦面位置的光电探测器7，从而在光电探测器7对应的象限上形成两个子光瞳像。

如果入射波前为理想平面波，瞳面上P点被反射棱锥5的上下两个棱面反射，再经第一反射镜1、第三反射镜3、2×2微透镜阵列6，从而在光电探测器上会有该点的两个子光瞳像，如图3中的T1，两个子瞳像的强度相等。当在入射波前加入扰动，则P点的出射光线受到扰动的影响，反射棱锥5上下两个棱面的反射的光强不再相等，结果两个子瞳像的光强发生变化，见T2，通过处理两个子瞳像的强度差异分布，计算波前扰动的大小。当扰动增强，反射棱锥5只有下面棱面对入射光反射，其中一个子瞳像亮度增强，而另一个子瞳像成为暗点，见T3，仅能反映波前扰动的方向，不能进行定量计算。要扩大本发明的测量动态范围，如图5所示在反射棱锥5底面加上棱锥动态调制器11，驱动反射棱锥5的顶点做上下扫描，在扫描过程中，P点的扰动波前会依次扫描通过反射棱锥5的上下反射面，这样保证上下两个子光瞳面都会有一定数量的光子被探测，即在两个子光瞳面上都可以探测到光强分布，避免一个子光瞳像亮，另一子光瞳像全黑，利用光线经过反射棱锥5上下表面的时间与子瞳像光强差的函数关系，计算波前扰动的倾斜信息。定义P点出射光线在上、下两个光瞳面的光强分布为I(P1)和I(P2)，假设单位时间内光电探测器7接收的光子数量是恒定的，则波前扰动的沿上下方向(x方向)斜率变化可表示为公式(1)：

$\frac{\mathrm{dW}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\∝u_0\·\frac{I\left(P1\right)-I\left(P2\right)}{I\left(P1\right)+I\left(P2\right)}...\left(1\right)$

其中u₀为反射棱锥5的最大调制范围。

将上述结果推广到整个反射棱锥(5)，P点入射光线经过反射棱锥(5)四个棱锥面的分束反射，在光电探测器7上的光强分布可以表示为I(P1)、I(P2)、I(P3)和I(P4)，对应的波前扰动相位在x，y两个方向上的斜率表达式为：

$\frac{\∂W(x,y)}{\∂x}\∝u_0\·\frac{I\left(P1\right)+I\left(P4\right)-I\left(P2\right)-I\left(P3\right)}{I\left(P1\right)+I\left(P2\right)+I\left(P3\right)+I\left(P4\right)}$

$\frac{\∂W(x,y)}{\∂y}\∝u_0\·\frac{I\left(P1\right)+I\left(P2\right)-I\left(P3\right)-I\left(P4\right)}{I\left(P1\right)+I\left(P2\right)+I\left(P3\right)+I\left(P4\right)}...\left(2\right)$

利用公式(2)计算波前畸变的斜率分布，进而采用区域法或模式法对波前相位分布进行重构。

由于棱锥动态调制器11使反射棱锥5成为一个可动元件，系统的复杂度比较高。实际应用中，也可以采用静态调制方式实现测量动态范围的扩大，可以采用在光路中插入一个漫射元件来增大入射波面在反射棱锥5顶点形成的衍射斑的尺寸，从而也可以使光线能够在棱锥的每个侧面分束，实现与棱锥动态调制器11对反射棱锥5的动态调制相同的作用效果。

本发明还可以采用图2的实现方式，在聚焦透镜8前放置合束镜9，合束镜9的作用可以将入射波面和参考波面合成一束光，然后再经聚焦透镜8汇聚在反射棱锥5的顶点。从参考波面的平行光源10出射的参考波面为理想平面波，没有像差，平面波经过反射棱锥5、四个反射镜，2×2微透镜阵列6、光电探测器7得到的4个子光瞳像可以作为畸变波面行程的子光瞳像的标准对波前传感器进行标定，可以用来测量光学系统本身调整误差和制作误差对波面质量的影响；同时参考波面行程的子光瞳像作为畸变波面形成的子光瞳像的计算标准，可以减少光学系统调整的精度要求，光路调整的工作量降低。

本发明技术解决方案中的第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4的镜面反射率大于99％，镜面的rms(均方根)值小于十分之一波长；第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4与反射棱锥5各底边之间为镂空或透光介质，透过率大于99％。2×2微透镜阵列6的各微透镜的焦距相等；从反射棱锥5顶点经反射镜到2×2微透镜阵列6的光程等于2×2微透镜阵列6的焦距。2×2微透镜阵列6是一个口径为微透镜口径2倍的单个透镜。光电探测器7与2×2微透镜阵列6的距离等于微透镜焦距。光电探测器7采用CCD相机或CMOS相机。合束镜9对入射波面的透过率为99％以上。激光平行光源10为平面光，且光源的输出功率可调。

本发明利用反射镜、反射棱锥、2×2微透镜阵列的有机组合，解决目前透射棱锥波前传感器存在的色散、衍射效应问题，组成一个体积小、结构紧凑、易于调整，可适用于自适应光学系统对波前进行测量的波前传感器。

以上的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以上实施例本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容，实施例中未作详细描述的属于本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种反射棱锥波前传感器，其特征在于包括第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)、第四反射镜(4)、反射棱锥(5)、2×2微透镜阵列(6)、光电探测器(7)、聚焦透镜(8)；所述2×2微透镜阵列(6)置于反射棱锥(5)和光电探测器(7)之间，所述第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)分别位于反射棱锥(5)四个棱面的外侧，四个反射镜的镜面与底面的夹角等于反射棱锥(5)的底面夹角，且四个反射镜与反射棱锥(5)的棱面平行；所述反射棱锥(5)的棱锥顶点位于聚焦透镜(8)的焦平面位置，反射棱锥(5)的四个棱面为反射面，透过聚焦透镜(8)的光束聚焦在反射棱锥(5)的顶点后被四个反射棱面反射至对应的第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)；第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)的垂直高度大于反射棱锥(5)顶点到底面的垂直高度；入射波前经聚焦透镜(8)落在反射棱锥(5)的顶点被分成四个子光束反射，再依次经第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)、第四反射镜(4)反射，沿入射波前初始方向向后传播，通过2×2微透镜阵列(6)成像至光电探测器(7)，在光电探测器(7)四个象限上形成四个子光瞳像。

2.根据权利要求1所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：在所述的聚焦透镜(8)前放置合束镜(9)，从激光平行光源(10)出射的参考光经合束镜(9)与入射光合成一束光，然后再经聚焦透镜(8)汇聚在反射棱锥(5)的顶点。

3.根据权利要求1或2所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：在所述的反射棱锥(5)的底面加有棱锥动态调制器(11)，驱动反射棱锥(5)的顶点做上下扫描。

4.根据权利要求1或2所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)的镜面反射率大于99％，镜面的均方根rms值小于十分之一波长。

5.根据权利要求3所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)的镜面反射率大于99％，镜面的均方根rms值小于十分之一波长。

6.根据权利要求1或2所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述2×2微透镜阵列(6)的各微透镜的焦距相等；从反射棱锥(5)顶点经反射镜到2×2微透镜阵列(6)的光程等于2×2微透镜阵列(6)的焦距。

7.根据权利要求3所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述2×2微透镜阵列(6)的各微透镜的焦距相等；从反射棱锥(5)顶点经反射镜到2×2微透镜阵列(6)的光程等于2×2微透镜阵列(6)的焦距。

8.根据权利要求1或2所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述光电探测器(7)与2×2微透镜阵列(6)的距离等于微透镜焦距。

9.根据权利要求3所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述光电探测器(7)与2×2微透镜阵列(6)的距离等于微透镜焦距。

10.根据权利要求1或2所述的一种反射棱锥波前传感器，其特征在于：所述反射棱锥(5)为正四棱锥，各棱面反射率相等且大于99％；棱面的均方根rms值小于十分之一波长。

Images