CN102628713B - 基于数字微镜器件的曲率波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于数字微镜器件的曲率波前传感器，在透镜及其焦面位置之间放置数字微镜器件，利用数字微镜器件将经过透镜的待测光波分别向两个方向反射聚焦光波；两个光电探测器阵列分别位于数字微镜器件的两个方向上的两束反射聚焦光波上并分别探测两束反射聚焦光波不同位置点的远场光强分布图像，获得焦平面前后对称离焦面上的两幅有差异的远场光强分布图像；根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，得到两离焦面上对应点归一化的光强分布差与入射波前曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系并利用泊松方程获取待侧光波的波前相位。

Description

基于数字微镜器件的曲率波前传感器

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种获取入射光束波前信息的装置，尤其涉及一种基于数字微镜器件的曲率波前传感器。

背景技术

剪切干涉仪和哈特曼波前传感器是目前应用最为广泛的两种波前传感器，这两种波前传感器所测量的均是波前的斜率分布，要经过计算机进行波前重构等一系列比较复杂的处理之后才能产生相应的波前矫正器的控制信号，由于大气湍流的变化速度很快，要求自适应光学系统具有快速的波前探测及反馈矫正能力，而复杂的数据处理过程不利于自适应系统控制带宽的提升。曲率传感器波前传感器技术通过比较焦面前后两个对称平面上的光强分布差异来获取所需要的信号。根据衍射理论，前后两个焦面上光强分布的归一化差值与波前曲率变化量成正比，因此只需要解具有一定边界条件的泊松方程可重构出波前。当曲率传感器与薄膜式变形镜一起使用时，将曲率波前传感器探测的信号经适当放大后直接加到这类变形镜上，无需做任何复杂的计算，薄膜式变形镜可自动地向满足泊松方程的表面形状会聚，因此十分适合构建快速闭环的自适应光学系统。

但如何同时或者快速地获取光波在两个离焦面上的远场光强分布图像，并能保持光学结构简单，且尽量不进入附加像差，是曲率波前传感器技术在实际使用时面临的难题。目前曲率波前传感器技术应用于自适应光学系统中的典型结构方案是在聚焦透镜之前放置一个薄膜式变形镜，具体结构特征可以参见“自适应光学曲率波前传感器的衍射理论及其方案分析”[邓罗根，陈新等.[J].光学技术，2003，29(4)]，用变形镜产生特定的离焦面形，使光束在透镜之后的聚焦位置发生改变。当变形镜不产生任何变形时，光电探测器阵列位于光束焦点之后的后焦面，当变形镜产生特定的离焦面形后，光束的焦点位置会发生后移，使光电探测器阵列所处的位置变成了与之前对称的前焦面，变形镜不断地产生和去除面形，就可以达到持续伪同步地获取焦前和焦后对称位置的图像目的，但是该方法采用的变形镜的性能，会给测量系统的稳定性、波前测量的速度和精度带来较大的影响。

另一种比较典型曲率波前传感器结构是用光栅与透镜组合，达到在透镜之后用同时测量前后离焦面上光强分布的目的，具体结构特征参见“光栅型波前曲率传感器原理和应用”[姜宗福，习锋杰等.[J].中国激光，2010，37(1)]。但光栅会造成光能利用率的严重降低和对工作波长的敏感。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单，便于实现，光能利用率高，能够以极快的速度准确地获取前后焦面图像的基于数字微镜器件的曲率波前传感器，对于曲率波前传感器技术的推广应用和快速闭环自适应光学系统的构建均具有重要的意义。

为了实现所述目的，本发明提供基于数字微镜器件的曲率波前传感器，由透镜、数字微镜器件、第一光电探测器阵列以及第二光电探测器阵列组成，其中，在透镜及其焦面位置之间放置数字微镜器件，利用数字微镜器件将经过透镜的待测光波分别向两个方向反射聚焦，得到第一方向和第二方向上的两束反射聚焦光波；

第一光电探测器阵列位于数字微镜器件的第一方向上的第一束反射聚焦光波上，第一光电探测器阵列位于第一束反射聚焦光波上的第一位置点，且第一位置点与数字微镜器件的距离加上数字微镜器件与透镜的距离之和比透镜的焦距f小l距离值；

第二光电探测器阵列位于数字微镜器件的第二方向上的第二束反射聚焦光波上，第二光电探测器阵列位于第二束反射聚焦光波上的第二位置点，第二位置点与数字微镜器件的距离加上数字微镜器件与透镜的距离之和比透镜的焦距f大l距离值；

第一光电探测器和第二光电探测器分别探测两束反射聚焦光波不同位置点的远场光强分布图像，获得焦平面前后对称离焦面上的两幅有差异的远场光强分布图像；根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，得到两离焦面上的远场光强分布图像对应点归一化的光强分布差与入射波前曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系并利用泊松方程获取待侧光波的波前相位。

本发明与现有技术相比有如下优点：

将数字微镜器件置于透镜之后，利用其极快且精准的空间光调制能力，使光波在经过透镜之后被数字微镜器件分别往两个方向反射聚焦，采用两个光电探测器阵列在透镜焦平面前后两个对称离焦面上探测反射光波聚焦形成的光强分布图像，进而获得波前信息。

1、本发明在很好地解决了曲率传感器技术应用中获取两幅离焦面图像的问题的同时，避免现有技术方案容易引入像差、器件工艺复杂、光能利用率降低、探测频率下降等问题，保证了系统的可靠性和测量的精度；

2、本发明采用的数字微镜器件采用数字寻址控制方式，不仅调制速度极快，且控制光束的偏转十分精确，有利于提高测量精度和装置的集成化；

3、本发明不采用分光元件，结构简单，不仅尽可能地避免引入附加像差，且保证了两路光具有全部的入射光能，光能利用率高，有利于降低系统像差对测量结果的影响，提升获取图像的信噪比，从而提高探测的可靠性和精度，此外，数字微镜器件优异的调制性能保证了其时间损失在实际中可以忽略，因而十分适用于构建经济、快速的闭环自适应光学系统。

附图说明

图1为本发明实施例一利用数字微镜器件实现将光束分别向主光路两侧聚焦成像的曲率波前传感器结构示意图；

图2为本发明实施例二利用数字微镜器件将光束分别向主光路和侧光路聚焦成像的曲率波前传感器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的原理：曲率波前传感器技术要求光电探测器阵列获取透镜焦平面前后的两个对称离焦面上的光强分布图像，但是在设计实际的实现装置结构时，要做到结构简单，光能利用率高，前后焦面图像探测的同步或者伪同步探测，并保证系统的可靠性，探测速度和精度不受大的影响是十分困难的。数字微镜器件(Digital Micromirror Devices，DMD)是一种应用非常广泛的空间光调制器。作为目前最精密的光学器件之一，数字微镜器件主要由许多微型反射镜构成，其中每一块微镜均可以被独立地控制偏转正负特定的角度，或者处于初始的无偏转状态，因此数字微镜器件可以作为光强型空间光调制器或者光束偏转开关装置使用。数字微镜器件还具有极快的调制速度，一般可以达到几万赫兹，远远高于自适应光学系统在矫正湍流时要求的带宽，同时也远高于常见的光电探测器阵列的响应频率。本发明将数字微镜器件置于透镜之后，利用其实现将光束分别往两个方向偏转聚焦的目的。事先将两个光电探测器阵列分别置于两个偏转方向上的特定位置，就可以探测位于透镜焦平面前后的两个对称离焦面上远场光强分布图像，进而根据曲率波前传感器技术的原理获取波前信息。虽然实际上数字微镜器件控制光束向两个方向偏折是异步进行的，在两个偏转方向上的图像获取也是异步的，但是得益于数字微镜器件的高速调制能力，对称离焦面上一对图像的异步获取可以快速地完成，几乎不会对系统带宽产生影响，因而可以满足实际应用的要求。

如图1示出基于数字微镜器件的曲率波前传感器，由透镜1、数字微镜器件2以及第一光电探测器阵列3和第二光电探测器阵列4组成，其中：

在透镜1及其焦面位置之间放置数字微镜器件2，利用数字微镜器件2将经过透镜1的待测光波分别向两个方向反射聚焦，得到第一方向和第二方向上的两束反射聚焦光波；

第一光电探测器阵列3位于数字微镜器件2的第一方向上的第一束反射聚焦光波上，第一光电探测器阵列3位于第一束反射聚焦光波上的第一位置点，且第一位置点与数字微镜器件2的距离加上数字微镜器件2与透镜1的距离之和比透镜1的焦距f小l距离值；

第二光电探测器阵列4位于数字微镜器件2的第二方向上的第二束反射聚焦光波上，第二光电探测器阵列4位于第二束反射聚焦光波上的第二位置点，第二位置点与数字微镜器件2的距离加上数字微镜器件2与透镜1的距离之和比透镜1的焦距f大l距离值；

第一光电探测器3和第二光电探测器4分别探测两束反射聚焦光波不同位置点的远场光强分布图像I₁(r)和I₂(r)，获得焦平面前后对称离焦面上的两幅有差异的远场光强分布图像；根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，得到两离焦面上对应点归一化的光强分布差与入射波前曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系并利用泊松方程获取待侧光波的波前相位。所述数字微镜器件2工作时调制频率为2万至3万多赫兹。

本发明实施例一中曲率波前传感器利用数字微镜器件2实现将光束分别向主光路两侧聚焦成像，主要包括透镜1、数字微镜器件2和两个CCD探测器3、4；透镜1选取焦距为f、口径为D的长焦凸透镜，用于将待测光波聚焦，透镜1位于位置点O处；数字微镜器件2采用Discovery4000系列.95”1080型号DMD，数字微镜器件2位于透镜1及其焦面之间的第一位置点O₁处，将待测光波分别向主光路的两侧聚焦成像，两个方向的焦面位置分别为图1中的第三位置点O₂和第四位置点O₃处，即距离O O₁+O₁O₂＝O O₁+O₁O₃＝f，其中位置点O到第一位置点O₁距离为O O₁，第三位置点O₁到第四位置点O₂距离为O₁O₂，第三位置点O₁到第四位置点O₃距离为O₁O₃。

DMD由许多块微型反射镜组成的阵列构成，每一块微型反射镜初始状态处于偏转0°位置，工作时可分别向顺时针方向或逆时针方向偏转θ°(偏转角度大小在器件出厂时设定，该型号为+/-12°)，本发明中DMD不工作时微镜阵列处于初始位置，其作用相当于垂直于主光路放置的一平面反射镜；DMD工作时可以异步地将光束向两侧偏转调制，且调制频率可达24000赫兹，因此完成一次光波左右偏转调制不到0.1毫秒，如DMD的微镜阵列尺寸为d，为了保证足够的通光面积，数字微镜器件2距透镜1的距离OO₁应略大于f*(1-d/D)。DMD以极快的速度不断地进行光波偏转调制，CCD探测器3和CCD探测器4分别置于光波的两个偏转聚焦方向上，用于探测光波聚焦图像。其中CCD探测器3位于焦面之前的第一位置点l₁处，CCD探测器4位于焦面之后第二位置点l₂处，如图1所示，且第一位置点l₁到第四位置点O₂的距离为l，第五位置点O₃到第二位置点l₂的距离也为l，即CCD探测器3、4分别位于透镜1焦平面前后两个对称的离焦面上探测有差异的两幅远场光强分布图像。在DMD完成一次光波偏转调制后，CCD探测器3接收到的光强分布图像为I₁(r)，CCD探测器4接收到的光强分布图像为I₂(r)。根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，得到两离焦面上远场光强分布图像I₁(r)和I₂(r)对应点归一化的光强分布差与入射波前的曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系可用泊松方程表示：

$\frac{{\mathrm{CI}}_2\left(r\right)-{\mathrm{BI}}_1(-r)}{{\mathrm{CI}}_2\left(r\right)+{\mathrm{BI}}_1\left(r\right)}=\frac{C-B}{C+B}+\frac{2B}{C+B}{c}_0[{\▿}^{2}W\left(c_{1}r\right)-\frac{\∂}{\∂n}W\left(c_{1}r\right){\mathrm{\δ}}_c],$

式中C、B为非零常数，且B/C＝(f+l)/(f-l)；r为圆域空间上任意一点到光轴的距离，对应的W(r)表示到光轴距离为r处的待测波前相位表达式；

表示距离光轴c₁r处的波前曲率，x、y分别表示空间直角坐标系横纵坐标自变量；c₀和c₁是常量，c₀＝f(f-1)/l，c₁＝f/l；P(r)为光瞳函数，n是外法线方向矢量；

为波前径向倾斜，δ_c表示一个单位脉冲函数，具体形式可写为

在孔径边缘等于无穷大，在其他地方等于零，即边界条件；

通过求解上述泊松方程求出待侧光波的孔径内波前曲率信息和孔径边缘波前径向倾斜信息，也即待测光波的波前相位分布情况。若是要应用于实际自适应光学系统中，远场光强分布图像I₁(r)和I₂(r)对应点归一化的光强分布差信号可直接适当放大施加到薄膜变形反射镜的驱动器上，用于控制变形反射镜进行波前相位补偿。根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似是现有提及曲率传感器的文献中比较通用的说法，本发明技术中突出的关键是如何利用这种装置很好地能获取两幅光强分布图，原理算法不做改变，所以此处就不做进一步展开。

如图2所示，本发明实施例二中曲率波前传感器利用数字微镜器件2将光束分别向主光路和侧光路聚焦成像，主要包括透镜1、数字微镜器件2和两个CCD探测器3、4；透镜1选取焦距为f、口径为D的长焦凸透镜，用于将待测光波聚焦，透镜1位于位置点O处；数字微镜器件2采用Discovery 4000系列.95”1080型号DMD，位于透镜1及其焦面之间的第三位置点O₁处，待测光波被透镜1聚焦后被DMD分别向主光路以及主光路一侧聚焦成像。当数字微镜器件2处于初始光状态，即微镜阵列偏转角度为0°时，由于其与原光路光轴成45°，光波被反射后向下进入置于第一位置点l₁处的CCD探测器3，称这一方向为主光路方向，该方向焦面位置为图2中的第四位置点O₂，即O O₁+O₁O₂＝f，其中位置点O到第三位置点O₁距离为O O₁，第三位置点O₁到第四位置点O₂距离为O₁O₂；当数字微镜器件2微镜阵列顺时针偏转12°时，光波反射后的聚焦方向沿顺时针方向偏转24°，并进入置于第二位置点l₂处的CCD探测器4，称这一方向为侧光路方向，该方向焦面位置为图2中的第四位置点O₃，即O O₁+O₁O₃＝f，其中位置点O到第三位置点O₁距离为O O₁，第三位置点O₁到位第四置点O₂距离为O₁O₃。数字微镜器件2以极快的速度不断地进行光波的偏转调制，由于第一位置点l₁到第四位置点O₂的距离与第五位置点O₃到第二位置点l₂的距离相等为l，CCD探测器3、4就能不断地获取焦平面前后对称离焦面上的一对光强分布图。在DMD完成一次光波偏转调制后，CCD探测器3接收到的光强分布为I₁(r)，CCD探测器4接收到的远场光强分布图像为I₂(r)。根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，远场光强分布图像I₁(r)和I₂(r)对应点归一化的光强分布差与入射波前的曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系可用泊松方程表示，之后的描述与实施例一相同则不再赘述。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (2)

1.基于数字微镜器件的曲率波前传感器，其特征在于：由透镜、数字微镜器件以及第一光电探测器阵列和第二光电探测器阵列组成，其中：

在透镜及其焦面位置之间放置数字微镜器件，利用数字微镜器件将经过透镜的待测光波分别向两个方向反射聚焦，得到第一方向和第二方向上的两束反射聚焦光波；

第一光电探测器阵列位于数字微镜器件的第一方向上的第一束反射聚焦光波上，第一光电探测器阵列位于第一束反射聚焦光波上的第一位置点，且第一位置点与数字微镜器件的距离加上数字微镜器件与透镜的距离之和比透镜的焦距f小1距离值；

第二光电探测器阵列位于数字微镜器件的第二方向上的第二束反射聚焦光波上，第二光电探测器阵列位于第二束反射聚焦光波上的第二位置点，第二位置点与数字微镜器件的距离加上数字微镜器件与透镜的距离之和比透镜的焦距f大l距离值；

第一光电探测器和第二光电探测器分别探测两束反射聚焦光波不同位置点的远场光强分布图像，获得焦平面前后对称离焦面上的两幅有差异的远场光强分布图像；根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，得到两离焦面上远场光强分布图像对应点归一化的光强分布差与入射波前曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系并利用泊松方程获取待测光波的波前相位。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的曲率波前传感器，其特征在于：所述数字微镜器件工作时调制频率为2万至3万多赫兹。

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