CN102967380B - 一种基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，由相位型空间光调制器、微透镜阵列、单模光纤阵列和单元光敏探测器阵列组成，相位型空间光调制器同时对哈特曼波前传感器每个子孔径内子光波进行前两阶二元相位调制，微透镜阵列位于相位调制器之后，将调制后的子光波分别耦合进入置于其焦平面的单模光纤阵列中实现选模滤波，选模滤波后的光强被单元光敏探测器阵列接收，通过处理光强数据求解每个子孔径内的波前斜率信息，最终用哈特曼波前传感器波前模式复原算法重构整个入射光波波前。本发明减少了探测单元数量，避免光斑离散采样导致波前测量精度下降问题，使得波前探测精度不受探测单元数的减少的影响，可以应用于高速、高精度波前探测领域。

Description

一种基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的装置，尤其涉及一种新型的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器。

背景技术

波前传感技术属于测量技术的范畴，已经被广泛地应用于自适应光学、天文、医学成像、激光通信、光学检测等诸多领域。目前已有多种波前传感技术得到了实际应用，比如剪切干涉波前传感技术、哈特曼波前传感技术、曲率波前传感技术和各类相位反演方法等等。其中剪切干涉波前传感技术是经典的波前像差测量方法，测量精度非常高，但其结构较复杂，对环境稳定度要求高，测量速度难以满足实时控制，主要被用于高精度测量、基准检测等场合。而哈特曼波前传感技术结构简单，可探测连续光或脉冲光，能同时测量两个方法的波前斜率，光能利用率较高，测量速度快，已经成为目前最流行、应用最广泛的波前传感技术之一。

典型的哈特曼波前传感器结构可以参见中国专利申请公开说明书（申请号98112210.8，公开号CN1245904）公开的一种光学波前传感器，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对波前进行子孔径分割，将类似于数学微积分的处理方法用于波前测量中，只需要测量每个子孔径中的倾斜像差大小即可用特定的复原算法复原整个孔径的波前像差。而子孔径中的倾斜像差分量是根据光波经过微透镜聚焦得到的远场光斑质心偏移确定的，因此传统的哈特曼波前传感器均需要用一个阵列型光电探测器（比如CCD或CMOS相机）探测微透镜阵列焦面上的光斑阵列。

对哈特曼波前传感器的深入研究主要侧重于提高探测精度和提升探测速度两个方面。就提高探测速度而言，哈特曼波前传感器最大的速度瓶颈在阵列型光电探测器的探测速度上，最直接的解决方案是采用高性能的相机高速地获取光斑阵列图像，从而提高波前探测速度。但一方面高性能的相机制造工艺机器复杂，价格不菲，另一方面相机探测速度的提高空间非常有限，全靶面帧频达到上KHz已非常困难，与四象限探测器或者单元光敏探测器动辄上MHz甚至GHz的探测频率不可同日而语。因此，在相机的大靶面探测速度无法满足需求时，为进一步提升哈特曼波前传感器的探测速度，则需要降低对光斑阵列的采样率，也就是采取减小探测靶面、减少探测单元数量、减少探测信息量从而提高数据传输速度的方式。若将探测每个光斑质心的采样点数降到2×2阵列，则可以用四象限探测器来探测光斑质心，将四象限探测器的优良的性能用于波前探测。但是，在利用测量光斑质心偏移复原波前的原理框架下，为了测量每个光斑在两个方向上的偏移量，2×2阵列的探测单元阵列已近理论极限，很难继续减少，因此无法采用简单可靠，性能更好的单元光敏探测器作为光信息探测元件。此外，通过降低光斑阵列采用率提高探测速度的做法是以牺牲哈特曼波前传感器探测精度和动态范围为代价的，实际应用时非常受限。

发明内容

本发明技术解决问题：为了解决现在技术的不足，在不降低甚至大幅提升波前探测精度的前提下，减少哈特曼波前传感器每个子孔径对应的探测单元数，使之达到理论最小值，本发明提供一种结构简单、以单元光敏探测器阵列作为核心探测器件，同时具有高速、高精度波前探测潜力的哈特曼波前传感器。

本发明的技术解决方案是：一种基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，由相位型空间光调制器、微透镜阵列、单模光纤阵列和单元光敏探测器阵列组成；相位型空间光调制器位于微透镜阵列之前，在自身调制工作区域内划分与微透镜阵列（即哈特曼波前传感器子孔径）一一对应的相位调制子区域，同时对每个子孔径内子光波进行前两阶二元相位调制，调制后的光波被微透镜阵列分别聚焦，进入端面位于微透镜阵列焦面的单模光纤阵列中，单模光纤阵列同时对各个子光波进行二元像差模式选模滤波，只通过子光波波前相位中的二元像差模式基模成分，单元光敏探测器阵列置于单模光纤阵列另一端，与每一根单模光纤一一对应，分别探测从每根单模光纤出射的光强大小，每个单元光敏探测器需从对应的单模光纤测量三个光强数据——（无调制）、（第一阶二元相位调制后）和（第二阶二元相位调制后），符号中i表示第i个有效子孔径所对应的数据；处理每个子孔径中光强数据，得到每个子孔径内斜率信息，进而用哈特曼波前传感器模式法波前复原矩阵，重构整个孔径的待测波前。所述的相位型空间光调制器可以是液晶空间光调制器或MEMS变形镜。

所述的单模光纤阵列的工作波长与待测光波波长相同，保证单模光纤选模滤波的准确性。

所述的单元光敏探测器阵列是普通光电二极管阵列、雪崩二极管阵列或是光电倍增管阵列，探测谱段与待测光波波长匹配，覆盖待测光波波长。

所述前两阶二元相位调制样式为除第0阶以外的前两阶Walsh函数形式，即第1、第2阶Walsh函数。

所述的二元像差模式为Walsh函数完备正交序列，第0阶Walsh函数即为二元像差模式基模。

所述的有效子孔径是指区域内均有光覆盖的子孔径，不考虑在光束边缘或无光区域的子孔径，有效子孔径数量需略大于探测的波前像差阶数。

所述的Walsh函数定义域可以是方域或是圆域，与微透镜阵列每个微透镜具体形状相一致。

本发明与现有技术相比有如下优点：

（1）只需单个单元光敏探测器即可探测哈特曼波前传感器子孔径内倾斜分量，达到子孔径分割测量波前方案下的理论最小值，充分减少探测信息量，结合单元光敏探测器超高的探测频率，优异的光电探测性能，有望提高哈特曼波前传感器的探测速度；

（2）不再使用传统的通过测量光斑质心偏移计算倾斜像差的方式，避免了光斑离散采样和探测单元数减少带来的波前探测误差，可实现减少探测单元数量的同时大幅提升哈特曼波前传感器的波前探测精度，具有高精度波前探测的潜力。

附图说明

图1为本发明实施例一基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器（采用液晶空间光调制器实现调相）结构示意图；

图2为本发明实施例一中液晶空间光调制器相位调制示意图，其中示意图（a）为子区域划分方，（b）为相位调制序列样式示意图；

图3为本发明实施例一波前复原数值仿真结果图，其中左图为原波前、中图为复原波前、右图为复原残差波前；

图4为本发明实施例一波前复原数值仿真中系数复原结果图，其中左图为前23阶Zernike系数理论值与复原值柱状分布图、右图为前23阶Zernike系数复原值与理论值之差；

图5为传统哈特曼波前传感器（有效子孔径选取方式与实施例一一致）波前复原数值仿真结果图，其中左图为有效子孔径选取分布图、中图为复原波前、右图为复原残差波前；

图6为传统哈特曼波前传感器（有效子孔径选取方式与实施例一一致）波前复原数值仿真中系数复原结果图，其中左图为前23阶Zernike系数理论值与复原值柱状分布图、右图为前23阶Zernike系数复原值与理论值之差；

图7为传统哈特曼波前传感器（常规的有效子孔径选取方式）波前复原数值仿真结果图（左图为有效子孔径选取分布图、中图为复原波前、右图为复原残差波前）；

图8为传统哈特曼波前传感器（常规的有效子孔径选取方式）波前复原数值仿真中系数复原结果图（左图为前23阶Zernike系数理论值与复原值柱状分布图、右图为前23阶Zernike系数复原值与理论值之差）；

图9为本发明实施例二基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器（采用MEMS变形反射镜实现调相）结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明实施例一中基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，由液晶空间光调制器1、微透镜阵列2、单模光纤阵列3和单元光敏探测器阵列4组成；液晶空间光调制器1位于微透镜阵列2之前，在自身调制工作区域内划分与微透镜阵列2每个微透镜（即哈特曼波前传感器子孔径）一一对应的相位调制子区域，如图2(a)所示，图中圆形区域为通光孔径，即为光波波前表达式的定义域，半径归一化为1，小方格为液晶空间光调制器1的调制子区域同时也是哈特曼波前传感器的子孔径，则有微透镜阵列2排布和子孔径划分均为8×8方阵，其中全部位于圆形区域内的子孔径被定为有效子孔径；液晶空间光调制器1同时用每个调制子区域对每个子孔径内子光波进行前两阶二元相位调制，调制样式如图2(b)所示，W₀为不附加相位调制，W₁、W₂分别为第1、第2阶二元相位调制样式，黑色部分表示值“-1”，白色部分表示值“+1”，若调制幅度为“-β”，则附加相位为-β·W₁或-β·W₂，β取值可以是-π/2到π/2，这里取π/4；调制后的光波被微透镜阵列2分别聚焦，进入端面位于微透镜阵列2焦面的单模光纤阵列3中，单模光纤阵列3同时对各个子光波进行二元像差模式选模滤波，只通过子光波波前相位中的二元像差模式基模成分，单元光敏探测器阵列4置于单模光纤阵列3另一端，与每一根单模光纤一一对应，分别探测从每根单模光纤出射的光强大小，每个单元光敏探测器需从对应的单模光纤测量三个光强数据——（无调制）、（第一阶二元相位调制后）和（第二阶二元相位调制后），符号中i表示第i个有效子孔径所，处理该三个光强数据即可得到对应子孔径内子波前斜率信息：

${G_x}^{\left(i\right)}={-k}_x\·{\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{I_1^{\left(i\right)}/I_0^{\left(i\right)}}-\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right),$ ${G_y}^{\left(i\right)}={-k}_y\·{\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{I_2^{\left(i\right)}/I_0^{\left(i\right)}}-\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right),---\left(1\right)$

式中G_x ⁽ⁱ⁾、G_y ⁽ⁱ⁾表示第i个有效子孔径内子波前的x方向斜率和y方向斜率，k_x、k_y是与子孔径排布有关的比例系数，取值等于全口径长、宽与子孔径长、宽之比，以实施例一为例，子孔径排布为8×8方阵，则k_x、k_y均等于8，若将β等于π/4代入，则有式（1）可改写为：

${G_x}^{\left(i\right)}={-8\·\tan }^{-1}(1-\sqrt{{2I}_1^{\left(i\right)}/I_0^{\left(i\right)}}),{G_y}^{\left(i\right)}={-8\·\tan }^{-1}(1-\sqrt{{2I}_2^{\left(i\right)}/I_0^{\left(i\right)}});---\left(2\right)$

处理每个子孔径中的光强数据，得到每个子孔径内子波前斜率数据，构成斜率向量 $G={\left[\begin{array}{ccccccc}{G}_x^{\left(1\right)}& G_y^{\left(1\right)}& G_x^{\left(2\right)}& G_y^{\left(2\right)}& \·\·\·& G_x^{\left(m\right)}& G_y^{\left(m\right)}\end{array}\right]}^{\′},$ 分别表示第1个有效子孔径中x方向斜率和y方向斜率， 分别表示第2个有效子孔径中x方向斜率和y方向斜率， 分别表示第m个有效子孔径中x方向斜率和y方向斜率，符号“[]＇”表示对矩阵取转置，G表示总的斜率列向量，m等于总有效子孔径数目，实施例一中有m等于32；

根据哈特曼波前传感器模式复原法基本原理，利用事先计算好的复原矩阵R，通过模式复原矩阵公式：

Z＝R·G，                                （3）

可以直接得到波前的Zernike多项式像差模式系数向量Z，再根据Zernike系数向量用各阶Zernike多项式复原全口径圆内波前信息，最终实现波前探测功能；

图3为利用本发明实施例一结构进行波前探测数值仿真结果，因为结构中的有效子孔径数量为32，为了保证波前复原的有效性，所以构成原波前的Zernike多项式阶数略小于子孔径总数，图3（左）中的原波前由前23阶Zernike多项式构成，系数满足科尔莫哥诺夫湍流情况，复原波前与原波前几乎完全一致图3（中），复原残差非常小图3（右），PV控制在10的-14次数量级，RMS在10的-15次数量级，而从图4给出的复原Zernike系数与原系数的对比图中也可以看出，Zernike系数复原非常准确，系数误差均不超过10的-14次数量级，可见，因为本发明回避了普通哈特曼波前传感器中光斑离散采样的问题，所以理论上的复原精度非常高；

传统哈特曼波前传感器是通过阵列型光电探测器探测光斑质心偏移，获得子各孔径内斜率，进而重构波前，如果采用该方法复原图3中的原波前，数值仿真设定每个子孔径对应探测单元数为128×128，有效子孔径选取方式同实施例一中的方式一致，如图5左图中黑点所在的子孔径为有效子孔径，则波前复原效果如图5中图和右图所示，相应的各阶Zernike系数复原情况由图6给出，从图中可以看到，采用传统方法，理论上的复原效果还是很不错的，当然其中也有所设定的对应探测单元数非常多（以实现难度为考量）的原因，但是复原效果与图3、图4中本发明实施例一的结果相比，复原残差和复原系数误差仍有数个数量级的差距；若将有效子孔径选取方式改为常规的方式，有效子孔径的数量会相应增加，如图7左图中所示的有效子孔径有52个，而子孔径斜率信息量的增加会一定程度地提高系数求解的稳定性和波前复原精度，这点可以从图7的波前复原结果和图8的系数复原结果中发现，但即使如此，仍然与本发明实施例一的波前复原结果有很大的差距，尤其是在复原残差和波前复原系数误差上，可见本发明能够利用相对更少的子孔径数据获得更高的波前复原精度，这主要得益于本发明采用的子孔径内斜率测量方法的准确性。

如图9所示，本发明实施例二中基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，由MEMS变形反射镜1、微透镜阵列2、单模光纤阵列3和单元光敏探测器阵列4组成；MEMS变形反射镜1位于微透镜阵列2之前，在自身调制工作区域内划分与微透镜阵列2（即哈特曼波前传感器子孔径）一一对应的相位调制子区域，同时用每个调制子区域对每个子孔径内子光波进行前两阶二元相位调制；调制后的光波被微透镜阵列2分别聚焦，进入端面位于微透镜阵列2焦面的单模光纤阵列3中，单模光纤阵列3同时对各个子光波进行二元像差模式选模滤波，单元光敏探测器阵列4置于单模光纤阵列3另一端，与每一根单模光纤一一对应，分别探测从每根单模光纤出射的光强大小，每个单元光敏探测器需从对应的单模光纤测量三个光强数据——（无调制）、（第一阶二元相位调制后）和（第二阶二元相位调制后），符号中i表示第i个有效子孔径，处理光强数据即可得到对应子孔径内子波前斜率信息，进而重构全口径内波前像差，数据处理方法与描述与实施例一相同。

总之，本发明通过探测子孔径内子波前二元像差函数系数的方式获得波前倾斜分量，摆脱了传统哈特曼波前传感器必须利用质心偏移探测倾斜的限制，大大减少所需的探测单元数量，采用单元光敏探测器阵列作为哈特曼波前传感器核心光信息探测元件，实现同步、高速地探测光强信息，避免光斑离散采样导致波前测量精度下降的问题，使得波前探测精度不受探测单元数的减少而受到影响，甚至有很大程度的提升，因而可以应用于高速、高精度波前探测领域。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

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 (8)

1.一种基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：由相位型空间光调制器、微透镜阵列、单模光纤阵列和单元光敏探测器阵列组成；相位型空间光调制器位于微透镜阵列之前，在自身调制工作区域内划分与微透镜阵列，即哈特曼波前传感器子孔径一一对应的相位调制子区域，同时对每个子孔径内子光波进行前两阶二元相位调制，调制后的光波被微透镜阵列分别聚焦，进入端面位于微透镜阵列焦面的单模光纤阵列中，单模光纤阵列同时对各个子光波进行二元像差模式选模滤波，只通过子光波波前相位中的二元像差模式基模成分，单元光敏探测器阵列置于单模光纤阵列另一端，与每一根单模光纤一一对应，分别探测从每根单模光纤出射的光强大小，每个单元光敏探测器需从对应的单模光纤测量三个光强数据，即无调制光强第一阶二元相位调制后光强和第二阶二元相位调制后光强符号中i表示第i个有效子孔径所对应的数据；处理三个光强数据即得到对应子孔径内子波前斜率信息，

${G_x}^{\left(i\right)}=-k_x\·{\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{I_1^{\left(i\right)}/I_0^{\left(i\right)}}-\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right),{G_y}^{\left(i\right)}=-k_y\·{\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{I_2^{\left(i\right)}/I_0^{\left(i\right)}}-\cos }{\sin \mathrm{\β}}\right),$

式中G_x ⁽ⁱ⁾、G_y ⁽ⁱ⁾表示第i个有效子孔径内子波前的x方向斜率和y方向斜率，k_x、k_y是与子孔径排布有关的比例系数，取值等于全口径长、宽与子孔径长、宽之比，调制幅度为“-β”；进而用哈特曼波前传感器模式法波前复原矩阵，重构整个孔径的待测波前。

2.根据权利要求1所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述相位型空间光调制器是液晶空间光调制器或MEMS变形反射镜。

3.根据权利要求1所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述单模光纤阵列的工作波长与待测光波波长相同。

4.根据权利要求1所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述单元光敏探测器阵列是普通光电二极管阵列、雪崩二极管阵列或是光电倍增管阵列，探测谱段与待测光波波长匹配，覆盖待测光波波长。

5.根据权利要求1所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述前两阶二元相位调制样式为除第0阶以外的前两阶Walsh函数形式，即第1、第2阶Walsh函数。

6.根据权利要求1所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述前二元像差模式为Walsh函数完备正交序列。

7.根据权利要求1所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述有效子孔径是指区域内均有光覆盖的子孔径，不考虑在光束边缘或无光区域的子孔径。

8.根据权利要求5或6所述的基于单元光敏探测器阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述Walsh函数定义域是方域或是圆域，与微透镜阵列每个微透镜具体形状相一致。