CN107076618B - 波前传感器及用于确定若干光束之间存在的平移差和倾斜差的方法 - Google Patents

Abstract

一种波前分析器改造成简单地确定初始波前(S₀)的不同区域中可存在的振幅差和倾斜差。为了达到这个目的，两个波之间的干涉只由来自所述初始波前上的相邻区域的射束(F₁、F₂)产生。这种分析器可以用来相干地合成由平行布置的不同源产生的激光辐射。另一应用是用于确定凯克望远镜的相邻反射镜区段之间存在的高度差和倾斜度差。

Description

波前传感器及用于确定若干光束之间存在的平移差和倾斜差 的方法

本发明涉及基于干涉的波前传感器。其还涉及用于确定能够产生干涉的若干个光束之间存在的平移(piston)差和倾斜差的方法。

在本说明书中，表述“波面”和“波前”应被理解为同义词。类似地，术语“干涉图样”和“干涉图”也用作同义词。术语“倾斜”用来表示波前的倾斜度，并且“平移差”表示两个波前之间存在的行进的平均偏差，每个波前行进是在其传播方向上测量的。

无论光辐射的光谱组成如何，都应用如此定义的平移差。因此，其也可被称为绝对平移差。然而，对于单色光辐射而言，由于电磁场的空间周期性，在静态表征(即，在某一时刻实施的表征)期间只能使用平移差的残余部分。这个残余部分被称为残余平移差，并且等于[Part_Dec(Δp/λ)]·λ，其中λ表示单色辐射的波长，Δp是绝对平移差，并且Part_Dec表示包含在括号之间的数字的小数部分。具体而言，当具有相同波长的单色光束结合在一起时，只有两个两个地得到的光束之间存在的残余平移差比较显著。但相反，对于光辐射的脉冲而言或对于多色光辐射而言，只有绝对平移差受关注。

某些应用需要精确地确定若干光束的相应波前之间存在的平移差和倾斜。

这种需要尤其出现在凯克(Keck)望远镜的反射镜调整过程中。该反射镜由并置的独立反射镜区段构成，每个反射镜区段最常具有六边形周边界限。因此，有可能形成直径约十米的完整反射镜，其中，具有单独测量到直径约一米的区段。然而，反射镜区段必须相对于彼此进行高度和倾斜度调整，以便由完整反射镜反射的光束的波前的斜率不具有由于相邻反射镜区段之间存在的高度和倾斜度的差异而导致的梯级或者突然变化。

当来自多个激光源的光束相干地合成以获取最终的高强度射束时，也存在这种需要。当合成射束中所需的光强度非常高时，独立激光源的数量可能相当大。在单色激光源的情况下，分别源自激光源并且对应于同一个相位值的射束的独立波前必须在没有相位误差的情况下进行合成。由B·土伦(B Toulon)于2009年11月20日在奥尔赛的巴黎第XI大学(UniversitéParis XI Orsay)答辩的标题为“La mesure d’amplitudes complexes parinterférométrieàdécalage multi-latéral”[通过多边剪切干涉法来测量复振幅]的论文具体提出一种基于四边形剪切干涉法的方法，以用于测量64个激光源之间的平移差和倾斜。在脉冲激光源的情况下，除非独立脉冲中的某些脉冲相对于其他脉冲不存在明显的延迟并且它们的传播方向没有差异，否则，由激光源分别产生的独立脉冲的组合本身并不是持续时间与独立脉冲的持续时间类似的脉冲。对于单色光束或光脉冲的相干合成的这些应用，使用基于干涉的波前传感器，所述波前传感器包括：

-光输入部，旨在接收具有延伸穿过所述光输入部的初始波前的光辐射；

-辐射分离器，布置为从分别源自光输入部中的受限区域的光束中产生用于每个光束的若干个子射束，每个子射束再现存在于对应受限区域中的初始波前的特性；

-光路，布置为叠加分别源自光输入部内的不同受限区域并且各自经由不同光路传递的子射束；

-至少一个图像检测器，布置为捕获由叠加的子射束产生的干涉图样；以及

-处理模块，适于从干涉图样中确定叠加的子射束所源自的受限区域之间的初始波前存在的平移差和倾斜。

然后，使用波前传感器，以对得自由激光源单独产生的独立波前的整体波前进行表征。

在B·土伦提出的装置中，辐射分离器是产生对应于两个衍射级的组合的初始波前的四个复本的衍射光栅，所述两个衍射级各等于+1或-1。因此，辐射分离器从每个光束中产生四个子射束。光输入部内的受限区域与源自并置的激光源的独立光束的部分对应。这些配备有输出微透镜，使得独立射束各自具有平行或准直的射束结构。图像检测器随后捕获四射束干涉图的组合，从中可确定在光输入部内相邻的两个激光源之间存在的平移差和倾斜。根据衍射光栅相对于光输入部中的激光源的正方形分布图样的定向，获得两个不同的干涉模式。但在这两个模式中，干涉图均具有复杂结构，其中，具有不同类别的重叠区域。因此，从干涉图的任一个确定平移差和倾斜非常困难。

由C·贝兰杰(C.Bellanger)等人在2010年12月1日的《光学快报》第35卷第23期的3931到3933页上发表的标题为“针对相干射束合成通过四波横向剪切干涉法对纤维激光器的阵列进行集体相位测量(Collective phase measurement of an array of fiberlasers by quadriwave lateral shearing interferometry for coherent beamcombining)”的文章涉及相同类型的四波横向剪切干涉仪。

基于这种情况，本发明的目的是允许更简单地确定能够产生干涉的光束的独立波前之间存在的平移差和倾斜。

为此，本发明的第一方面提出诸如上文所述的波前传感器，但所述波前传感器也包括掩模，所述掩模适于借助此掩模中的开口来选择光输入部内分离的关注区域作为受限区域，至少部分阻挡这些关注区域外部的初始波前，或者至少部分阻挡非源自关注区域的光束。因此，如果掩模定位成靠近波前传感器的光输入部，则关注区域可由掩模中的开口直接确定，或者关注区域可通过经由传感器部件的光学共轭进行确定。借助此类掩模，无论初始波前的延伸和两个相邻的关注区域之间的光强度如何，图像检测器的单独部分都分别专用于在光输入部内相邻的关注区域对。那么，每个干涉图仅包括在图像检测器可以与其他干涉图的部分分离的部分内的、具有两个射束的干涉图样。从具有两个射束的这些干涉图样确定平移差和倾斜差比较简单，并且可容易且快速地实施。具体地，不需要计算干涉图的傅里叶变换。

在本发明的优选实施例中，辐射分离器可包括衍射光栅。事实上，当由衍射光栅针对不同衍射级产生两个子射束时，在脉冲照射范围内起作用的每个子射束中的光子包含在传播前进的空间区段中，所述空间区段平行于衍射光栅。对于同一个照射脉冲，所有子射束的空间区段则彼此对准、平行于衍射光栅。子射束中的两个之间发生干涉的重叠区域则可以更大。对于从干涉图案中推断出的平移差和倾斜差的值，最终的准确性可更大。

更具体地，波前传感器可布置成使得由衍射光栅针对每个射束产生的子射束对应于一个或多个衍射级数的值+1和-1。掩模则阻挡源自关注区域的、所有衍射级数的值均为零的子射束。

有利的是，掩模和图像检测器可光学共轭。在这种情况下，图像检测器产生干涉的分离的部分对应于掩模的开口对。同一个对的两个开口的图像通过辐射分离器在图像检测器上彼此叠加。

根据本发明的改进，波前传感器还可包括无焦光学系统，所述无焦光学系统布置在光输入部与图像检测器之间的辐射路径上，以通过光输入部内的相似空间缩放有效来相对于由图像检测器捕获的干涉图样变换初始波前。无焦系统的放大倍率的选择则使得能够相对于平移差的敏感性来独立地调整对相邻的关注区域之间的倾斜差的敏感性。

在本发明的简单实施例中，光输入部、掩模、无焦光学系统、辐射分离器和图像检测器可按照波前传感器内的辐射传播方向以这个顺序布置。在这种情况下，掩模和图像检测器可通过辐射分离器由无焦光学系统光学共轭。该实施例尤其简单，并且集合了所提及的所有优点。

例如，掩模可适于根据分布光输入部内的这些关注区域的六边形网来选择关注区域。随后，形成辐射分离器的衍射光栅是具有六边形图样的二维光栅，并且定向成使得衍射光栅的对称轴关于波前传感器的光轴与掩模的对称轴成90°。此类六边形配置适合凯克式望远镜的反射镜区段的形状，以及纤维激光源的紧凑布置。

优选地，掩模可使得任何两个相邻的关注区域具有同一个形状和同一个尺寸，并且被位于这两个相邻的关注区域之间的掩模的阻挡区域分离，而且这个阻挡区域大到足以包含与两个相邻的关注区域中的每个的形状相同并且与后者的尺寸相同的形状。那么，检测器形成有与两个关注区域对应的干涉图样的表面部分被零照射的圆围绕。换言之，检测器的表面被干涉图占据的部分在无重叠的情况下彼此分离，这促进自动检测和分析由检测器捕获的整个图像中的每个干涉图。

依靠本发明，确定平移差和倾斜差比较简单，并且可快速且低成本地实施。例如，处理模块可包括存储的参考图样的库，存储的参考图样各自由平行的直线干涉条纹构成，每个参考图样与平移差的值和倾斜差的值相关联。随后通过搜索与两个相邻的关注区域对应的干涉图样与存储的参考图样中的一个之间的最大重合来推断这两个关注区域之间存在的平移差和倾斜差的值。这样搜索最大重合可包括将照射或光强度规模校正应用于干涉图样和/或每个参考图样。随后估计重合得分并且将所估计的重合得分与针对相同干涉图样获取的得分值进行比较，但将所述相同干涉图样与来自库中的其他参考图样进行比较。

一般而言，处理模块可适于从与两个相邻的关注区域对应的干涉图样中存在的横向条纹位移中推断出这两个关注区域之间存在的平移差的值。另外，可从干涉图案中存在的条纹间间距中推断出两个关注区域之间存在的倾斜差的值。

此外，根据本发明的波前传感器还可包括光谱分离系统，所述光谱分离系统适于将由光输入部接收的光辐射的至少两个光谱分量彼此分离。波前传感器则适于针对每个光谱分量来单独捕获由叠加的子射束产生的干涉图样，并且适于从针对这个光谱分量捕获的干涉图样确定每个光谱分量的平移差和倾斜差。例如，光谱分离系统可属于空间分离类型，以用于将光谱分量引导到波前传感器的相应的独立光路。或者，光谱分离系统可具有根据波长而可变时移，并且由不同光谱分量形成的干涉图样在不同时刻被捕获。

最终，根据本发明的波前传感器的掩模和辐射分离器可通过空间光调制器一起形成。此类实施例是有利的，因为它简单并且能够适应需求。当辐射分离器包括衍射光栅时，尤其适合。

本发明的第二方面提出使用根据第一方面的波前传感器来确定能够产生干涉的光束的独立波前之间存在的平移差和倾斜差。为此，本发明的方法包括：

-提供基于干涉的波前传感器；

-使用在波前传感器的光输入部中相邻的关注区域将每个光束引导到不同的关注区域上；以及

-激活图像检测器和处理模块，以确定被引导到相邻的关注区域上的光束的独立波前之间存在的平移差和倾斜差。

依靠本发明，可在不使用任何额外参考波的情况下确定光束之间存在的平移差和倾斜差。因此，本方法实施起来比较简单，而不需要专用于生成和引入此类参考波的光学部件。

可以使用此方法来调整凯克式望远镜的反射镜区段。在这种情况下，光束由辐射源产生，所述辐射源布置成使得辐射由反射镜的并置区段同时反射。对于反射镜的每个区段，辐射被这个区段反射的部分则形成光束，所述光束被引导到光输入部的关注区域中的一个上。对于此应用而言，本方法还包括计算反射镜的两个相邻区段之间存在的高度差和倾斜度差。从针对对应的光束确定的平移差和倾斜差的值计算这些高度差和倾斜度差。

根据本发明的第二方面的方法还可用于调整分别由独立激光源(尤其是纤维激光源)产生的光束的相位。当激光源属于脉冲激光器类型时，辐射分离器有利地包括衍射光栅。对于这个另外的应用而言，本方法还包括计算由两个不同激光源产生的辐射的脉冲之间存在的时间差和传播方向差，所述不同激光源的射束被引导到两个相邻的关注区域上。从针对射束确定的平移差和倾斜差的值中计算这些时间差和传播方向差。

通过下文参照附图对非限制性性实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：

-图1是单一空间维度的示意图，其示出由本发明提出的掩模的功能；

-图2a和图2b分别表示由根据本发明的波前传感器产生的掩模和对应图像；

-图3是根据本发明的波前传感器的光学图，所述波前传感器用于对由若干激光源产生的光束进行相位调整；以及

-图4a和图4b是根据本发明的两个其他波前传感器的相应光学图，所述波前传感器用于调整凯克式望远镜的反射镜区段。

为清楚起见，附图中表示的不同元件的尺寸并不对应于实际尺寸或实际尺寸关系。另外，不同图中给出的相同附图标记指代相同元件或具有相同功能的那些元件。

图1中使用的附图标记具有下列含义：

Δ 波前传感器的光轴

10 波前传感器的光输入部

11 具有独立开口的掩模

12 衍射光栅

13 图像检测器的表面

14 处理模块，标记为CPU

F₀ 初始光束

F₁、……、F₄ 初始射束F₀内所选择的射束

F’₁、F”₁ 源自射束F₁的子射束

F’₂、F”₂ 源自射束F₂的子射束

F’₃、F”₃ 源自射束F₃的子射束

F’₄、F”₄ 源自射束F₂的子射束

S₀ 初始波前

ZI₁、……、ZI₄ 关注区域

P₁₂、P₂₃、P₃₄ 图像检测器的表面的部分

p 初始波前S₀的区域中存在的平移

i 初始波前S₀的区域中存在的倾斜

光输入部10、掩模11、衍射光栅12和图像检测器13垂直于光轴Δ布置。掩模11布置在光输入部10中，或者沿着光轴Δ布置在所述光输入部10的后面。掩模11中彼此分离的开口确定光输入部10中称为关注区域并且标记为ZI₁、……、ZI₄的多个区域。首先，可假设初始射束F₀是单色的，并且基本上平行于光轴Δ传播。其穿过光输入部10的初始波前S₀可具有基本上任何形状，其中具有平行于光轴Δ的平移变化以及相对于垂直于光轴Δ的平面的倾斜变化。因此，掩模11的开口只允许源自初始射束F₀的分离射束F₁、……、F₄穿过。射束F₁、……、F₄再现波前S₀的某些部分，诸如，分别包含在掩模11的开口中的那些部分。

在图1中具有一维的简单情况下，衍射光栅12从射束F₁、……、F₄的每个中产生两个子射束，所述子射束对称地衍射并且分别对应于衍射级数的值+1和-1。在图1中，在一个方向上画影线的子射束对应于衍射级+1，并且在另一方向上画影线的那些子射束对应于衍射级-1。根据本发明，图像检测器13的表面(下文中简单地称为图像检测器13)定位成在其相同部分接收衍射级+1的子射束和衍射级-1的另一子射束两者(源自由掩模11的相邻开口确定的两个射束)。因此，图像检测器13的部分P₁₂接收叠加的子射束F”₁和F’₂。类似地，检测器的部分P₂₃接收叠加的子射束F”₂和F’₃，并且部分P₃₄接收子射束F”₃和F’₄。掩模11防止检测器部分P₁₂、P₂₃和P₃₄接收初始射束F₀介于关注区域ZI₁与ZI₂、ZI₂与ZI₃、ZI₃与ZI₄之间中间的部分。可忽略大于+1或小于-1的衍射级。在实践中，通过为衍射光栅12选择合适的元件配置，可显著减小或抵消这些级的光强度。在检测器13的部分中的每个中，叠加的两个子射束产生干涉图样。通过将包含在关注区域ZI₁、……、ZI₄的一个中的初始波前S₀的每个部分比作沿着光轴Δ的可能偏移并且可能倾斜的平面部分，那么每个检测器部分P₁₂、P₂₃、P₃₄中的干涉图样由平行条纹构成。现在，对于单色的初始射束F₀，并且当对于这些干涉图样中的一个倾斜差为零时，中央条纹相对于子射束的光轴的相移等于Δp·F/λ，其中λ是波长，Δp是在讨论的检测器部分中产生干涉的两个子射束所源自的初始波前S₀的部分之间存在的绝对平移差，并且F是干涉图样的条纹间间距。但在实践中，由于初始射束F₀的单色性质，只能测量残余平移差。

对于在检测器部分P₁₂、P₂₃、P₃₄的一个中产生干涉图样的两个子射束而言，倾斜差Δi是棱柱的顶点处由与初始波前S₀包含在讨论的关注区域中的两个部分相切的平面形成的角。这个倾斜差Δi随后与在检测器的部分中形成干涉的子射束的倾斜度差组合。这个角度的组合只有在倾斜差的棱柱的顶点的方向与包含两个子射束的传播方向的平面垂直时才比较简单。组合便是角的添加，并且包含子射束的传播方向的平面的干涉条纹的空间频率的变化(根据检测器的表面上的轨迹测量的)便等于倾斜差Δi除以波长。在倾斜差的棱柱的顶点的方向相对于两个子射束的传播方向的平面的任何定向的情况下，本领域的技术人员将使用B·土伦的上述论文中给出的数学公式。因此，可以从两个波由图像检测器捕获的干涉图样中推断出倾斜差和它们的定向差。干涉图样总体上也提供冗余，所述冗余可用来提高确定平移差、倾斜差以及倾斜差的定向的准确性。

图2a和图2b示出刚才描述的本发明的操作的二维实施方式。图2a是具有与Z₁、……、Z₄不同的关注区域的掩模11的正视图，所述关注区域一般标记为ZI。关注区域ZI因此由形成掩模11的不透明板中布置的开口确定。当掩模11位于光输入部10中时，关注区域与掩模的开口合并。两个相邻的关注区域ZI被掩模的不透明中间区段彼此分离。这个中间区段的宽度至少等于两个相邻的关注区域中的每个的尺寸。优选地，关注区域ZI分布在常规六边形网中，其中A₁₁是对称轴中的一个或者掩模11的成六阶对称的关注区域的对齐主轴。关注区域ZI可以是圆形的，其中，区域尺寸足以忽略由这些关注区域产生的光衍射。例如，关注区域ZI可各自具有50μm(微米)的直径，并且两个相邻的关注区域的几何中心可相距110μm。在这种情况下，衍射光栅12也是常规六边形，但是其中，它的对称轴中的一个A₁₂在两个轴A₁₁和A₁₂投影在与光轴Δ垂直的同一个平面中时垂直于轴A₁₁。

图2b示出由用于图2a中的掩模11的检测器13捕获的完整图像，其中检测器的表面的部分单独专用于相邻的关注区域ZI对。除了参考图1个别呈现的部分P₁₂、P₂₃和P₃₄之外，检测器13的表面的这些部分一般表示为P。对于部分P中的一些，也通过图示示出由平行条纹形成的干涉图样。当然，类似的干涉图样存在于所有部分P中。可忽略具有两个以上波的多余干涉以及每个关注区域ZI内的初始波前S₀的倾斜变化。

对由检测器13捕获的图像的分析可通过自动检测包含干涉图的部分P来开始。此自动检测由部分P是独立的这个事实促进，即，其中，相邻部分之间没有重叠并且中间区段不接收两个相邻部分P之间的任何光通量。部分P的自动检测也由检测器13的表面上的部分P的位置和形状的先验知识促进。

每个干涉图的独立处理可采用很多方式来实施，以便获取平移差和倾斜差的值。尤其快速且不需要大量处理能力的方法包括：将部分P中包含的每个干涉图与最初存储的具有两个平面波且平移差和倾斜差的值已知的干涉图样进行比较。因此，此方法通过比较图像的内容进行，并且对于由平行条纹形成的图像而言非常有效。此方法相对于图像中可能存在的伪像也比较稳健，诸如，具有两个以上波的多余干涉、每个关注区域内的倾斜变化以及多余衍射的效应。通过已知方式，图像比较方法通常包括初始步骤，在初始步骤期间，对于所比较的两个图像，将图像的亮度的平均值和标准差设置成相同值。为此，可将仿射尺度变换应用到所比较的两个图像中的至少一个的照度值。随后计算两个图像的重合得分。随后最初提供具有两个波的干涉图样的库，所述库通过平移差和倾斜差的值进行索引，并且也可由倾斜差的角定向值进行索引。在本发明的一般描述中，提前存储的此类干涉图样已被称为参考图样。对于由检测器13捕获的完整图像的每个干涉图，平移差和倾斜差的值以及可选地倾斜差的角定向因而是包含在库中重合得分最高的参考图样的那些。可替代地，当将可变旋转应用到干涉图或参考图样时，可从每个干涉图与每个参考图样的比较中推断出倾斜差的角定向。

图3示出使用根据本发明的波前传感器以实现由一组纤维激光源1000产生的光束的相干合成。激光源1000能够造成彼此的干涉，并且平行地布置以使得光纤的输出部分基本上全都布置在与光轴Δ垂直的同一个平面中。每个光纤配备有输出透镜，以使得源自该光纤的光束准直。因而产生独立激光束的光纤的数量是无限的，并且例如，可以达到几十万的量级。激光源1000的所有独立射束都进入光输入部10中，基本上平行于光轴Δ。掩模11具有至少与激光源1000的数量一样多的开口。单个光纤因而被引导到掩模11专用于其的开口中，并且有利的是尽可能使用相邻、成组的开口。光纤的横向分布可以在六边形网中，使得可使用参照图2a和图2b描述的掩模11和光栅12。因此，源自光纤的激光束分别对应于先前引入的光束F₁、……、F₄、……。附图标记101和102表示两个会聚透镜，其中，它们的焦距分别标记为f₁和f₂。它们布置成一起形成由附图标记100表示的无焦光学系统。换言之，透镜101的图像焦点叠加在透镜102的主焦点上。两个透镜101和102具有足够的横向延伸，以包含源自光纤的所有射束。另外，图像检测器13的表面沿着光轴Δ放置，以通过两个透镜101和102与掩模11光学共轭。例如，掩模11可位于透镜101的主焦点的水平面，并且图像检测器13的表面可位于透镜102的图像焦点的水平面。衍射光栅12可插入到透镜102与图像检测器13的表面之间。其沿着光轴Δ的确切位置调整成使得检测器13的部分P均是掩模11的两个相邻开口的图像的叠加。在波前传感器的此类配置中，部分P形成具有空隙的六边形网，其空隙与在不存在光栅12时掩模11中的开口的图像将所在的位置一一对应。图2a和图2b示出这样的对应关系。因此，当所有的纤维激光源1000是具有同一个共同波长的单色时，根据本发明的波前传感器的此类实施例使得能够确定相邻光纤之间存在的平移差和倾斜度差。

另外，无焦光学系统100的放大倍率使得能够针对倾斜差来调整波前传感器的敏感性，而无需改变它对平移差的敏感性。这种对倾斜差的敏感性改变得自古伊(Gouy)定理。为无焦光学系统100的放大倍率选择低值(具体地小于一的放大倍率值)使得能够获得更适合于准确测量倾斜差的波前传感器。

图3的实施例的具体情况是激光源1000属于脉冲类型，各个激光源用于传递非常短的辐射脉冲，例如，大约皮秒量级或更少。假设源自不同激光源的脉冲之间可能存在的倾斜差已经在其他地方得到补偿或校正。由于下列事实：对于使用衍射光栅的实施方式，条纹间间距不依赖于波长，所以检测器13的部分P中的一个内的每个干涉图样仍由根据定义的条纹间间距分离的条纹形成。对于分析的每个波长，可从对应干涉图样的中间条纹的侧向位移中推断出残余平移差。然而，本发明对脉冲调制体制的这种应用的目的实际上是找到在脉冲的共同传播方向上测量到的源自不同源的脉冲之间存在的绝对平移差。对于源自相邻源的两个脉冲，后者之间存在的绝对平移差等于为用于检测的每个波长确定的残余平移差加上这个检测波长的整数倍。通过针对至少两个不同的波长同时测量平移差，可以解决此不确定性。因此可以确定源自相邻激光源的两个脉冲之间的绝对平移差，用来形成干涉图样的波长越接近，所述绝对平移差越大。使用在两个不同波长附近非常窄的两个光谱间隔在多数情况下是足够的。

这种在多个波长处的测量可通过适当的光谱滤波以选择辐射与不同光谱间隔对应的分量并且通过将辐射的每个经滤波的分量引导到波前传感器的独立路径来获得。可替代方法可包括通过形成根据构成脉冲的光谱分量的频率改变的时移在延长的持续时间上扩展每个脉冲。这种光谱-时间(spectro-temporal)的扩展方法是本领域的技术人员已知的。当在扩展脉冲的延长持续时间内的不同时刻实现时，根据本发明的波前分析便可以在不同波长处实施。为此，多个独立的波前传感器路径仍可平行地提供，并且在不同时刻激活。

图4a和图4b示出根据本发明的波前传感器用于测量凯克式望远镜的反射镜的相邻区段之间可能存在的高度差和倾斜度差的另一应用。根据将通过这种方式测量的差，可重新调整反射镜的区段的相对位置，使得由整个反射镜上的反射产生的波前没有梯级或斜率的突然变化。

在图4a中，附图标记101和102还表示形成第一无焦光学系统的两个会聚透镜。同时，透镜101与会聚照明透镜103形成第二无焦光学系统，其焦距标记为f₃。射束分离器104使得能够将照射路径和输出路径与同一个光学测试路径耦合。照射路径包括激光源2100和透镜103。由源2100产生的光束F₀通过射束分离器104而被引导到光学测试路径中。光学测试路径包括透镜101、掩模11、发散透镜2200和测试反射镜，所述测试镜由参考编号2000表示。反射镜2000由所有并置的反射镜区段2001、2002、2003等构成。这些反射镜区段在六边形网络中并置，以使用诸如如上所述的掩模和衍射光栅。发散透镜2200经过选择并且相对于反射镜2000放置，以在不考虑独立区段2001、2002、2003等的相对位置中的任何缺陷时与之结合产生相当于平面镜的光学功能。本发明的本应用的目的包括确定相对位置中的这些缺陷。根据反射镜2000，发散透镜2200可以部分为圆柱形。输出路径包括透镜102、衍射光栅12和图像检测器13。

在图4a的波前传感器中，掩模11位于透镜101与透镜2200之间。所述掩模被设计成具有选择源自相应主要反射镜区域2001、2002、2003等的光束F₁、F₂等的开口，并且阻挡光束F₀将照射反射镜2000的相邻区段之间存在的分离间隙的部分。事实上，为了实现这种波前传感器，对于射束F₀由反射镜的所有区段反射并且在图4a中从右到左传播的部分，可考虑使光输入部10位于掩模11的水平面处。光学测试路径和输出路径一起构成与图3中所示的波前传感器组件类似的波前传感器组件。

测量检测器13的每个部分P中包含的干涉图的条纹间间距会提供对应光束F₁、F₂等之间的倾斜差，并且然后通过反射镜区段的相邻对来提供对应反射镜区段2001、2002等之间存在的倾斜度差。当源2100为单色时，每个干涉图的中央条纹的位置使得能够确定由两个相邻的反射镜区段反射的光束之间存在的残余平移差。至少两个不同波长的使用也使得能够获取绝对平移差，并且然后通过相邻反射镜区段对来确定反射镜2000的所有区段之间存在的高度差。

图4b中的图示是图4a中的应用的变体，该变体用于获取可在凯克式望远镜的安装地点实施的本发明的应用。附图标记2000指代凯克式望远镜具有反射镜区段2001、2002、2003等的主镜。附图标记3000指代望远镜的副镜，例如，在望远镜具有两个镜的情况下。透镜105具有准直功能并且形成波前传感器的光输入部。在波前传感器的此变体中，掩模11和衍射光栅12可以并排，并且通过无焦系统100与图像检测器13光学共轭。它们还与反射镜2000光学共轭。用于对反射镜区段2001、2002、2003等的高度差和倾斜度差进行表征的辐射则可以直接是源自星星E并且到达主反射镜2000的光束F₀。掩模11还设计成阻挡射束F₀到达主反射镜2000在相邻反射镜区段之间的中间间隙中的水平面的部分和在反射镜区段的周边部分中的部分。

应理解，本发明可在相对于上述描述修改实现方式的多个细节并且仍保留上述优点中的至少一些时再现。在可能的修改之中，以下是非限制性的：

-辐射分离器可由反射镜而不是衍射光栅构成；

-由掩模限定的关注区域的分布网可以是正方形或其他，而不是六边形。衍射光栅的图样可相应地调整；

-通过光学等效，构成波前传感器的光学部件的顺序可修改。具体地，掩模、光栅和无焦光学系统可在遵循波前传感器内的辐射的传播方向的同时按照不同顺序布置；

-无焦光学系统可具有与已经描述的具有两个会聚透镜的结构不同的结构；

-通过景深效果，掩模可沿着波前传感器的光轴偏移较大程度，同时在捕获的图像中保持依然几乎相同的效果；以及

-除了已经描述的那些应用之外，根据本发明的波前传感器可用于许多应用。

Claims (14)

1.一种基于干涉的波前传感器，包括：

-光输入部(10)，旨在接收具有延伸通过所述光输入部的初始波前(S₀)的光辐射；

-辐射分离器，布置成从分别源自所述光输入部(10)内的受限区域的光束(F₁、F₂)来针对每个光束产生至少两个子射束(F’₁、F”₁、F’₂、F”₂)，每个子射束再现存在于所对应的受限区域中的所述初始波前(S₀)的特性；

-光路，布置成叠加分别源自所述光输入部(10)内的两个不同受限区域并且各自经由不同光路传递的两个子射束(F”₁、F’₂)；

-至少一个图像检测器(13)，布置为捕获由所叠加的子射束(F”₁、F’₂)产生的干涉图样；

-处理模块(14)，适于从所述干涉图样确定所叠加的子射束所源自的受限区域之间的所述初始波前(S₀)存在的平移(p)差和倾斜(i)差；以及

-掩模(11)，所述掩模(11)适于借助所述掩模中的开口来选择所述光输入部(10)内分离的关注区域(ZI)作为受限区域，通过至少部分地阻挡所述关注区域的外部的初始波前(S₀)或者通过至少部分阻挡非源自所述关注区域的光束，使得所述图像检测器(13)的独立部分(P)分别专用于在所述光输入部内相邻的关注区域对，

所述波前传感器的特征在于，所述掩模(11)和所述辐射分离器由空间光调制器一起形成。

2.根据权利要求1所述的波前传感器，其中，所述辐射分离器包括衍射光栅(12)。

3.根据权利要求2所述的波前传感器，布置成使得由所述衍射光栅(12)针对每个光束(F₁、F₂)产生的所述子射束(F’₁、F”₁、F’₂、F”₂)对应于一个或多个衍射级数的值+1和-1。

4.根据权利要求1所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)和所述图像检测器(13)光学共轭。

5.根据权利要求1所述的波前传感器，还包括无焦光学系统(100)，所述无焦光学系统(100)布置在所述光输入部(10)与所述图像检测器(13)之间的辐射路径上，以通过所述光输入部内的相似空间有效缩放，相对于由所述图像检测器捕获的所述干涉图样来变换所述初始波前(S₀)。

6.根据权利要求2所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)适于根据所述光输入部(10)内的所述关注区域的六边形分布网来选择所述关注区域(ZI)，并且所述衍射光栅(12)是具有六边形图样的二维光栅，并且定向成使得所述衍射光栅的对称轴和所述掩模(11)的成六阶对称的关注区域的对齐主轴在与所述波前传感器的光轴(Δ)垂直的平面中成90°。

7.根据权利要求1所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)使得任何两个相邻的关注区域(ZI)具有同一个形状和同一个尺寸，并且被所述掩模位于所述两个相邻的关注区域之间的阻挡区域分离，所述阻挡区域大到足以包含与所述两个相邻的关注区域中的每个的形状相同并且与所述两个相邻的关注区域的尺寸相同的形状。

8.根据权利要求1所述的波前传感器，其中，所述处理模块(14)包括所存储的参考图样的库，所述参考图样各自由平行的直线干涉条纹构成，每个参考图样与所述平移差的值和所述倾斜差的值相关联，

以及其中，两个相邻的关注区域(ZI)之间存在的所述平移差和所述倾斜差的值通过搜索与所述两个关注区域对应的干涉图样与所存储的参考图样中的一个之间的最大重合来推断。

9.根据权利要求1所述的波前传感器，其中，所述处理模块(14)适于

从与两个相邻的关注区域(ZI)对应的所述干涉图样中存在的横向条纹位移来推断所述两个相邻的关注区域(ZI)之间存在的所述平移(p)差的值，以及

从与两个相邻的关注区域(ZI)对应的所述干涉图样中存在的条纹间间距推断所述两个相邻的关注区域(ZI)之间存在的所述倾斜(i)差的值。

10.根据权利要求1所述的波前传感器，还包括：

-光谱分离系统，适于将由所述光输入部(10)接收的所述光辐射的至少两个光谱分量彼此分离，

并且所述波前传感器适于针对每个光谱分量单独捕获由所叠加的子射束(F”₁、F’₂)产生的干涉图样，并且适于从针对所述光谱分量捕获的干涉图样确定每个光谱分量的平移(p)差和倾斜(i)差。

11.一种用于确定能够产生干涉的光束(F₁、F₂)的独立波前之间存在的平移(p)差和倾斜(i)差的方法，所述方法的特征在于包括下列步骤：

-提供根据权利要求1至10中任一项所述的基于干涉的波前传感器；

-使用在所述波前传感器的所述光输入部(10)中相邻的关注区域将每个光束(F₁、F₂)引导到不同的关注区域(ZI)上；以及

-激活所述图像检测器(13)和所述处理模块(14)，以确定光束(F₁、F₂)被引导到相邻的关注区域(ZI)上的独立波前之间存在的平移(p)差和倾斜(i)差。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光束(F₁、F₂)由辐射源(2100)产生，所述辐射源(2100)布置成使得所述辐射被反射镜(2000)的并置区段(2001、2002)同时反射，

并且对于所述反射镜的每个区段(2001、2002)，所述辐射由所述反射镜的区段反射的部分形成所述光束(F₁、F₂)，所述光束(F₁、F₂)被引导到所述光输入部(10)的所述关注区域(ZI)中的一个上，

以及所述方法还包括从针对所对应的光束确定的所述平移(p)差和所述倾斜(i)差的值计算两个相邻区段(2001、2002)之间存在的高度差和倾斜度差。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光束(F₁、F₂)分别由独立的激光源(1000)产生，具体为纤维激光源。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述激光源(1000)属于脉冲激光器类型并且所述波前传感器根据权利要求2，

并且所述方法还包括从针对所述光束确定的平移(p)差和倾斜(i)差的值计算由两个不同的激光源产生的辐射脉冲之间存在的时间差和传播方向差，所述激光源的所述光束(F₁、F₂)被引导到两个相邻的关注区域(ZI)上。