CN102252833B - 大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，能够同时具有大动态范围和高探测精度。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掩模板和扩束系统后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列；光电探测器将其探测到的光斑数据送入计算单元；掩模板中的一块矩形区域被划分为与微透镜数量相同的小正方形，每个小正方形的边长为d/β，d为微透镜的尺寸，β为扩束系统的扩束比；行号和列号均为单数的小正方形为方孔；控制器控制掩模板的移动，对于每一特定位置的掩模板，都有特定的部分待测波前经由扩束系统到达微透镜阵列，通过控制器控制掩模板的移动可以实现全部待测波前的探测。

Description

大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置

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大动态范围准直系统波前质量检测装置，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，采用扩束准直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，尺寸为d×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。

然而，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。而且，夏克哈特曼传感器的动态范围和每个微透镜对应的光电探测器的探测区域大小成正比，与微透镜阵列的焦距f′成反比，但夏克哈特曼传感器的探测精度正比于微透镜阵列的焦距f′。现有的夏克哈特曼传感器为了满足大动态范围的要求，其微透镜的焦距一般较小，但是小焦距微透镜使得夏克哈特曼传感器的探测精度下降，即现有夏克哈特曼传感器不能同时具有大动态范围和高探测精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于夏克哈特曼传感器的大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，能够同时具有大动态范围和高探测精度，克服现有夏克哈特曼传感器不能同时满足大动态范围和高探测精度的不足。

该方案是这样实现的：

一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，包括：光源、待测准直系统、开有方孔的掩模板、扩束比β＜1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器、控制器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；

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掩模板的方孔和扩束系统后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列；光电探测器将其探测到的光斑数据送入计算单元；

所述微透镜阵列包括M×N个微透镜，且每个微透镜的尺寸为d×d；将待测准直波前的传播方向设置为z轴，建立三维坐标系xyz，微透镜的行和列分别平行x轴和y轴；

所述掩模板中的一块矩形区域被划分为M×N个小正方形，每个小正方形的边长为d/β，在行号和列号均为单数的小正方形处开方孔，方孔边长为d/β；掩模板矩形区域四周的区域为非透光区域，且宽度至少为d/β；将掩模板放置在待测准直系统和扩束系统之间，小正方形的行和列分别平行x轴和y轴；

所述控制器，用于控制掩模板沿x、y轴移动；针对一个待测准直系统检测时，掩模板初始位置为掩模板轴心与微透镜阵列轴心重合，然后根据移动策略移动掩模板三次，每移动一次微透镜阵列上有部分微透镜对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上；所述移动策略为：依次沿x轴一方向移动d/β、沿y轴移动d/β、沿x轴另一方向移动d/β；或者所述移动策略为：依次沿y轴一方向移动d/β、沿x轴移动d/β、沿y轴另一方向移动d/β；

所述计算单元，用于①在掩模板处于初始位置时以及每移动一次掩模板，均执行一次从光电探测器获取光斑数据的操作；针对在每个掩模板位置上获取的光斑数据，计算当前透光方孔对应的各微透镜的波前斜率；在计算过程中认为每个微透镜对应的探测区域扩大为2d×2d，在2d×2d的探测区域内查找光斑，计算光斑质心与探测区域中心的距离，继而计算获得波前斜率；

②将根据不同位置掩模板获得的波前斜率组合得到全部波前斜率；

③采用波前重构算法处理波前斜率，重构出待测准直波前，继而得到待测准直系统波前质量信息。

较佳地，所述扩束系统采用两个抛物面反射镜构成的反射式扩束系统；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′＝β。

有益效果：

(1).本发明把掩模板置于扩束系统(扩束比＜1)的前方，使待测波前的一部分经过掩模板到达扩束系统(扩束比＜1)。与直接把掩模板置于微透镜阵列前方的方案相比，把掩模板置于扩束系统(扩束比＜1)前方，等价于在微透镜阵列前方直接放置了掩模板；该等价掩模板与扩束系统(扩束比＜1)前方的掩模板满足物像共轭关系，且成像倍率＜1，即扩束系统(扩束比＜1)前方的掩模板的尺寸大于与其等价的微透镜阵列前方的，这样可以降低对扩束系统(扩束比＜1)的掩模板加工精度的要求，降低成本。

(2).对于通过掩模板的待测波前，其每个子孔径对应的光电探测器上的探测区域变大而微透镜的焦距不变，从而可以增大夏克哈特曼传感器的动态范围而不降低其探测精度。

(3).本发明采用控制器控制掩模板的移动使全部待测波前经由扩束系统(扩束比＜1)到达微透镜阵列，经微透镜阵列分割采样并聚焦到探测器上。

(4).本发明采用反射扩束系统(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)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。

(5).本发明通过测量夏克哈特曼传感器光斑的位置偏移，由波前重构算法重构出波前像差，相对于干涉仪像差检测方法，本发明对环境要求较低。

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大动态范围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为本发明中掩模板结构示意图；

图5.a～图5.d为本发明中掩模板功能示意图；

图6.a～图6.d为本发明中掩模板及其功能示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，该装置采用扩束系统(扩束比＜1)把大口径待测波前耦合到夏克哈特曼传感器；在扩束系统(扩束比＜1)与待测准直系统之间放置掩模板实现大动态范围、高检测精度的波前探测。掩模板是由透光和不透光的方孔组成，这些方孔大小一致且交替分布。每一个微透镜在光电探测器上都有特定的探测区域；控制器控制掩模板的移动，对于每一特定位置的掩模板，都有特定的部分待测波前经由扩束系统(扩束比＜1)到达微透镜阵列，通过控制器控制掩模板的移动可以实现全部待测波前的探测。

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大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置，它包括光源1，待测准直系统2，掩模板3，扩束系统(扩束比＜1)4，微透镜阵列5，光电探测器6，控制器7，计算机8。微透镜阵列5和光电探测器6构成夏克哈特曼传感器。光源1发出的光经过待测准直系统2形成待测准直波前，待测准直波前先后通过掩模板3上的方孔和扩束系统4后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列5；光电探测器6将其探测到的光斑数据送入计算机8。

下面对各组成部分进行详细描述。

光源1可以是连续光源，也可以是脉冲光源。这是由夏克哈特曼传感器本身的特性所决定的。

光电探测器6可以是CCD探测器，也可以是CMOS探测器。

微透镜阵列5包括M×N个微透镜，且每个微透镜的尺寸为d×d；将待测准直波前的传播方向设置为z轴，建立三维坐标系xyz，微透镜的行和列分别平行x轴和y轴。

扩束系统4可以为折射式扩束系统，也可以是反射式扩束系统。图3为反射式扩束系统的结构图，如图3所示，两个抛物面反射镜401和402构成反射式扩束系统；反射镜401和反射镜402均为抛物面反射镜，二者共焦设置，其共同焦点为403；二者的光轴为光轴404。反射镜401和反射镜402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β＝f₂′/f₁′，本发明中f₂′＜f₁′，从而扩束比＜1。

掩模板3由透光和不透光的小正方形组成，这些小正方形大小一致且交替分布。具体来说，掩模板中的一块矩形区域被划分为M×N个小正方形，如图4所示，划分了5×5个小正方形。小正方形的边长为d/β，在上述矩形区域中，对各个小正方形所在的行和列分别从1开始编号，在行号和列号均为单数的小正方形处开方孔，所开方孔边长为d/β。掩模板垂直于z轴布置，且其中小正方形的行和列分别平行x轴和y轴。掩模板除矩形区域以外的区域为非透光区域。

控制器7，用于控制掩模板沿x、y轴移动。

计算机8处理包括三方面的内容：

①提取与特定位置掩模板对应的部分待测波前的斜率信息，在提取过程中认为每个微透镜对应的探测区域扩大为2d×2d，在2d×2d的探测区域内查找光斑，计算光斑质心与探测区域中心的距离，继而计算波前斜率；

②把不同位置掩模板对应的部分待测波前的斜率信息组合得到全部待测波前的斜率信息；

③利用波前重构算法处理待测波前的斜率信息，得到待测波前并计算待测波前的均方根误差和峰谷值以评价待测准直系统波前质量。现有的波前重构算法包括区域法和模式法。

本发明大口径大动态范围准直系统波前质量检测装置的工作过程为：

步骤1、将掩模板放置在待测准直系统与扩束系统之间，且处于初始位置，此时，掩模板的轴心与微透镜阵列的轴心重合，如图5.a所示，其中，粗实线框表示微透镜阵列。微透镜阵列中微透镜数目为5×5，微透镜阵列的尺寸为5d×5d，掩模板的尺寸为(7d/β)×(7d/β)，其中四条宽度为d/β的边均不透光，掩模板中间部分为(5d/β)×(5d/β)的方格，且单数行的方格中透光和不透光的方格间隔排列。为了便于说明，对微透镜按行进行排序，排序结果如下表1所示。

51	52	53	54	55
					56	57	58	59	60
61	62	63	64	65
					66	67	68	69	70
71	72	73	74	75

表1

步骤2、开启光源，光源通过待测准直系统、掩模板的透光孔以及扩束系统投射在微透镜阵列上，光电探测器将当前探测到的光斑数据发送给计算机。

如图5.a，由于此时起到波前分割作用的微透镜为51，53，55，61，63，65，71，73，75。众所周知，在现有技术中认为每个微透镜都对应一个探测区域，探测区域的大小为d×d，然而由于本发明采用掩模板遮盖了一些微透镜，使得它们不成像，因此未成像的微透镜对应的探测区域可以分给成像的微透镜。如图5.a所示，每个成像的微透镜对应的探测区域，可以从每个相邻的探测区域分得1/2或1/4的面积，从而使得本发明中每个微透镜对应的探测区域扩大为2d×2d，从而扩大了动态范围。

步骤3、计算机根据光电探测器采集的当前光斑数据，获取当前透光方孔对应的各子孔径的波前斜率，即微透镜51，53，55，61，63，65，71，73，75对应的波前斜率。

本步骤中，首先采用公式(1)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)。注意本发明的探测区域是指微透镜对应的大小为2d×2d探测区域，与原有探测区域相比，扩大后探测区域的坐标原点未变，只是大小变化。

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

其中，i＝1...K，j＝1...K，K×K为微透镜阵列上的微透镜对应的2d×2d探测区域内的像素个数。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)个微透镜对应的波前x方向斜率

和y方向斜率

$S_{m,n}^x=\frac{x_o}{\mathrm{\λ}{f}^{\′}},$ $S_{m,n}^y=\frac{y_0}{\mathrm{\λ}{f}^{\′}}---\left(2\right)$

其中，f′为微透镜的焦距，λ为照明光源的波长。

步骤4、控制器根据移动策略控制掩模板移动三次，每移动一次微透镜阵列上有部分微透镜对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上，采用步骤3所述的方法获得部分波前斜率。

本实施例中，一种移动策略为：

控制器控制掩模板沿x轴一方向移动d/β，掩模板位于图5.b所示位置，此时起到波前分割作用的微透镜为52，54，62，64，72，74，采用步骤3获得52，54，62，64，72，74的波前斜率；

然后，控制器控制掩模板沿y轴移动d/β，掩模板位于图5.c所示位置，此时起到波前分割作用的微透镜为57，59，67，69，采用步骤3获得57，59，67，69的波前斜率；

接着，控制器控制掩模板沿x轴另一方向移动d/β，掩模板位于图5.d所示位置，此时起到波前分割作用的微透镜为56，58，60，66，68，70，采用步骤3获得56，58，60，66，68，70的波前斜率；

可见，通过移动掩模板3次，即可获得所有微透镜对应的波前斜率。

在实际中，所述移动策略还可以为：依次沿y轴一方向移动d/β、沿x轴移动d/β、沿y轴另一方向移动d/β。

步骤5：采用波前重构算法处理波前斜率，重构出待测准直波前，继而得到待测准直系统波前质量信息。所述波前重构算法可以采用现有的任意一种解算方法，例如模式法或区域法。

下面对本发明方案如何提高动态范围的原理进行说明。

如图6所示，当待测波前像差较小时，如图6.a所示，微透镜阵列5的每个微透镜501，502，503，504，505分割待测波前并聚焦到光电探测器6形成光斑，每个光斑都在各自的探测区域，该区域的为方形，且尺寸大小为d×d。可以通过计算机8处理得到待测准直系统波前质量信息。当待测波前局部像差较大时，如图6.b所示，微透镜501分割波前形成的光斑和微透镜502分割波前形成的光斑均在与微透镜502对应的探测区域，使该区域内出现两个光斑，而与微透镜501对应的探测区域内没有光斑；同样，微透镜503分割波前形成的光斑和微透镜504分割波前形成的光斑均在与微透镜503对应的探测区域，使该区域内出现两个光斑，而与微透镜503对应的探测区域内没有光斑；这使提取的与各个微透镜对应的斜率信息不正确，这是由于夏克哈特曼传感器动态范围较低，一般的通过减小微透镜焦距f′增大动态范围解决上述问题，但是微透镜焦距f′减小必然导致夏克哈特曼传感器探测精度的下降。

本发明中的置于扩束系统(扩束比＜1)4前的掩模板3可以很好的解决大动态范围和检测精度对微透镜焦距f′要求的矛盾。当掩模板3放置如图6.c所示时，微透镜阵列5中只有微透镜502，504起到分割待测波前的作用，未起到分割波前作用的微透镜501，503，505的探测区域由相邻的起到分割波前作用的微透镜502，504平均分配，即微透镜502，504的探测区域为2d×2d的方形区域。控制器7控制掩模板3移动，此时起到分割波前作用的微透镜502，504失去波前分割作用，未起到分割波前作用的微透镜501，503，505起到波前分割作用，同样对于起到波前分割作用的微透镜501，503，505，其各自的探测区域均为2d×2d的方形区域。将移动掩模板3前后的光斑数据送入计算机8处理得到待测准直系统波前质量信息。本发明通过控制器7移动掩模板3可以在不改变微透镜焦距的前提下增大与各个微透镜对应的探测区域，从而达到在不影响探测精度的前提下使夏克哈特曼传感器的动态范围加倍。

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 (3)

1.一种大口径大动态范围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、开有方孔的掩模板、扩束比β＜1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器、控制器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；

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掩模板的方孔和扩束系统后投射到夏克哈特曼传感器的微透镜阵列；光电探测器将其探测到的光斑数据送入计算单元；

所述微透镜阵列包括M×N个微透镜，且每个微透镜的尺寸为d×d；将待测准直波前的传播方向设置为z轴，建立三维坐标系xyz，微透镜的行和列分别平行x轴和y轴；

所述掩模板中的一块矩形区域被划分为M×N个小正方形，每个小正方形的边长为d/β，在行号和列号均为单数的小正方形处开方孔，方孔边长为d/β；掩模板矩形区域四周的区域为非透光区域，且宽度至少为d/β；将掩模板放置在待测准直系统和扩束系统之间，小正方形的行和列分别平行x轴和y轴；

所述控制器，用于控制掩模板沿x、y轴移动；针对一个待测准直系统检测时，掩模板初始位置为掩模板轴心与微透镜阵列轴心重合，然后根据移动策略移动掩模板三次，每移动一次微透镜阵列上有部分微透镜对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上；所述移动策略为：依次沿x轴一方向移动d/β、沿y轴移动d/β、沿x轴另一方向移动d/β；或者所述移动策略为：依次沿y轴一方向移动d/β、沿x轴移动d/β、沿y轴另一方向移动d/β；

所述计算单元，用于①在掩模板处于初始位置时以及每移动一次掩模板，均执行一次从光电探测器获取光斑数据的操作；针对在每个掩模板位置上获取的光斑数据，计算当前透光方孔对应的各微透镜的波前斜率；在计算过程中认为每个微透镜对应的探测区域扩大为2d×2d，在2d×2d的探测区域内查找光斑，计算光斑质心与探测区域中心的距离，继而计算获得波前斜率；

②将根据不同位置掩模板获得的波前斜率组合得到全部波前斜率；

③采用波前重构算法处理波前斜率，重构出待测准直波前，继而得到待测准直系统波前质量信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩束系统为两个共焦物镜构成的折射式扩束系统。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩束系统为两个抛物面反射镜构成的反射式扩束系统；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′＝β。

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