CN104198053B - 一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，能够实现大动态范围和高采样率的波前探测：该波前传感器通过亚波长级光栅的透射效率对光波前斜率的响应提供传感信号，可实现15°左右的动态范围；通过调节子单元中微型光栅尺寸来提高采样率，使得动态范围与采样分辨率不再为矛盾关系，可以同时获得高采样分辨率和大动态范围；该波前传感器的结构简单、性能稳定、且加工工艺成熟；可以适用于各领域的在线检测。本发明的探测方法，通过拟合入射光波透射率、入射角和方位角公式，基于本发明光栅阵列波前传感器的实验结果数据，解得入射光线的入射角和方位角，为波前探测提供一种大动态范围和高采样分辨率的探测方法。

Description

一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法

技术领域

本发明涉及光学信息测量技术领域，尤其涉及一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法。

背景技术

波前传感器是用于测量入射光波前畸变的检测仪器。它广泛应用于自适应光学、光学仪器制造、激光加工等领域中，负责检测光束的质量或光学系统像差。波前传感器的种类多样，如夏克哈特曼传感器、剪切干涉仪、点衍射干涉仪、全息波前传感器等。其中，夏克哈特曼传感器由于其高灵敏度、可靠性高、结构简单、实时测量等优势成为被广泛应用的波前传感器之一。

传统的夏克哈特曼传感器是利用波前孔径分割元件如微透镜阵列等，将入射波前分割成若干子波前。当子波前面积足够小时，可以近似认为每个子波前均为斜率不同的平面波。利用微透镜分别将每个子波前聚焦于CCD探测器上，形成光斑阵列。最后使用计算机对CCD接收到的光斑信息进行处理，计算出子波前孔径会聚焦点的质心与中心点的偏移量，推出得到入射波前斜率，据此重构出波前。夏克哈特曼传感器使用光斑偏移量作为传感信号，所以每个子孔径需要一定的面积来提供动态范围。子波前或微透镜的尺寸越大，斜率动态范围越大，但检测采样率越低。对于同时需求高采样率与大动态范围的应用要求，夏克哈特曼传感器将难以满足。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，能够实现大动态范围和高采样率的波前探测。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

有益效果：

(1)本发明的基于亚波长级光栅阵列的波前传感器，通过亚波长级光栅的透射效率对光波前斜率的响应提供传感信号，可实现15°左右的动态范围；同时，通过调节子单元中微型光栅尺寸来提高采样率，使得动态范围与采样分辨率不再为矛盾关系，可以同时获得高采样分辨率和大动态范围。

(2)本发明的基于亚波长级光栅阵列的波前传感器，其结构简单、性能稳定、且加工工艺成熟；实时测量使其可以适用于各领域的在线检测。

(3)本发明的探测方法，通过拟合入射光波透射率、入射角和方位角公式，基于本发明光栅阵列波前传感器的实验结果数据，解得入射光线的入射角和方位角，为波前探测提供一种大动态范围和高采样分辨率的探测方法。

(4)本发明根据子单元入射光波在CCD探测器上光斑位置，确定入射光线的方位角，使得本发明解得的方位角更加精确。

附图说明

图1左为本发明波前传感器中亚波长级光栅阵列的刻蚀图案示意图，图1右为本发明的波前传感器中亚波长级光栅阵列的一个子单元的刻蚀图案示意图；

图2为实施例一中基于本发明波前传感器的探测方法原理图，其中1-亚波长级光栅阵列，2-CCD探测器；

图3为实施例二中基于本发明波前传感器的探测方法原理图，其中，1-波前传感器，2-CCD探测器，5-光学纤维面板；

图4为本发明中CCD探测器上探测得到的光斑图像；

图5为本发明中信号a1/a0随入射角θ单调增加的曲线，其中，点符号表示严格耦合波分析法的计算结果，星号表示时域有限差分分析法的计算结果。

具体实施方式

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，本发明的一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其中，波前传感器包括光栅阵列和CCD探测器，如图1所示，光栅阵列中的每个子单元均包含在同一平面内以2×2矩阵形式排列的4个微型光栅，微型光栅的刻线方向均不相同，将4个微型光栅的刻线角度大小排列，两相邻刻线角度均相差45°。光栅阵列的尺寸与CCD探测的大小对应。光栅阵列中子单元的尺寸越大，灵敏度越高，但采样率越低，因此可根据灵敏度与采样率的需求确定子单元尺寸，当光栅阵列的尺寸和子单元尺寸均确定后，子单元个数也可确定。

微型光栅的周期d为亚波长级，即d＜nλ/2，其中n为微型光栅基底材料的折射率，λ为从波前传感器入射光波的波长。微型光栅的刻槽深度、周期和占空比均相同。其中，刻线深度和占空比可根据传感器的参数进行调节，其调节范围为：刻线深度为70nm至250nm，占空比为0.4至0.6。

CCD探测器位于光栅阵列的后方光路中，两者距离满足：从光栅阵列中每个微型光栅透射的光波在CCD探测器上形成的光斑不发生干涉，即互相不重叠。

基于本发明的亚波长光栅阵列传感器的波前探测方法如下：

步骤1、首先计算一束平面光波以不同入射角θ和不同方位角入射到单个微型光栅时的透射率。入射角θ的变化范围为从0度至30度，方位角的变化范围为0度至180度。可使用严格耦合波法或时域有限差分方法计算对应的透射率。将计算结果按照不同的θ值分组，分析计算结果将发现，当入射角θ一定，方位角连续变化时，微型光栅透射率会以正弦函数的规律变化，通过拟合可得到其解析公式的形式为：

其中，入射角θ表示入射光相对于z轴的夹角，方位角表示入射光线在xy平面投影与x轴的夹角；xyz坐标系定义为：原点为CCD探测器左上角顶点，CCD探测器上水平向右为x轴，垂直x轴向下为y轴，z轴根据右手螺旋定则确定。T为透射率，a₀为透射率变化的平均值，a₁为透射率变化的振幅值，e为方位角的初始相位，为常数。

根据透射率与光斑强度S的对应关系，得到光斑光强S的解析公式：

分析计算结果还可以发现，当θ增大时，透射率变化的振幅也会随之增大，即透射率解析公式(1)中的a₁项随θ单调递增，如图5所示。通过拟合可得到其对应函数形式为：

a₁＝a(θ)³+b(θ)²+c(θ)+d

其中，a、b、c和d为待定常数。由于透射率变化的均值会随着光源的波动而变化，为消除光源的不稳定性给计算结果造成的影响，对上述公式中的a₀进行归一化，得到归一化后的公式：

下面确定公式(1)和(2)中的常数，具体过程如下：

S1、设置单色光源，使用光学准直系统产生标准平行光束，将光栅阵列与CCD探测器组合安装到可三维移动的旋转平台上，将上述组合放置到平行光路中，光栅阵列垂直于光束，以光栅阵列中的一个微型光栅作为标定光栅，记录它对应光斑的强度。

S2、将标定光栅向上倾斜0.5度，即将入射光线的入射角θ设定为0.5度。然后以标定光栅平面的中心法线为轴，旋转标定光栅一周，即使方位角在0至360度之间连续变化；以方位角每2度为间隔记录透射光斑强度。

S3、绘制出在该入射角θ下，光斑强度随方位角改变的曲线，根据公式(1’)和光斑强度S随方位角变化的曲线，得到参数a₀、a₁和e值；

S4、改变入射角θ，重复执行S2和S3，直至入射角θ超过15度。得到多组参数a₀、a₁和e的值，然后将将所有参数e值取平均，得到e的均值，作为常数e的值。

S5、绘制出随θ改变的曲线，如图5所示，再结合公式(2)，得到参数a、b、c和d。

步骤2、在实际的波前探测实验中，采用图2或3所示的系统，入射光波经过本发明的光栅阵列后，由CCD探测器对入射光斑进行接收，通过计算机对CCD靶面接收的图像进行处理，计算得到每个子单元中各微型光栅透射光光斑的总强度S_i,j，其中，i,j分别为某子单元中光斑沿x轴方向和y轴方向的位置序号。则4个光斑的光强分别为S_i,j、S_i,j+1、S_i+1,j和S_i+1,j+1，由于一个子单元中的4个微型光栅参数一致，则4个微型光栅的透射率均可写成式(1)的形式，由于刻线角度不同，则对应透射率表达式中的角度不同，因此可根据公式(1)得到四个光斑的光强表达式，建立方程组：

解方程(3)得到参数a₀、a₁和将参数a₀和a₁代入公式(2)中，得到光线的入射角θ。

步骤3、由于波前的倾斜，使CCD探测器上接收得到的光斑相对于正入射时产生偏离，则得到两个方位角值，即表示入射光线可能有两个方位角，当上述两个方位角的光线入射到光栅阵列后，在CCD探测器上形成的两个光斑位置不同，两个光斑呈中心对称，因此，可根据光斑相对于中心点的位置，确定形成该两光斑的入射光线的方位角。由于两个方位角相差180°，位于xyz坐标系的两个相对的象限内且在同一条直线上，分别定义两个方位角为α和α+π，则可通过如下方法确定方位角所在象限：

计算每个子单元中4个光斑的质心坐标，再得到4个质心的几何中心坐标，设为几何中心1；将该子单元在CCD探测器上投影的几何中心坐标设为几何中心2，分别计算几何中心1和几何中心2在x轴和y轴的差值，并根据x，y轴的差值确定方位角所在象限：当x轴差值为正同时y轴差值为正，或x轴差值为0同时y轴差值为正时，取α作为方位角当x轴差值为负同时y轴差值为负，或x轴差值为0同时y轴差值为负时，取α+π作为方位角

步骤4、最后，可确定出表征入射波斜率的入射角和方位角,然后重构出此入射平面波。每个子波前都按照上述步骤进行，最终由若干个平面子波前重构出波面。

实施例一：

本实施例中，所述的亚波长级光栅阵列使用石英为基底，首先在前表面镀金膜，然后通过电子束刻蚀工艺产生所需图形。CCD探测器的靶面与亚波长级光栅阵列的石英基底后表面间相距2mm，CCD探测器使用AVT公司的Manta系列G-609B/C。

当畸变波前入射到亚波长级光栅阵列上，整个光束被分割成若干束小孔径透射光束。由于亚波长级光栅的周期很小，按照光栅方程的计算可以看出，其光栅衍射光中将只存在0级衍射光。使用CCD探测器在光束还没发生相互干涉的距离接收图像，CCD探测器上将形成离散的光斑阵列。

实施例二：

如图3所示，本实施例中，所述的亚波长级光栅阵列使用石英为基底，首先在前表面镀银膜，然后通过电子束刻蚀工艺产生所需图形。由于光栅阵列与CCD探测器之间的距离不方便控制，本发明采用光纤面板置于光栅阵列与CCD探测器之间，光纤面板的两个侧面分别紧贴光栅阵列后表面和CCD探测器前表面，光纤面板的一个表面耦合CCD探测器的靶面，再将光栅阵列的石英基底粘连光纤面板的另一表面，CCD探测器使用AVT公司的Manta系列G-609B/C。不用调节CCD探测器与光栅阵列之间距离，即可满足光斑不干涉的条件，因此可方便对波前传感器的搭建。

当畸变波前入射到亚波长级光栅阵列上，整个光束被分割成若干束小孔径透射光束。由于亚波长级光栅的周期很小，按照光栅方程的计算可以看出，其光栅衍射光中将只存在0级衍射光。这些光束在光栅基底中传播后入射到光纤面板的一个表面，由光纤面板的每根光纤将强度分布一一对应的传递给CCD探测器。如图4所示，获得的图像与实施例一中CCD获得的图像一致，入射角和方位角的探测方法与实施例一的处理方法相同。

如图5所示，为采用耦合波算法和时域有限差分法得到的入射角和参数a¹的对应关系，从图中可看出，两种算法得到θ的动态范围都可以到15度，相比于现有技术中1°的动态范围，本发明的方法具有较大的进步。

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 (5)

1.一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其特征在于，所述波前传感器包括光栅阵列和CCD探测器，所述光栅阵列中的每个子单元均包含在同一平面内以2×2矩阵形式排列的4个微型光栅，4个微型光栅的刻线深度和占空比均一致，微型光栅的刻线方向均不相同，刻线角度均相差45°；

所述微型光栅的周期d为亚波长级，即d＜nλ/2，其中n为微型光栅基底材料的折射率，λ为波前传感器入射光波的波长；

所述CCD探测器位于光栅阵列的后方光路中，两者距离满足：从微型光栅透射的光波在CCD探测器上形成的光斑互相不重叠；

所述探测方法为：

步骤1、模拟计算光栅阵列的一个子单元中一个微型光栅对于不同角度入射光波的透射率，并将各入射角度下的透射率进行拟合，得到该微型光栅的透射率T的解析公式：

以及入射光波的入射角θ的表达式：

根据透射率与光斑强度S的对应关系，得到光斑光强S的解析公式：

其中，a₀为透射率变化的平均值，a₁为透射率变化的振幅值，e为方位角的初始相位，为常数；参数a、b、c和d为待定常数；入射角θ表示入射光波相对于z轴的夹角，方位角表示入射光波在xy平面投影与x轴的夹角；xyz坐标系定义为：原点为CCD探测器左上角顶点，CCD探测器上水平向右为x轴，垂直x轴向下为y轴，z轴根据右手螺旋定则确定；

步骤2、确定所述参数a、b、c和d的值，具体方法为：

S21、采用单色的平行光束照射所述光栅阵列中的一个微型光栅；记录平行光束的入射角θ在0至15度以及方位角在0至360度之间变化时的透射光斑强度；

S22、根据步骤S21的记录，绘制出在各入射角θ下，光斑强度S随方位角 变化的曲线；根据公式(1’)和光斑强度S随方位角变化的曲线，得到各入射角θ对应参数a₀、a₁和e值；将所有参数e值取平均，得到e的均值，作为常数e的值；

S23、根据步骤S22的结果，绘制出随入射角θ变化的曲线，再结合公式(2)，得到参数a、b、c和d的值；

步骤3、控制入射光波进入所述光栅阵列，由所述CCD探测器对从所述光栅阵列出射的光波进行接收，得到每个子单元中各微型光栅透射光光斑的总强度S_i,j，其中，i和j分别为该子单元中光斑沿x轴方向和y轴方向的位置序号；则每个子单元中透射的4个光斑的光强分别为S_i,j、S_i,j+1、S_i+1,j和S_i+1,j+1，根据公式(1)得到四个光斑的光强表达式，建立方程组：

求解方程组(3)，得到参数a₀、a₁以及方位角将参数a₀和a₁代入公式(2)中，得到该子单元的入射光线的入射角θ；

步骤4、利用步骤1至步骤3得到光栅阵列中每个子单元入射光波的入射角θ和方位角由此实现波前探测。

2.如权利要求1所述的一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其特征在于，所述波前传感器还包括光纤面板，置于光栅阵列与CCD探测器之间，光纤面板的两个侧面分别紧贴光栅阵列后表面和CCD探测器前表面。

3.如权利要求1所述的一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其特征在于，所述波前传感器中每个子单元中微型光栅的刻线深度为70nm至250nm，占空比为0.4至0.6。

4.如权利要求1所述的一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其特征在于，所述微型光栅的基底材料为石英，表面镀膜材料为银或金。

5.如权利要求1所述的一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其特征在于，所述步骤3中得到的方位角有两个，且两者差值为π，分别定义两个方位角为α和α+π；根据每个子单元在CCD探测器上投射的光斑位置与该入射光线正入射时形成的光斑位置关系，从得到的两个方位角中选定一个，由此确定该子单元入射光波的入射角θ和方位角具体方法为：

计算每个子单元中4个光斑的质心坐标，再得到4个质心的几何中心坐标，设为几何中心坐标1；将该子单元在CCD探测器上投影的几何中心坐标设为几何中心坐标2，分别计算几何中心坐标1和几何中心坐标2在x，y轴方向差值，并根据x，y轴差值分情况选定方位角

当x轴差值为正同时y轴差值为正，或x轴差值为0同时y轴差值为正时，取α作为方位角当x轴差值为负同时y轴差值为负，或x轴差值为0同时y轴差值为负时，取α+π作为方位角。