CN102252832B - 大口径准直系统波前质量检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准直系统波前质量检测方法，以及一种适用于大口径准直系统波前质量检测装置。所述方法中，根据光电探测器采集数据获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率S_test；利用波前重构算法中的模式法，将S_test代入模式法重构公式中求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位W_modal；将展开系数代入模式法重构公式，求解一组各子孔径的波前斜率S_modal；计算各子孔径的S_test与S_modal之差得到斜率S_left；利用波前重构算法中的区域法，将S_left代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位W_left；将W_modal和W_left叠加得到波前相位，进而判定待测准直系统的光束质量。使用本发明能够提高重构精度。

Description

大口径准直系统波前质量检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测装置及方法，属于光学检测领域。

背景技术

从激光器出射的光束往往具有一定的发散角。为了利用聚焦镜以获得高功率密度的光斑，在投影系统和聚焦系统中，采用扩束系统减小激光束的发散角，提高其平行度。实际使用时，由于误差传播等的影响，平行光束波前质量将会变化。为了保证高功率密度的光斑，必须对准直系统平行光束波前质量进行检测。

目前，检验平行光束波前质量的方法有很多种，大致分为自准直法、剪切干涉法、塔尔伯特自成像法以及夏克哈特曼法。

夏克哈特曼法采用夏克哈特曼传感器检验平行光束波前质量。夏克哈特曼传感器是一种抗干扰性强、结构简单的波前传感器。如图1所示，其由微透镜阵列和光电探测器组成，光电探测器位于微透镜阵列的焦面上。光电探测器一般采用CCD；微透镜阵列由若干个等焦距的小凸透镜排列而成，微透镜阵列将待探测波前划分为若干个小单元区域，每一个小透镜也称为子孔径，微透镜边长为d，对其接收的波前聚焦成像，每个子孔径对应光电探测器上某一区域的像素，该区域称为一个探测区域。光源照亮待测准直系统，待测准直系统产生的波前投射到夏克哈特曼传感器上，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测波前分割采样并聚焦到光电探测器上，每个探测区域上形成光斑，然后通过数据处理恢复出待测相位分布。目前，数据处理主要分为两步：1.提取倾斜量；2.利用波前重构算法重构出待测相位分布，波前重构算法一般分为模式法和区域法。

采用夏克哈特曼法进行准直系统波前检测具有如下缺陷：

从硬件角度考虑，现有的夏克哈特曼传感器需要考虑加工成本，其微透镜阵列的尺寸一般较小，无法直接用于大口径准直系统波前质量的检测；

从算法角度考虑，现有应用于夏克哈特曼传感器的波前重构算法独立使用模式法和区域法，没有充分发挥两者的优点，重构精度不高。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有波前重构算法独立使用模式法和区域法的不足，提出了一种混合模式的准直系统波前质量检测方法，能够提高重构精度，为大口径准直系统提供高精度的波前质量检测；

本发明还针对现有夏克哈特曼法检测准直系统无法直接用于大口径准直系统波前质量的检测的不足，提出一种适用于大口径准直系统波前质量检测装置，而且该装置应用了上述混合模式的重构方法，能够提高重构精度。

本发明是这样实现的：

一种准直系统波前质量检测方法，包括：

步骤一、光源发出的光经过待测准直系统后形成待测准直波前，并投射到夏克哈特曼传感器，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，光电探测器采集光斑数据；

步骤二、根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率S_test；

步骤三、采用混合模式的波前重构算法重构出待测准直系统的波前相位分布；具体包括：

(1)利用波前重构算法中的模式法，将所述检测波前斜率S_test代入模式法重构公式中求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为W_modal，该W_modal为滤除了中频像差和高频像差、仅对应低频相差的波前相位；

(2)将步骤(1)求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为S_modal，该S_modal滤除了中频像差和高频像差；

(3)计算各子孔径的S_test与S_modal之差，得到斜率S_left，该斜率S_left对应中频像差和高频像差；

(4)利用波前重构算法中的区域法，将所述斜率S_left代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为W_left，该W_left为对应中频像差和高频像差的波前相位；

(5)针对各子孔径，将W_modal和W_left叠加，得到各子孔径的对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位；

步骤四、计算步骤(5)所得波前相位的均方根误差和峰谷值以判定待测准直系统的光束质量。

一种基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测装置，包括：光源、待测准直系统、扩束比小于1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；

扩束系统由两个抛物面反射镜组成，第一抛物面反射镜面向待测准直系统的出射面，第二抛物面反射镜面向微透镜阵列的入射面；第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜共焦设置且焦距分别为f₁′，f₂′，f₂′＜f₁′，f₂′/f₁′的值为扩束系统的扩束比；

光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过扩束系统中两个共焦抛物面反射镜的反射后投射到夏克哈特曼传感器；夏克哈特曼传感器将其光电探测器探测到的光斑数据送入计算单元；

计算单元具体包括：检测波前斜率计算模块、模式法重构模块、区域法重构模块、求差模块、叠加模块和质量评判模块；

所述检测波前斜率计算模块，用于根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率S_test，发送给模式法重构模块和求差模块；

所述模式法重构模块，用于将所述检测波前斜率S_test代入模式法重构公式中，求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为W_modal；将求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为S_modal并发送给求差模块；W_modal进一步发送给叠加模块；

所述求差模块，用于计算各子孔径的S_test与S_modal之差，得到斜率S_left发送给区域法重构模块；

所述区域法重构模块，用于将所述斜率S_left代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为W_left并发送给叠加模块；

所述叠加模块，用于将W_modal和W_left叠加，得到各子孔径对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位W，发送给质量评判模块；

所述质量评判模块，用于计算所接收W的均方根误差和峰谷值，以评判待测准直系统的光束质量。

有益效果：

(1)本发明提出一种混合模式的波前重构算法，将单独使用的模式法和区域法结合。相对于单独使用的模式法和区域法，混合模式的波前重构算法重构精度更高，更实用。

(2)本发明采用反射式扩束系统(扩束比＜1)把待测波前耦合到夏克哈特曼传感器，容易实现大口径准直系统波前质量检测。反射式扩束系统(扩束比＜1)的优点是：有较大的视场，且采用抛物面可以精确矫正位置色差和三级球差，而且实际的两个共焦抛物面都有慧差，但整个系统的净慧差是零。可见，抛物面反射镜可以精确矫正像差，这一特性使该系统可以做成任意要求的扩束比以用于任意大口径待测准直系统的缩束。此外，利用现代先进的光学加工技术制造大离轴抛物面反射镜的成本大大降低。

附图说明

图1为夏克哈特曼传感器的结构示意图。

图2为本发明基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测原理图；

图3为本发明中反射式扩束系统(扩束比＜1)工作原理示意图；

图4为本发明中波前重构算法几何关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种大口径准直系统波前质量检测装置，其基本思想是：采用扩束比＜1的扩束系统把大口径待测波前耦合到夏克哈特曼传感器，采用计算机对夏克哈特曼传感器形成的光斑阵列进行解算，得到待测准直系统波前质量信息。其中，本发明所采用的扩束系统不是折射式扩束系统，而是反射式扩束系统(扩束比＜1)，其采用两个抛物面反射镜实现波前口径的缩小。

可见，本发明使用反射式扩束系统，其有较大的视场，且采用抛物面可以精确矫正位置色差和三级球差，而且实际的两个共焦抛物面都有慧差，但整个系统的净慧差是零。可见，抛物面反射镜可以精确矫正像差，这一特性使该系统可以做成任意要求的扩束比以用于任意大口径待测准直系统的缩束。此外，利用现代先进的光学加工技术制造大离轴抛物面反射镜的成本大大降低。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2所示，为本发明中的基于夏克哈特曼传感器的准直系统波前质量检测装置，包括光源1，待测准直系统2，扩束系统3，微透镜阵列4，CCD探测器5，计算机6。其中，微透镜阵列4，光电探测器5构成夏克哈特曼传感器。扩束系统3为两个共焦抛物面反射镜。由光源1发出的光，经过待测准直系统2，经由扩束系统3耦合到夏克哈特曼传感器，被微透镜阵列4分割采样并聚焦到光电探测器5形成光斑阵列，光电探测器5将采集的光斑数据送入计算机6，经计算机6处理，得到待测准直系统波前质量信息。

如图3所示，为本发明扩束系统3的光路图，该扩束系统3由反射镜301和反射镜302组成。反射镜301和反射镜302均为抛物面反射镜，二者共焦设置，其共同焦点为303；二者的光轴为光轴304。反射镜301和反射镜302的焦距分别为f₁′，f₂′，两反射镜的焦距比决定了扩束系统的扩束比为f₂′/f₁′，本发明中f₂′＜f₁′，从而扩束比＜1，实现将大口径准直波前耦合到微透镜阵列4。

如图4所示，夏克哈特曼传感器主要由微透镜阵列4和光电探测器5组成，其中光电探测器5位于微透镜阵列4的焦面上。

夏克哈特曼传感器的工作原理：入射光束经微透镜阵列4分割采样，在微透镜阵列4的焦面上形成一个光斑阵列。当具有一定波前畸变的波前入射时，各个微透镜上的局部波前倾斜引起微透镜阵列焦面上的光斑位置发生偏移。

光电探测器件5接收到的光斑信号通过计算机6分两步处理：

第一步：根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率。

本步骤中，首先采用质心算法计算光电探测器件上各探测区域探测到的光斑的质心位置(x_o，y_o)。如公式(1)所示：

$x_o=\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\text{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ij}}},y_o=\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ij}}}---\left(1\right)$

其中，i＝1...K，j＝1...L，K×L为微透镜阵列上的子孔径映射到光电探测器5上对应的探测区域的像素个数。I_ij为探测区域上第(i，j)个像素接收到的光强，x_ij，y_ij分别是探测区域上第(i，j)个像素的x，y坐标，这里获取x，y坐标时，坐标原点取探测区域的几何中心。

然后，采用如下公式(2)计算第(m，n)个子孔径的波前x方向斜率

和y方向斜率

$S_{m,n}^x=\frac{x_o}{{\mathrm{\λf}}^{\′}},S_{m,n}^y=\frac{y_o}{{\mathrm{\λf}}^{\′}}---\left(2\right)$

其中，f′为微透镜的焦距，λ为照明光源的波长。

第二步：利用步骤1获得的各子孔径的波前斜率，采用波前重构算法重构出待测准直波前，得到待测准直系统波前质量信息。

现有的波前重构算法包括区域法和模式法。

第一种区域法：

波前斜率

和待测波前W之间的关系如图4的Southwell模型所示。其中，外围的矩形表示夏克哈特曼传感器微透镜阵列，里面的圆形表示待测准直系统波前的大小。波前斜率和待测波前之间的关系可用公式(3)表示：

$\frac{(S_{m+1,n}^x+S_{m,n}^x)}{2}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{m+1,n}-{\mathrm{\Φ}}_{m,n}}{h};$ m＝1，...，M-1，n＝1，...，N

(3)

$\frac{(S_{m,n+1}^y+S_{m,n}^y)}{2}=\frac{({\mathrm{\Φ}}_{m,n+1}-{\mathrm{\Φ}}_{m,n})}{h};$ m＝1，...，M，n＝1，...，N-1

其中，h为子孔径间距；M和N为微透镜阵列中x和y方向的子孔径数目；Φ_m，n为第(m，n)个子孔径中心对应的波前相位，所有子孔径对应的波前相位构成了离散形式的波前Φ，通过插值可以得到连续形式的波前。在区域法中采用Φ表示波前相位，因为区域法所求解的波前为离散形式的波前。而后面的模式法采用W表示波前，因为模式法采用连续的表达式表示波前，但是模式法求解出的波前仍然是离散形式的波前。

公式(3)可以用矩阵形式表示如下：

DS＝AΦ                           (4)

其中，矩阵D表征相邻子孔径波前斜率的平均作用，其元素值包括[0，0.5]，S为夏克哈特曼传感器所测斜率的向量表示，Φ为待计算的波前相位，A表征相邻子孔径波前相位作差，其元素值包括[1/h，-1/h]。矩阵A，D其可以由图4得知，S可由夏克哈特曼传感器测得，可以采用超松弛迭代法或最小二乘法求解(4)得到待测波前相位Φ，通过计算相位的均方根误差和峰谷值得到待测准直系统波前质量信息。采用这种方法得到的是一系列的离散相位点，离散相位点的数目取决于微透镜的数目。对于离散点之间的相位可用插值的方法获得。

第二种模式法：

对于待测波前，除了用离散点的相位表示，还可以用一组正交基的线性组合表示，记为：

$W=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{Z}_i(x,y)---\left(5\right)$

其中，W为待测波前，a_i为正交基的系数，Z_i为所选用的正交基，P为正交基系数的数目，这里的(x，y)为以微透镜阵列几何中心为原点的W的横纵坐标。由模式法重构波前得到的是正交基的展开系数。一般的对于圆形波前，采用泽尼克多项式作为圆形孔径内的正交基，这是因为①.泽尼克多项式在圆形孔径内满足正交性；②.泽尼克多项式的每一项有具体的物理意义：每一项对应特定的初级像差，初级像差的大小由每一项泽尼克多项式的系数标准；③.②中的泽尼克系数对于光学器件的调整有应用价值，因为对于每一特定的初级像差，都有特定的反应调整方式的灵敏度矩阵。

各个子孔径的波前斜率S_x，S_y与待测准直波前W的关系可由公式(6)表示：

$S_x=\frac{\∂W}{\∂x}=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\frac{{\∂Z}_i(x,y)}{\∂x}$

$\left(6\right)$

$S_y=\frac{\∂W}{\∂y}=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\frac{{\∂Z}_i(x,y)}{\∂y}$

其中，

可由选用的正交基表达式计算得到。

(6)可用矩阵形式记为：S＝Aa                                  (7)

其中，S为各个子孔径内测得的斜率组成的矩阵，A为可由正交基确定的关系矩阵，a为待计算的正交基的展开系数组成的矩阵。

利用模式法进行重构时，将测得的斜率S以及确定的A代入公式(7)得到各个正交基的展开系数，再将各系数代入公式(5)得到子孔径离散点波前相位，同样通过计算相位的均方根误差和峰谷值得到待测准直系统波前质量信息。

由区域法和模式法的定义可知：区域法得到的是一系列离散的相位点，无法直接得到各项泽尼克多项式的系数，而泽尼克多项式的系数对光学元件的调整有重要的指导意义；模式法用一组正交基的线性组合表征待测波前相位，可以直接得到对光学元件调整有重要指导意义的泽尼克系数。

而且，更重要的是，由于区域法直接得到的是离散点的相位，区域法能保持待测波前的中频像差信息和高频像差信息。模式法选用的正交基的项数有限(一般的选用36项或者37项正交基表征待测波前相位)，用于表征含有低频像差的波前时精度较高；如果待测波前含有较多的中频像差和高频像差时，模式法的表征误差较大。

为了克服区域法和模式法各自的不足，本发明将二者结合，得到一种混合模式的波前重构算法。用混合模式的波前重构算法利用所得斜率重构出待测准直系统波前，得到待测准直系统波前质量信息。

本发明的混合模式的波前检测方法的实现如下：

步骤一：光源1发出的光经过待测准直系统2后形成待测准直波前，通过扩束系统3耦合到夏克哈特曼传感器，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列4对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器5上形成光斑阵列，光电探测器5采集光斑数据，发送给计算机6。

本发明中的计算机6执行混合模式的解算过程，计算机6具体划分为如下功能模块：检测波前斜率计算模块、模式法重构模块、区域法重构模块、求差模块、叠加模块和质量评判模块，下面步骤中会详细说明这些模块的功能和连接关系。

步骤二：检测波前斜率计算模块根据光斑数据计算微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率S_test，发送给模式法重构模块和求差模块。S_test的计算方法如前文“第一步”所述。本文中的波前斜率均是指两个方向上的斜率，不再特意说明。

步骤三：采用混合模式的波前重构算法重构出待测准直系统的波前相位分布；具体包括：

①模式法重构模块将检测波前斜率S_test代入模式法重构公式(7)中，求解泽尼克多项式的展开系数a，以及各子孔径的离散点波前相位，记为W_modal，该W_modal为滤除了中频像差和高频像差、仅对应低频相差的波前相位。将W_modal发送给叠加模块。

②模式法重构模块对步骤(1)中求解的展开系数a代入公式(7)，求解得到一组各子孔径的波前斜率，记为S_modal，该S_modal滤除了中频像差和高频像差，其表征低频像差的斜率S_modal。

该斜率S_modal与测得的S_test不同，因为，在模式法求解过程中，采用了超定方程和最小二乘法，因此所求解不是精确解，正是由于求解过程的不精确性，使得a滤除了待测波前的中频和高频像差信息，将a带回模式法的求解公式反向计算得到的S_modal必然与测得S_test不同，其差异表征了中频和高频像差信息。

③求差模块将测得斜率S_test与表征低频像差的斜率S_modal作差，得到斜率S_left，该斜率S_left对应中频像差和高频像差。

④区域法重构模块将步骤(3)的斜率S_left代入区域法重构公式(4)，求解得到各个子孔径的离散点波前相位，记为W_left；

⑤叠加模块将步骤①中的W_modal和步骤④中的W_left叠加，得到待测准直系统中各子孔径离散点的波前相位W，该波前相位W对应低频相差、中频相差、高频相差。

步骤四：质量评判模块计算步骤⑤得到的波前相位W的均方根误差和峰谷值，以评判准直系统光束质量的优劣。

本发明的混合模式的波前重构算法不仅适用于图2所示的检测装置，还适用于小口径、以及其他通过夏克哈特曼传感器采集到的光斑数据的解算。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种准直系统波前质量检测方法，其特征在于，包括：

步骤一、光源发出的光经过待测准直系统后形成待测准直波前，并投射到夏克哈特曼传感器，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，光电探测器采集光斑数据；

步骤二、根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率S_test；

步骤三、采用混合模式的波前重构算法重构出待测准直系统的波前相位分布；具体包括：

(1)利用波前重构算法中的模式法，将所述检测波前斜率S_test代入模式法重构公式中求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为W_modal，该W_modal为滤除了中频像差和高频像差、仅对应低频相差的波前相位；

(2)将步骤(1)求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为S_modal，该S_modal滤除了中频像差和高频像差；

(3)计算各子孔径的S_test与S_modal之差，得到斜率S_left，该斜率S_left对应中频像差和高频像差；

(4)利用波前重构算法中的区域法，将所述斜率S_left代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为W_left，该W_left为对应中频像差和高频像差的波前相位；

(5)针对各子孔径，将W_modal和W_left叠加，得到各子孔径的对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位；

步骤四、计算步骤(5)所得波前相位的均方根误差和峰谷值以判定待测准直系统的光束质量。

2.一种基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测装置，其特征在于，包括：光源、待测准直系统、扩束比小于1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；

扩束系统由两个抛物面反射镜组成，第一抛物面反射镜面向待测准直系统的出射面，第二抛物面反射镜面向微透镜阵列的入射面；第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜共焦设置且焦距分别为f₁′，f₂′，f₂′＜f₁′，f₂′/f₁′的值为扩束系统的扩束比；

光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过扩束系统中两个共焦抛物面反射镜的反射后投射到夏克哈特曼传感器；夏克哈特曼传感器将其光电探测器探测到的光斑数据送入计算单元；

计算单元具体包括：检测波前斜率计算模块、模式法重构模块、区域法重构模块、求差模块、叠加模块和质量评判模块；

所述检测波前斜率计算模块，用于根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率S_test，发送给模式法重构模块和求差模块；

所述模式法重构模块，用于将所述检测波前斜率S_test代入模式法重构公式中，求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为W_modal；将求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为S_modal并发送给求差模块；W_modal进一步发送给叠加模块；

所述求差模块，用于计算各子孔径的S_test与S_modal之差，得到斜率S_left发送给区域法重构模块；

所述区域法重构模块，用于将所述斜率S_left代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为W_left并发送给叠加模块；

所述叠加模块，用于将W_modal和W_left叠加，得到各子孔径对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位W，发送给质量评判模块；

所述质量评判模块，用于计算所接收W的均方根误差和峰谷值，以评判待测准直系统的光束质量。

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