CN103256990B - 一种衍射棱锥波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明一种衍射棱锥波前传感器，属于自适应光学领域；解决的技术问题是：提供一种结构紧凑、体积小巧、探测精度高、工作谱带宽、调整难度低的波前传感器；采用的技术方案是：衍射棱锥为圆形底面具有四个棱面的锥体，四个棱面对称分布，每个棱面由微光学加工技术加工成多台阶相位光栅，衍射棱锥的四个棱面为衍射面，入射波经聚焦透镜落在衍射棱锥的顶点被分成四个子光束衍射，通过成像透镜成像至光电探测器，在光电探测器四个象限上形成四个子光瞳像；本发明适用于自适应光学系统对波前进行测量。

Description

一种衍射棱锥波前传感器

技术领域

本发明一种衍射棱锥波前传感器，属于自适应光学领域，特别涉及用于波前质量测量的一种衍射棱锥波前传感器。

背景技术

波前传感器作为自适应光学系统的关键部分，利用观测目标本身或其附近的自然亮星或激光导引星的光准确测量入射光路的动态波前误差，除太阳自适应光学系统外，波前传感器多工作在弱光环境下，在有限的的子孔径尺寸和很短的测量时间内接收到可用于波前探测的光能量十分有限，提高波前传感器能量利用率就成为波前传感器的发展目标；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US4399356“Opticalwave-frontsensingsystem”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RobertoRagazzoni(Journalofmodernoptics1996,43(2):289-293)首次利用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。

实际应用中四棱锥的顶尖和棱边的质量、以及表面粗糙度的质量将对系统的测量灵敏度产生巨大的影响，国际上公认的四棱锥的加工标准为面形误差RMS<λ/20，平台宽度<Airydisk/10，而且，一般要求棱锥底面角在1°左右，采用传统的光学抛光法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。文献《UseoftheLIGAprocessfortheproductionofpyramidwave-front》采用光刻电铸压膜法（LIGA）制作，可以实现高质量的顶尖和棱边质量，另一方面对加工的设备提出很高的要求，成本高，且棱锥的底面尺寸受限，装校难度增大；专利200910089094.3《一种反射棱锥波前传感器》提出的反射式棱锥波前传感器解决了传统光学加工技术制作透射四棱锥比较困难的问题，但与LIGA技术相同存在着制作的器件尺寸较小的问题，同时需要四个反射镜与四个棱锥面进行配合，系统的复杂度增大，而且需要与四棱锥面相互平行，调整难度大。

随着自适应光学技术应用范围和场合逐渐从天文观测、军事应用领域向民用领域的扩展，微型、小型的自适应光学系统成为研究的重要内容，体积小、结构简单、生产成本低廉、易于调整、同时测量精度高、动态范围大的波前传感器则成为关键技术之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有棱锥波前传感器的技术不足，提供一种结构紧凑、体积小巧、探测精度高、工作谱带宽、调整难度低的波前传感器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种衍射棱锥波前传感器，包括衍射棱锥、成像透镜、光电探测器和聚焦透镜；所述聚焦透镜、衍射棱锥、成像透镜和光电探测器依次放置，所述衍射棱锥的棱锥顶点位于聚焦透镜的焦平面位置，衍射棱锥为圆形底面具有四个棱面的锥体，棱锥顶点位于圆形底面圆心的正上方，四个棱面对称分布，每个棱面由微光学加工技术加工成多台阶相位光栅，衍射棱锥的四个棱面为衍射面，入射波经聚焦透镜落在衍射棱锥的顶点被分成四个子光束衍射，通过成像透镜成像至光电探测器，在光电探测器四个象限上形成四个子光瞳像。

在所述的聚焦透镜前放置合束镜，从激光平行光源出射的参考光经合束镜与入射光合成一束光，然后再经聚焦透镜汇聚在衍射棱锥的顶点。

在所述的衍射棱锥的底面加上棱锥动态调制器，驱动衍射棱锥的顶点做上下扫描，棱锥动态调制器可以根据需要选择安装。

所述衍射棱锥的棱锥顶点到成像透镜的光程等于成像透镜的焦距。

所述光电探测器与成像透镜的距离等于成像透镜的焦距。

所述衍射棱锥棱面的多台阶相位光栅的相位结构用2π或2π的整数倍进行量化。

所述衍射棱锥采用折射率n为1.51的玻璃，根据实际测量的需要，也可选用其它折射率的透明材料。

所述光电探测器为CCD相机或CMOS相机。

本发明与现有技术相比的优点在于：

一、本发明衍射棱锥采用利用微光学加工技术，能够解决现有的传统玻璃加工工艺不易解决的技术问题，解决四棱锥的顶点不够尖，棱不够窄的问题，把平顶效应和棱边效应降低到最小程度；

二、本发明衍射棱锥采用微光学加工技术，其顶点的大小控制在1μm左右，远远小于衍射光斑，因此衍射光斑覆盖四棱锥棱面的台阶数足以达到较高的衍射效率，整个系统可以不加入动态调制装置，更加紧凑和易于调整；

三、本发明衍射棱锥基于二元光学的理论，参数的设计具有灵活性，可以根据实际需求改变不同的参数从而更好地应用于自适应光学系统；

四、本发明衍射棱锥采用微光学加工技术，得到一个体积小巧但具有紧凑结构波前传感元件，在实现波前探测的过程中只需一个中继成像透镜系统和一个光电探测器，系统结构简单、易于实现；

五、本发明衍射棱锥采用微光学加工技术，与传统的光学抛光法，光刻电铸压模法（LIGA）相比，工艺流程简单，生产成本低廉。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：

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为本发明中光路分布示意图；

图5为本发明中衍射棱锥的结构示意图；

图6为本发明中衍射棱锥实现动态调制的结构示意图；

图中：1为衍射棱锥、2为成像透镜、3为光电探测器、4为聚焦透镜、5为合束镜、6为激光平行光源、7为棱锥动态调制器。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种衍射棱锥波前传感器，包括衍射棱锥1、成像透镜2、光电探测器3、聚焦透镜4；所述聚焦透镜4、衍射棱锥1、成像透镜2和光电探测器3依次放置，所述衍射棱锥1的棱锥顶点位于聚焦透镜4的焦平面位置，衍射棱锥1为圆形底面具有四个棱面的锥体，棱锥顶点位于圆形底面圆心的正上方，四个棱面对称分布，每个棱面由微光学加工技术加工成多台阶相位光栅，衍射棱锥1的四个棱面为衍射面，入射波经聚焦透镜4落在衍射棱锥1的顶点被分成四个子光束衍射，通过成像透镜2成像至光电探测器3，在光电探测器3四个象限上形成四个子光瞳像，子光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。

二元光学主要思想就是将较大尺度，较大刻蚀深度的相位结构以2π或2π的整数倍为周期进行量化，同时每一个周期内又以一定数量的台阶结构去拟合一个理想的相位结构，本发明中，衍射棱锥1各个参数的设计均以二元光学和衍射理论为基础。

平台的宽度：以测量人眼波前像差为例，人眼瞳孔可看作是一个圆孔，其直径在2-8μm之间调节，为入射波长，为圆孔直径，为聚焦透镜焦距，则入射光的衍射斑的直径大小为，利用微光学加工技术，衍射棱锥1的棱锥顶点平台宽度可以远远小于衍射光斑大小的10%,即,符合四棱锥波前传感器研究中普遍认可的理想尺寸。

衍射棱锥1底角的大小：为了保证光电探测器上四个光瞳像不相互叠加，各参数应符合以下公式：，式中为所用玻璃的折射率；为前端成像透镜的焦比；是衍射棱锥顶角的补角。

每个周期内台阶的深度由光栅衍射理论中的关系式决定：，式中为每个周期内台阶的深度；为入射波长；为所用玻璃的折射率。

每周期内台阶个数以及宽度由二元光学中描述衍射效率与台阶数目关系的公式确定：，式中为衍射效率；为一个周期内台阶的总数目，当大于等于8时，衍射效率大于90%，可以满足光学系统对高光能利用率的要求；如果以2π量化相位，衍射效率为98.72%，如果以4π量化相位，周期的长度及底座的尺寸与前种方案相同，只是衍射效率降低至94.96%。此外，还可以用6π，8π等2π的其它整数倍量化相位。

为了描述方便，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，入射波面经过聚焦透镜4以后聚焦在衍射棱锥1的顶点上，由于棱锥的棱面相当于多台阶的相位光栅，使得入射光被衍射棱锥1的两个棱面衍射至成像透镜2成像，到达位于成像透镜2后焦面位置的光电探测器3，从而在光电探测器3对应的象限上形成两个子光瞳像。

利用傅里叶光学理论对整个光路进行分析，图4为本发明中光路分析示意图，设入射光瞳处的光场为：，其中为入射光场的振幅，为入射光场的相位，为入射光瞳孔径函数，为入射光波长，为虚部单位，为待测畸变的坐标；经过聚焦透镜4之后的光场变为：，其中为聚焦透镜4的焦距，为聚焦透镜4后焦平面的坐标；本发明中，衍射棱锥1在整个光路中的作用可用相位模型来描述，由于衍射棱锥1的四个棱面均可看作多台阶的相位光栅，其相位函数记为，入射波前经过衍射四棱锥后，光场为：，再经过成像透镜2到达光电探测器3，光场变为：，其中为成像透镜透镜2的焦距，为光电探测器3所在面的坐标，光电探测器3记录光强信息，，其中为常数。

设入射波前为理想平面波，瞳面上P点被衍射棱锥1的两个棱面衍射，再经成像透镜2，光电探测器上记录该点的两个子光瞳像，如图3中的P1，两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，衍射棱锥1上下两个棱面的光强不再相等，两个子瞳像的光强分布变化，如图3中的P2，当扰动增强，衍射棱锥1只有一个棱面对入射光衍射，其中一个子瞳像亮度增强，而另一个子瞳像成为暗点，如图3中的P3；通过处理两个子瞳像的强度差异分布，计算出波前扰动的大小，为了尽可能地提高衍射棱锥的测量动态范围，也可以如图6所示在衍射棱锥底面加一动态调制器7，驱动衍射棱锥的顶点上下扫描，保证两个子瞳面上都可以探测到光强分布，利用光线经过衍射棱锥1两个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和,假设单位时间内光电探测器3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）：

…………………………（1）

其中为衍射棱锥1的最大调制范围。

将上述结果推广到整个衍射棱锥1，P点入射光线经过衍射棱锥1四个棱锥面的分束衍射，在光电探测器3上的光强分布可以表示为、、和，对应的波前扰动相位在x,y两个方向上的斜率表达式为：

…………………………（2）

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。

本发明还可以采用图2的实现方式，在聚焦透镜4前放置合束镜5，合束镜5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4汇聚在衍射棱锥1的顶点，从参考波面的平行光源6出射的参考波面为理想平面波，没有像差。平面波经过衍射棱锥1、成像透镜2、光电探测器3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，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光电探测器3与成像透镜2的距离等于成像透镜焦距。成像透镜2可以采用2x2微透镜阵列代替，光电探测器3可以采用CCD相机或COMS相机，合束镜5对入射波面的透过率为99%以上。激光平行光源6为平面光，且光源的输出功率可调。

本发明利用衍射棱锥、成像透镜的有机组合，解决目前棱锥波前传感器存在的平顶，棱边效应问题，组成一个体积小、结构紧凑、易于加工和调整，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 (7)

1.一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：包括衍射棱锥（1）、成像透镜（2）、光电探测器（3）和聚焦透镜（4）；所述聚焦透镜（4）、衍射棱锥（1）、成像透镜（2）和光电探测器（3）依次放置，所述衍射棱锥（1）的棱锥顶点位于聚焦透镜（4）的焦平面位置，衍射棱锥（1）为圆形底面具有四个棱面的锥体，棱锥顶点位于圆形底面圆心的正上方，四个棱面对称分布，每个棱面由微光学加工技术加工成多台阶相位光栅，衍射棱锥（1）的四个棱面为衍射面，入射波经聚焦透镜（4）落在衍射棱锥（1）的顶点被分成四个子光束衍射，通过成像透镜（2）成像至光电探测器（3），在光电探测器（3）四个象限上形成四个子光瞳像。

2.根据权利要求1所述的一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：在所述的聚焦透镜（4）前放置合束镜（5），从激光平行光源（6）出射的参考光经合束镜（5）与入射光合成一束光，然后再经聚焦透镜（4）汇聚在衍射棱锥（1）的顶点。

3.根据权利要求1所述的一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：在所述的衍射棱锥（1）的底面加上棱锥动态调制器（7），驱动衍射棱锥（1）的顶点做上下扫描。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：所述衍射棱锥（1）的棱锥顶点到成像透镜（2）的光程等于成像透镜（2）的焦距。

5.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：所述光电探测器（3）与成像透镜（2）的距离等于成像透镜（2）的焦距。

6.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：所述衍射棱锥（1）棱面的多台阶相位光栅的相位结构用2π或2π的整数倍进行量化。

7.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种衍射棱锥波前传感器，其特征在于：所述光电探测器（3）为CCD相机或CMOS相机。