CN107764413B - 一种波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波前传感器，包括液晶透镜结构和与所述液晶透镜结构相对设置的图像传感器，其中所述液晶透镜结构用于：当入射光通过时，将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。利用液晶分子能够在电压控制下产生偏转，形成液晶透镜结构的原理，通过设置液晶透镜结构，该波前传感器不但能够进行光束的波前状态检测，还具备了检测偏振像差的功能。

Description

一种波前传感器

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，尤其是指一种波前传感器。

背景技术

波前传感器是自适应光学系统的重要组成部分，用来实时检测光学系统的波前畸变。目前市场上流行的波前传感器主要分为以下三种：剪切干涉仪、Shack-Hartmann(SH-WFS)波前传感器和曲率波前传感器。其中，SH-WFS因其光能利用率高、结构紧凑、适用波长范围广等优点获得了最广泛的应用。

然而，传统的SH-WFS波前传感器是基于标量光学基础的，以光学系统能够均匀地传播所有偏振态的光线为检测前提。然而对于实际光束传输来说，对于有大角度入射光以及工作在宽光谱范围内的系统，上述假设并不成立，偏振引起的像差已经成为影响系统性能的一个重要因素，而现有技术的SH-WFS波前传感器并不具备检测偏振像差的功能，因此不能够获得理想的检测效果。

发明内容

本发明技术方案的目的是提供一种波前传感器，解决现有技术波前传感器不能检测偏振像差的问题。

本发明提供一种波前传感器，其中，包括液晶透镜结构和与所述液晶透镜结构相对设置的图像传感器，其中所述液晶透镜结构用于：当入射光通过时，将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述液晶透镜结构包括多个阵列排布的子透镜，以所述子透镜直径为边长的正方形的面积的总和等于整数倍的所述图像传感器的成像平面的面积。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述液晶透镜结构还用于：使所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在所述图像传感器的会聚成像范围位于同一个宏像素中。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述液晶透镜结构还用于：使所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在所述图像传感器的会聚成像范围位于不同的宏像素中。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述液晶透镜结构包括：

第一液晶透镜单元，用于平行于所述图像传感器的成像平面形成多个依次排列的第一子透镜，使得入射光通过所述第一子透镜时，分割为一波前阵列，且使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前会聚至所述图像传感器的成像平面，偏振分量为第二方向的波前仍以原方向传输；

第二液晶透镜单元，用于平行于所述图像传感器的成像平面形成多个依次排列的第二子透镜，使得波前阵列通过所述第一子透镜之后，通过第二子透镜时，偏振分量为第二方向的波前会聚至所述图像传感器的成像平面，偏振分量为第一方向的波前仍以原方向传输。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第二子透镜与所述图像传感器之间的距离小于所述第一子透镜与所述图像传感器之间的距离，且所述第一子透镜与所述第二子透镜一一对应设置，所述第一子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第一宏像素，相对应所述第二子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第二宏像素，其中所述第一宏像素与所述第二宏像素包括相同的像素单元。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述波前传感器还包括第一控制结构，用于使在不同时刻，所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第二子透镜与所述图像传感器之间的距离小于所述第一子透镜与所述图像传感器之间的距离，且所述第一子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第一宏像素，所述第二子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第二宏像素，所述第一宏像素与所述第二宏像素分别包括不同的像素单元，同时多个所述第一宏像素与多个所述第二宏像素为交错排列。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述波前传感器还包括第二控制结构，用于使得所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，同时在所述图像传感器上会聚成像。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第一液晶透镜单元与所述第二液晶透镜单元相贴合连接，且所述第一液晶透镜单元与所述图像传感器的成像平面之间的距离为f，所述第二液晶透镜单元与所述图像传感器的成像平面之间的距离为f-d，其中f为所述第一子透镜的焦距，d为所述第二液晶透镜单元的厚度，且所述第二子透镜的焦距为f-d。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第一液晶透镜单元与所述第二液晶透镜单元相贴合连接，且所述液晶透镜结构平行于所述图像传感器的成像平面的竖直中心面与所述图像传感器的成像平面之间的距离为f，所述第一子透镜和所述第二子透镜的焦距均为f。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述波前传感器还包括：

用于向所述第一液晶透镜单元输入控制电压，形成多个所述第一子透镜的第一电路；

用于向所述第二液晶透镜单元输入控制电压，形成多个所述第二子透镜的第二电路；

其中，所述第一电路和所述第二电路连接为一个电路或者为分离的不同电路。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述波前传感器还包括：

位移驱动结构，用于驱动所述液晶透镜结构或者所述图像传感器移动，调整所述液晶透镜结构与所述图像传感器之间的距离。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第一液晶透镜单元和所述第二液晶透镜单元分别包括：

相对设置的两个玻璃基板；

设置于两个玻璃基板之间的液晶层；

分别设置于所述液晶层的相对两侧的第一电极层和第二电极层；

在所述第一电极层靠近液晶层一侧上设置的第一取向层；

在所述第二电极层靠近液晶层一侧上设置的第二取向层；

其中通过在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加电压，所述液晶层的液晶分子产生偏转，形成多个所述第一子透镜或者多个所述第二子透镜。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第一电极层与所述第二电极层中的至少一个为环形电极。

优选地，上述所述的波前传感器，其中，所述第一液晶透镜单元中，所述第一取向层和所述第二取向层的方向分别为第一方向；所述第二液晶透镜单元中，所述第一取向层和所述第二取向层的方向分别为第二方向。

本发明具体实施例上述技术方案中的至少一个具有以下有益技术效果：

本发明实施例所述波前传感器，利用液晶分子能够在电压控制下产生偏转，形成液晶透镜结构的原理，通过设置液晶透镜结构，使得波前阵列中的每一波前，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在图像传感器上成像，通过比较偏振分量为第一方向的波前分布与偏振分量为第二方向的波前分布，即能够判断出波前传感器所检测光束是否存在偏振像差，使得包括上述结构的波前传感器，不但能够进行光束的波前状态检测，还具备了检测偏振像差的功能。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述波前传感器的结构构成示意图；

图2为说明第一液晶透镜单元和第二液晶透镜单元的焦距，分别与图像传感器之间距离的关系的示意图；

图3a为表示第一液晶透镜单元和第二液晶透镜单元所形成子透镜与相对应宏像素之间关系的示意图图3b为表示第一液晶透镜单元和第二液晶透镜单元所形成子透镜与相对应宏像素之间关系的示意图；

图4为第二实施例所述波前传感器中，液晶透镜结构所包括的第一液晶透镜单元的构成结构示意图；

图5为第二实施例所述波前传感器中，液晶透镜结构所包括的第二液晶透镜单元的构成结构示意图；

图6为第二实施例所述波前传感器中，整个所述液晶透镜结构的结构示意图；

图7为第三实施例所述波前传感器中，液晶透镜结构所包括的第一液晶透镜单元的构成结构示意图；

图8为第三实施例所述波前传感器中，液晶透镜结构所包括的第二液晶透镜单元的构成结构示意图；

图9为第三实施例所述波前传感器中，整个所述液晶透镜结构的结构示意图；

图10a至图10c用于表示第二实施例中，第一子透镜、第二子透镜与成像平面之间关系的结构示意图；

图11a至图11d用于表示第三实施例中，第一子透镜、第二子透镜与成像平面之间关系的结构示意图；

图12为第三实施例中，第一子透镜与第二子透镜之间的排列结构实施例示意图之一；

图13为第三实施例中，第一子透镜与第二子透镜之间的排列结构实施例示意图之二。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供一种波前传感器，包括液晶透镜结构和与所述液晶透镜结构相对设置的图像传感器，其中所述液晶透镜结构用于：当入射光通过时，将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。

本发明实施例所述波前传感器，利用液晶分子能够在电压控制下产生偏转，形成液晶透镜结构的原理，通过设置液晶透镜结构，使得波前阵列中的每一波前，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在图像传感器上成像，通过比较偏振分量为第一方向的波前分布与偏振分量为第二方向的波前分布，即能够判断出波前传感器所检测光束是否存在偏振像差，使得包括上述结构的波前传感器，不但能够进行光束的波前状态检测，还具备了检测偏振像差的功能。

较佳地，所述液晶透镜结构包括多个阵列排布的子透镜，以所述子透镜直径为边长的正方形的面积的总和等于整数倍的所述图像传感器的成像平面的面积。

另一方面，本发明实施例所述波前传感器，利用液晶透镜结构的液晶分子在不同电压参数控制下的偏转状态不同，所形成透镜的焦距不同，本发明实施例所述波前传感器还具备了电控调焦的功能，用于检测不同焦距下光束波前状态，因此进一步保证对光束的光学性质的系统、全面检测，获得理想的检测效果。

较佳地，所述波前传感器还包括位移驱动结构，用于驱动液晶透镜结构或者图像传感器移动，调整液晶透镜结构与图像传感器之间的距离。

通过位移驱动结构输出控制信号，使液晶透镜结构与图像传感器之间的距离变化，以适应液晶透镜结构的焦距变化，保证不同焦距检测情况下，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前均能够会聚至图像传感器的成像平面。

第一实施例

图1为本发明第一实施例所述波前传感器的结构构成示意图。参阅图1所示，本发明第一实施例所述波前传感器，包括液晶透镜结构100和与液晶透镜结构100相对设置的图像传感器200，其中，所述液晶透镜结构100包括：

第一液晶透镜单元110，用于平行于图像传感器200的成像平面形成多个依次排列的第一子透镜，使得入射光通过第一子透镜时，分割为一波前阵列，且使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前会聚至图像传感器200的成像平面，偏振分量为第二方向的波前仍以原方向传输；

第二液晶透镜单元120，用于平行于图像传感器200的成像平面形成多个依次排列的第二子透镜，使得波前阵列中的每一波前通过所述第一子透镜之后，通过第二子透镜时，偏振分量为第二方向的波前会聚至所述图像传感器的成像平面，偏振分量为第一方向的波前仍以原方向传输；

其中所述第二方向垂直于所述第一方向。

本发明实施例所述波前传感器，利用液晶分子能够在电压控制下产生偏转，形成液晶透镜结构，使所通过光束的传输方向变化的原理，设置第一液晶透镜单元只用于使偏振分量为第一方向的波前会聚至图像传感器，获取偏振分量为第一方向的波前分布；设置第二液晶透镜单元只用于使偏振分量为第二方向的波前会聚至图像传感器，获取偏振分量为第二方向的波前分布；通过比较偏振分量为第一方向的波前分布与偏振分量为第二方向的波前分布，即能够判断出波前传感器所检测光束是否存在偏振像差，使得包括上述结构的波前传感器，不但能够进行光束的波前状态检测，还具备了检测偏振像差的功能。

进一步地，利用液晶分子在不同电压参数控制下的偏转状态不同，所形成透镜的焦距不同，本发明实施例所述波前传感器还具备了电控调焦的功能，通过使第一液晶透镜单元和第二液晶透镜单元输入的控制电压不同，用于检测不同焦距下光束波前状态，因此进一步保证对光束的光学性质的系统、全面检测，获得理想的检测效果。

本发明实施例中，较佳地，第一液晶透镜单元110所形成的多个第一子透镜的焦距f与第二液晶透镜单元120所形成多个第二子透镜的焦距f相同，且图像传感器200的成像平面与液晶透镜结构100之间的距离为f，也即等于第一子透镜和第二子透镜的焦距。

此外，第一液晶透镜单元110与第二液晶透镜单元120相贴合连接。可以理解的是，由液晶层构成的液晶透镜单元的厚度较小，相对于第一子透镜和第二子透镜的焦距来说，第一液晶透镜单元110与第二液晶透镜单元120的厚度可以忽略。

因此当图像传感器200的成像平面与液晶透镜结构100水平方向上的中心面之间的距离为f时，第一液晶透镜单元110、第二液晶透镜单元120分别到图像传感器200的成像平面的距离近似为f，使得入射光经过第一液晶透镜单元110的第一子透镜被会聚时，能够在图像传感器200的成像平面成像；经过第二液晶透镜单元120的第二子透镜被会聚时，能够在图像传感器200的成像平面成像。

较佳地，为了使检测更加精确，且保证入射光通过液晶透镜结构100时，形成多个波前阵列，且波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前能够会聚至图像传感器200的成像平面，偏振分量为第二方向的波前同时也能够会聚至图像传感器200的成像平面，参阅图2所示，当第一液晶透镜单元110相较于第二液晶透镜单元120更远离图像传感器200，第二液晶透镜单元120的厚度为d，且第一液晶透镜单元110的焦距为f，与图像传感器200之间的距离也为f时，能够使偏振分量为第一方向的波前会聚至图像传感器200的成像平面；此时，第二液晶透镜单元120与图像传感器200之间的距离s为s＝f-d，当使第二液晶透镜单元120的焦距f1为f1＝f-d时，能够使偏振分量为第二方向的波前会聚至图像传感器200的成像平面。

可以理解的是，通过分别调节输入至第一液晶透镜单元110与第二液晶透镜单元120的电压，能够调节第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜与第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜的焦距。

因此，具体地，所述波前传感器还包括：

用于向所述第一液晶透镜单元110输入控制电压，形成多个所述第一子透镜的第一电路；

用于向所述第二液晶透镜单元120输入控制电压，形成多个所述第二子透镜的第二电路。

根据以上，当第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜、第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜的焦距均为f时，第一电路与第二电路所输入的控制参数可以相同，两者可以连接为一个电路；当第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜的焦距为f，第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜的焦距为f-d时，第一电路与第二电路所输入的控制参数不同，需要分别进行参数输入，两者为分离的不同电路。

结合图1所示，波前传感器包括驱动电路板300，通过数据线400分别与第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120相连接。驱动电路板300和相连接的数据线，构成为上述的第一电路和第二电路。具体地，驱动电路板300与图像传感器200相平行设置，且图像传感器200安装于驱动电路板300上。

进一步，波前传感器还包括：

电源接口500，用于连接电源；

数据线接口600，用于进行信号输入；

其中电源接口500和数据线接口600分别与驱动电路板300电连接。

较佳地，如图1所示，本发明第一实施例所述波前传感器还包括：

位移驱动结构700，用于驱动液晶透镜结构100或者图像传感器200移动，调整液晶透镜结构100与图像传感器200之间的距离。

通过位移驱动结构700输出控制信号，使液晶透镜结构100与图像传感器200之间的距离变化，以适应第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜和第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜的焦距变化，保证不同焦距检测情况下，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前均能够会聚至图像传感器200的成像平面。

进一步地，参阅图1，本发明实施例所述波前传感器还包括外壳800，形成一容纳空间，其中液晶透镜结构100、图像传感器200、驱动电路板300和位移驱动结构700均设置于外壳800所形成的容纳空间内。

上述结构第一实施例所述波前传感器，不但能够进行波前状态检测，还同时具备偏振像差检测功能和电控焦距的调节功能，使得光束光学性质的检测更加全面。

第二实施例

第二实施例所述波前传感器的总体结构，结合图1与第一实施例相同，所述波前传感器包括：液晶透镜结构100、与液晶透镜结构100相对设置的图像传感器200、驱动电路板300、数据线400、电源接口500、数据线接口600、位移驱动结构700和外壳800。

上述各构件的功能及相互之间的连接关系与第一实施例相同，在此不再赘述。

此外第二实施例所述波前传感器，提供了所述波前传感器中液晶透镜结构100的一种具体结构。第二实施例所述波前传感器中，液晶透镜结构用于：当入射光通过时，将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；此外还用于：使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在所述图像传感器的会聚成像范围位于同一个宏像素中；进一步所述波前传感器还包括第一控制结构，用于使在不同时刻，所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像。

与第一实施例相同，第二实施例中，液晶透镜结构100包括第一液晶透镜单元110，用于平行于图像传感器200的成像平面形成多个依次排列的第一子透镜1；还包括第二液晶透镜单元120，用于平行于图像传感器200的成像平面形成多个依次排列的第二子透镜2。

具体地，图10a表示出了第一子透镜1与图像传感器200的成像平面210之间的结构关系。图10b表示出了第二子透镜2与图像传感器200的成像平面210之间的结构关系。参阅图10a与图10b，多个第一子透镜1呈阵列排布，且平行于成像平面210依次连接排列；多个第二子透镜2也呈阵列排布，同样平行于成像平面210依次连接排列，也第一子透镜1与第二子透镜2的大小相同，一一对应地同轴心设置。图10c表示出了以多个第一子透镜1或多个第二子透镜2为边长形成各正方形的状态，通过比较显而易见地，该实施例中，分别以多个第一子透镜1和多个第二子透镜2为边长的正方形的面积的总和等于2倍的成像平面210的面积。

图3a和图3b表示了第二实施例中，第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜1与图像传感器200上相对应宏像素a1之间的对应关系，以及第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜2与图像传感器200上相对应宏像素b1之间的对应关系的两种不同结构形式。

根据图3b，第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜1，对应图像传感器200上的宏像素为a2；第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜2，对应图像传感器200上的宏像素为b2时，每一第一子透镜1与一第二子透镜2相对应，相对应的每一宏像素a2与一宏像素b2对应，其中宏像素b2的像素单元范围与宏像素a2的像素单元范围相同，因此能够使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在图像传感器200的会聚成像范围位于同一个宏像素中。

可以理解的是，由于制作工艺和装配精度的限定，第一子透镜1与第二子透镜2之间的相对位关系会存在一定误差，上述中所提及的宏像素a2与宏像素b2为包括相同的像素单元，含义是指宏像素a2与宏像素b2所包括像素单元的偏差位于几个像素单元之内，优选偏差为一个像素单元以内。也即是说，当宏像素a2与宏像素b2之间的像素单元偏差为小于预设数量的像素单元之内时，均可以认定为属于两个宏像素包括相同的像素单元。

具体地，第一子透镜1与一第二子透镜2之间装配存在偏差的形式可以参阅图3a所示，第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜1，对应图像传感器200上的宏像素为a1；第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜2，对应图像传感器200上的宏像素为b1时，每一第一子透镜1与一第二子透镜2相对应，相对应的每一宏像素a1与一宏像素b1对应，其中宏像素b1的范围稍小于宏像素a1的范围，且宏像素a1在图像传感器200上所包括的像素单元包括相对应宏像素b1在图像传感器200上所包括的像素单元，也即宏像素b1位于相对应宏像素a1所包括像素单元的范围之内。

采用该种设置方式，当第一液晶透镜单元110用于使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前在图像传感器200上成像，第二液晶透镜单元120用于使波前阵列中，偏振分量为第二方向的波前在图像传感器200上成像时，偏振分量为第一方向的波前在图像传感器200的宏像素a1中成像，偏振分量为第二方向的波前在图像传感器200的宏像素b1中成像，虽然宏像素a1所包括像素单元与宏像素b1所包括像素单元存在几个像素单元偏差，但该偏差可以忽略不计，不会影响波前的会聚成像时，则可以认定两个宏像素包括相同的像素单元。又由于宏像素a1的像素单元范围包括宏像素b1的像素单元范围，因此第二方向的波前能够图像传感器200的宏像素a1中成像，第一方向的波前和第二方向的波前在图像传感器200的会聚成像范围均位于同一个宏像素(宏像素a1)中。

较佳地，该实施例的结构形式中，对于图3a宏像素a1与相对应宏像素b1为同轴心设置；对于图3b宏像素a2与相对应宏像素b2也为同轴心设置。

通过以上图3a与图3b的两种结构形式，当波前阵列中偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前不存在偏振像差时，在图像传感器200上会聚成像的焦点会重合，若存在偏振像差，在图像传感器200上的一个宏像素内会出现两个焦点，从而能够检测偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前是否存在偏振像差。

进一步通过第一控制结构，使偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在不同时刻，分别在图像传感器上会聚成像，则能够分别获得的两个方向的偏振数据。

结合第一实施例，用于向所述第一液晶透镜单元110输入控制电压，形成多个所述第一子透镜的第一电路，以及用于向所述第二液晶透镜单元120输入控制电压，形成多个所述第二子透镜的第二电路，组合构成为所述第一控制结构。

以下以上述的第二结构形式为例，也即第一液晶透镜单元110所形成第一子透镜1相对应的宏像素与第二液晶透镜单元120所形成第二子透镜2相对应的宏像素，为包括相同像素单元为例，对所述液晶透镜的结构进行详细描述。

图4为液晶透镜结构100中第一液晶透镜单元110的构成结构示意图。根据图4所示，第一液晶透镜单元110具体包括：

相对设置的第一玻璃基板111和第二玻璃基板112；

设置于第一玻璃基板111和第二玻璃基板112之间的第一液晶层113；

在第一玻璃基板111的靠近第二玻璃基板112的一侧上设置第一电极层114；

在第二玻璃基板112的靠近第一玻璃基板111的一侧上设置第二电极层115；

在第一电极层114上设置第一取向层116；

在第二电极层115上设置第二取向层117。

其中，第一取向层116和第二取向层117的取向方向分别为第一方向，如为X方向。另外，第一液晶层113的液晶分子可以为向列型液晶。

本发明实施例中，具体地，第一电极层114包括多个分离的环状电极1141，第二电极层115包括一面状电极。

采用上述设置方式，当第一电极层114与第二电极层115之间未加电压时，第一液晶层113中液晶分子的取向与第一取向层116和第二取向层117的取向方向一致，当入射光透过时，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向(如为Y方向)的波前均以原方向从第一液晶透镜单元110出射；

当第一电极层114与第二电极层115之间加电压时，在电场作用下，液晶分子的取向逐渐趋向于电场的方向，从而改变所透过非常光的折射率，于是偏振分量为第二方向的波前仍以第二方向传输，而偏振分量为第一方向的波前产生会聚。

具体地，结合图4，利用包括多个分离的环状电极1141的第一电极层114和包括一面状电极的第二电极层115，当两者之间施加电压时，第一液晶层113的液晶分子发生偏转，形成多个子透镜，也即为第一子透镜1，用于将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前会聚，偏振分量为第二方向的波前仍以第二方向传输。

图5为液晶透镜结构100中第二液晶透镜单元120的构成结构示意图。根据图5所示，第二液晶透镜单元120的结构与第一液晶透镜单元110的结构相同，具体包括：

相对设置的第三玻璃基板121和第四玻璃基板122；

设置于第三玻璃基板121和第四玻璃基板122之间的第二液晶层123；

在第三玻璃基板121的靠近第四玻璃基板122的一侧设置第三电极层124；

在第四玻璃基板122的靠近第三玻璃基板121的一侧设置第四电极层125；

在第三电极层124上设置第三取向层126；

在第四电极层125上设置第四取向层127。

其中，第三取向层126和第四取向层127的取向方向分别为第二方向，如为Y方向。另外，第二液晶层123的液晶分子可以为向列型液晶。

本发明实施例中，具体地，第三电极层124包括多个分离的环状电极1241，第四电极层125包括一面状电极。

与第一液晶透镜单元110相同，结合图5利用包括多个分离的环状电极1241的第一电极层124和包括一面状电极的第二电极层125，当两者之间施加电压时，第二液晶层123的液晶分子发生偏转，形成多个子透镜，也即为第二子透镜2，用于使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第二方向(Y方向)的部分会聚，偏振分量为第一方向的波前仍以第一方向传输。

基于上述结构的第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120，组合构成液晶透镜结构100的结构如图6所示，第一液晶透镜单元110与第二液晶透镜单元120相贴合连接，第一液晶透镜单元110所形成的多个第一子透镜1在平行于图像传感器200的成像平面内依次排列，同样第二液晶透镜单元120所形成的多个第二子透镜2也在平行于图像传感器200的成像平面内依次排列，且第一子透镜1和第二子透镜2一一对应地设置，也即第一子透镜1具有相对应的第二子透镜2，该第一子透镜1与相对应的第二子透镜2在与图像传感器200的成像平面相垂直方向的中心线，分别为重合。

具体地，参阅图6，入射光通过多个第一子透镜1时，形成多个波前阵列，其中第一子透镜1对应图像传感器200的像素单元为第一宏像素，第二子透镜2对应图像传感器200的像素单元为第二宏像素时，对于波前阵列中的每一波前来说，第一宏像素与第二宏像素为重合。也即，第一子透镜1在图像传感器200的成像平面上投影所覆盖像素单元为第一宏像素，第二子透镜2在图像传感器200的成像平面上投影所覆盖像素单元为第二宏像素，而第一子透镜1的第一宏像素和第二子透镜2的第二宏像素分别一一对应重合。

采用上述设置方式，结合图1，通过位移驱动结构700调整液晶透镜结构100与图像传感器200之间的距离，通过驱动电路板300向数据线600输出控制信号，对第一电极层114与第二电极层115之间施加电场，使第一液晶层113内液晶分子发生偏转所形成第一子透镜1的焦距，等于第一液晶透镜单元110到图像传感器200之间的距离；对第三电极层124与第四电极层125之间施加电场时，使第二液晶层123内液晶分子发生偏转所形成第二子透镜2的焦距，等于第二液晶透镜单元120到图像传感器200之间的距离。

本实施例中，位移驱动结构700可以包括驱动电机和一透镜安装结构，其中第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120组合在一起可移动地设置在透镜安装结构上，且驱动电机输出控制信号时，第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120一体、同步地向靠近或远离图像传感器200的方向移动。图6中，实线段表示偏振分量为X方向的波前，虚线段表示偏振分量为Y方向的波前。当入射光通过液晶透镜结构100时，入射光的偏振分量为X方向的波前被第一液晶透镜单元110调制，会聚至图像传感器200的成像平面，形成为第一焦点a，其中每一第一子透镜1对应形成一第一焦点a，从而在图像传感器200上形成第一焦点a阵列；偏振分量为Y方向的波前透过第一液晶透镜单元110后仍以原方向传输，但通过第二液晶透镜单元120时被调制，会聚至图像传感器200的成像平面，形成为第二焦点b，其中每一第二子透镜2对应形成一第二焦点b，从而在图像传感器200上形成第二焦点b阵列。

结合图6，当透过其中一第一子透镜1的偏振分量为X方向的波前和透过相对应第二子透镜2的偏振分量为Y方向的波前一致，也即不存在偏振像差时，第一焦点a和第二焦点b会重合。当透过其中一第一子透镜1的偏振分量为X方向的波前和透过相对应第二子透镜2的偏振分量为Y方向的波前不一致时，第一焦点a和第二焦点b不会重合，在第一子透镜1和相对应第二子透镜2所对应的宏像素内会形成至少两个焦点。

因此，采用上述设置结构，当检测到图像传感器200上、对应第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120的一个子透镜的一个宏像素内出现多于1个的焦点时，则确定存在偏振像差。

通过以上方式，当仅向第一液晶透镜单元110的第一电极层114与第二电极层115之间施加电压，而第二液晶透镜单元120的第三电极层124与第四电极层125之间未施加电压时，使液晶透镜结构只用于透过入射光的偏振分量为X方向的波前，在图像传感器200上获取偏振分量为X方向的波前分布；当第一液晶透镜单元110的第一电极层114与第二电极层115之间未施加电压，而仅向第二液晶透镜单元120的第三电极层124与第四电极层125之间施加电压时，使液晶透镜结构只用于透过入射光的偏振分量为Y方向的波前，在图像传感器200上获取偏振分量为Y方向的波前分布。

本发明第二实施例所述波前传感器，能够检测光束是否存在偏振像差，此外当存在偏振像差时，通过分别控制液晶透镜结构中驱动电压输入的打开与关闭，获得两个偏振方向的波前数据，从而增加仪器测量偏振像差的功能，此外还利用液晶透镜结构的焦距电控可调特性，使得波前传感器能够在不同焦距的工作模式下进行快速、连续的切换，增加波前传感器的动态范围和适用环境。

第三实施例

第三实施例所述波前传感器的总体结构，结合图1与第一实施例相同，所述波前传感器包括：液晶透镜结构100、与液晶透镜结构100相对设置的图像传感器200、驱动电路板300、数据线400、电源接口500、数据线接口600、位移驱动结构700和外壳800。

上述各构件的功能及相互之间的连接关系与第一实施例相同，在此不再赘述。

此外第三实施例所述波前传感器，提供了所述波前传感器中液晶透镜结构100的一种具体结构。第三实施例所述波前传感器中，液晶透镜结构用于：当入射光通过时，将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；此外还用于：使所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在所述图像传感器的会聚成像范围位于不同的宏像素中；较佳地，所述波前传感器还包括第二控制结构，用于使得所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，同时在所述图像传感器上会聚成像。

图7为液晶透镜结构100中第一液晶透镜单元110的构成结构示意图。根据图7所示，第一液晶透镜单元110具体包括：

相对设置的第一玻璃基板111和第二玻璃基板112；

设置于第一玻璃基板111和第二玻璃基板112之间的第一液晶层113；

在第一玻璃基板111的靠近第二玻璃基板112的一侧上设置第一电极层114；

在第二玻璃基板112的靠近第一玻璃基板111的一侧上设置第二电极层115；

在第一电极层114上设置第一取向层116；

在第二电极层115上设置第二取向层117。

其中，第一取向层116和第二取向层117的取向方向分别为第一方向，如为X方向。另外，第一液晶层113的液晶分子可以为向列型液晶。

本发明实施例中，具体地，第一电极层114包括多个分离的环状电极1141，第二电极层115包括一面状电极。

采用上述设置方式，当第一电极层114与第二电极层115之间未加电压时，第一液晶层113中液晶分子的取向与第一取向层116和第二取向层117的取向方向一致，当入射光透过时，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向(如为Y方向)的波前均以原方向从第一液晶透镜单元100出射；

当第一电极层114与第二电极层115之间加电压时，在电场作用下，液晶分子的取向逐渐趋向于电场的方向，从而改变所透过非常光的折射率，于是偏振分量为第二方向的波前仍以第二方向传输，而偏振分量为第一方向的波前产生会聚。

具体地，结合图7，利用包括多个分离的环状电极1141的第一电极层114和包括一面状电极的第二电极层115，当两者之间施加电压时，第一液晶层113的液晶分子发生偏转，形成多个子透镜，也即为第一子透镜1，用于将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第一方向的波前会聚，偏振分量为第二方向的波前仍以第二方向传输。

图8为液晶透镜结构100中第二液晶透镜单元120的构成结构示意图。结合图7所示，第二液晶透镜单元120的结构与第一液晶透镜单元110的结构相同，具体包括：

相对设置的第三玻璃基板121和第四玻璃基板122；

设置于第三玻璃基板121和第四玻璃基板122之间的第二液晶层123；

在第三玻璃基板121的靠近第四玻璃基板122的一侧上设置第三电极层124；

在第四玻璃基板122的靠近第三玻璃基板121的一侧上设置第四电极层125；

在第三电极层124上设置第三取向层126；

在第四电极层125上设置第四取向层127。

其中，第三取向层126和第四取向层127的取向方向分别为第二方向，如为Y方向。另外，第二液晶层123的液晶分子可以为向列型液晶。

本发明实施例中，具体地，第三电极层124包括多个分离的环状电极1241，第四电极层125包括一面状电极。

与第一液晶透镜单元110相同，结合图8利用包括多个分离的环状电极1241的第一电极层124和包括一面状电极的第二电极层125，当两者之间施加电压时，第二液晶层123的液晶分子发生偏转，形成多个子透镜，也即为第二子透镜2，用于使波前阵列中的每一波前中，偏振分量为第二方向(Y方向)的部分会聚，偏振分量为第一方向的波前仍以第一方向传输。

基于图7和图8所示的第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120，组合构成液晶透镜结构100的结构如图9所示，第一液晶透镜单元110与第二液晶透镜单元120相贴合连接，当通过第二控制结构，使得波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，同时在图像传感器200上会聚成像时，第一液晶透镜单元110所形成的多个第一子透镜1在平行于图像传感器200的成像平面内依次排列，同样第二液晶透镜单元120所形成的多个第二子透镜2也在平行于图像传感器200的成像平面内依次排列，但第一子透镜1和第二子透镜2为交错设置。

较佳地，该实施例中，第一子透镜1和第二子透镜2的形状、大小相同，也即所对应图像传感器上的宏像素所包括像素单元不同，但所包括像素单元的数量相同。如图11a所示表示出了第一子透镜1与图像传感器200的成像平面210的结构关系，在平行于成像平面210的平面内，各个第一子透镜1分散设置，以该第一子透镜1直径为边长的正方形的阵列如图11b所示；如图11c所示表示出了第二子透镜2与图像传感器200的成像平面210的结构关系，在平行于成像平面210的平面内，各个第二子透镜2分散设置，以该第二子透镜2直径为边长的正方形的阵列如图11d所示。显而易见地，采用该种设置方式，该实施例中，分别以多个第一子透镜1和多个第二子透镜2为边长的正方形的面积的总和等于成像平面210的面积。

进一步地，上述设置方式的第一子透镜1与第二子透镜2的排列方式可以参阅图12所示，也即第一子透镜1与第二子透镜2在平行于图像传感器200的成像平面内的投影，相邻两个第一子透镜1之间间隔一第二子透镜2，相邻两个第二子透镜2之间间隔一第一子透镜1。图12中，第一子透镜1和第二子透镜2的形状、大小相同，相邻第一子透镜1与相邻第二子透镜2分别排列为四边形，当然第一子透镜1和第二子透镜2所形成交错排列的结构形式并不限于为图12所示结构一种。

图13为另一种排列结构，其中第一子透镜1与第二子透镜2的大小不限于为必须相同，且与上述图12的排列结构形式不同，相邻第一子透镜1与相邻第二子透镜2分别排列为三角形，且第一子透镜1与第二子透镜2组合形成为六边形，且第一子透镜1与第二子透镜2之间行列间隔设置，形成为图13所示状态。当然，第一子透镜1与第二子透镜2交错排列的结构形式还可以为其他状态，在此不再一一详细描述。

具体地，参阅图9，第一子透镜1对应图像传感器200的像素单元为第一宏像素，第二子透镜2对应图像传感器的像素单元为第二宏像素，且第一宏像素和第二宏像素分别包括不同的像素单元，且为交错排列。

当第一子透镜1和第二子透镜2的大小相同，排列方式形成为图12所示状态时，第一宏像素和第二宏像素所包括像素单元的个数相等；当第一子透镜1和第二子透镜2的大小不相同，排列方式形成为图13所示状态时，第一宏像素和第二宏像素所包括像素单元的个数可以不相等。

采用上述设置方式，结合图1，通过位移驱动结构700调整液晶透镜结构100与图像传感器200之间的距离，通过驱动电路板300向数据线600输出控制信号，对第一电极层114与第二电极层115之间施加电场，使第一液晶层113内液晶分子发生偏转所形成第一子透镜1的焦距，等于第一液晶透镜单元110到图像传感器200之间的距离；对第三电极层124与第四电极层125之间施加电场时，使第二液晶层123内液晶分子发生偏转所形成第二子透镜2的焦距，等于第二液晶透镜单元120到图像传感器200之间的距离。图9中，实线段表示偏振分量为X方向的波前，虚线段表示偏振分量为Y方向的波前。当入射光通过液晶透镜结构100时，入射光的偏振分量为X方向的波前被第一液晶透镜单元110调制，会聚至图像传感器200的成像平面，形成为第一焦点a，其中每一第一子透镜对应形成一第一焦点a；偏振分量为Y方向的波前透过第一液晶透镜单元110后仍以原方向传输，但通过第二液晶透镜单元120时被调制，会聚至图像传感器200的成像平面，形成为第二焦点b；根据图9，第一焦点a与第二焦点b为交错排列。

采用该种设置方式，在图像传感器200的成像平面内，奇数宏像素中的焦点对应波前的X偏振分量，偶数宏像素中的焦点对应波前的Y偏振分量，只需要进行一次曝光，通过后续数据处理，分别提取奇数宏像素数据和偶数宏像素数据，便可得到偏振分量为X方向的波前分布和偏振分量为Y方向的波前分布。

当入射光的偏振分量为X方向的波前与偏振分量为Y方向的波前一致时，上述通过奇数宏像素数据和偶数宏像素数据所拟合的波前分布应该为一致；当入射光的偏振分量为X方向的波前与偏振分量为Y方向的波前存在偏振像差时，通过奇数宏像素数据和偶数宏像素数据所拟合的波前分布不一致，从而能够检测是否存在偏振像差。

在第三实施例中，结合第一实施例，用于向所述第一液晶透镜单元110输入控制电压，形成多个所述第一子透镜的第一电路，以及用于向所述第二液晶透镜单元120输入控制电压，形成多个所述第二子透镜的第二电路，组合构成为所述第二控制结构。

利用第三实施例所述波前传感器，当同时向第一液晶透镜单元110的第一电极层114与第二电极层115之间和第二液晶透镜单元120的第三电极层124与第四电极层125之间施加电压时，经过一次曝光，即分别能够提取两个不同方向的波前分布，相较于第二实施例所述波前传感器，更能够快速地获得检测结果。

本发明第三实施例所述波前传感器，能够检测光束是否存在偏振像差，且经过一次曝光，即能够获得检测结果，此外还利用液晶透镜结构的焦距电控可调特性，使得波前传感器能够在不同焦距的工作模式下进行快速、连续的切换，增加波前传感器的动态范围和适用环境。

进一步地，第二实施例所述波前传感器与第三实施例所述波前传感器相比较，当不存在偏振像差时，两个实施例的波前传感器的分辨率为一致，但第二实施例所述波前传感器的图像对比度更高；当存在偏振像差时，采用第二实施例所述波前传感器需要经过两次曝光，而采用第三实施例所述波前传感器只需要一次曝光即可，但第二实施例所述波前传感器的分辨率是第三实施例所述波前传感器的分辨率的两倍。

本发明第二实施例和第三实施例所述波前传感器，第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120中，第一电极层与第二电极层中的至少一个为环形电极，用于形成多个子透镜的结构，但电极层的设置形式并不限于以上的结构，本领域技术人员可以改变电极设置方式，同样能够实现本发明第一液晶透镜单元110和第二液晶透镜单元120的功能，在此不再一一详细描述。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种波前传感器，其特征在于，包括液晶透镜结构和与所述液晶透镜结构相对设置的图像传感器，其中所述液晶透镜结构用于：当入射光通过时，将入射光分割为一波前阵列，且使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；

所述波前传感器还包括：

位移驱动结构，用于驱动所述液晶透镜结构或者所述图像传感器移动，调整所述液晶透镜结构与所述图像传感器之间的距离；

所述液晶透镜结构还用于：使所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，在所述图像传感器的会聚成像范围位于同一个宏像素中。

2.根据权利要求1所述的波前传感器，其特征在于，所述液晶透镜结构包括多个阵列排布的子透镜，以所述子透镜直径为边长的正方形的面积的总和等于整数倍的所述图像传感器的成像平面的面积。

3.根据权利要求2所述的波前传感器，其特征在于，所述液晶透镜结构包括：

第一液晶透镜单元，用于平行于所述图像传感器的成像平面形成多个依次排列的第一子透镜，使得入射光通过所述第一子透镜时，分割为一波前阵列，且使波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前会聚至所述图像传感器的成像平面，偏振分量为第二方向的波前仍以原方向传输；

第二液晶透镜单元，用于平行于所述图像传感器的成像平面形成多个依次排列的第二子透镜，使得波前阵列通过所述第一子透镜之后，通过第二子透镜时，偏振分量为第二方向的波前会聚至所述图像传感器的成像平面，偏振分量为第一方向的波前仍以原方向传输。

4.根据权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，所述第二子透镜与所述图像传感器之间的距离小于所述第一子透镜与所述图像传感器之间的距离，且所述第一子透镜与所述第二子透镜一一对应设置，所述第一子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第一宏像素，相对应所述第二子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第二宏像素，其中所述第一宏像素与所述第二宏像素包括相同的像素单元。

5.根据权利要求1或4所述的波前传感器，其特征在于，所述波前传感器还包括第一控制结构，用于使在不同时刻，所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，分别在所述图像传感器上会聚成像。

6.根据权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，所述第二子透镜与所述图像传感器之间的距离小于所述第一子透镜与所述图像传感器之间的距离，且所述第一子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第一宏像素，所述第二子透镜对应所述图像传感器上的宏像素为第二宏像素，所述第一宏像素与所述第二宏像素分别包括不同的像素单元，同时多个所述第一宏像素与多个所述第二宏像素为交错排列。

7.根据权利要求6所述的波前传感器，其特征在于，所述波前传感器还包括第二控制结构，用于使得所述波前阵列中，偏振分量为第一方向的波前和偏振分量为第二方向的波前，同时在所述图像传感器上会聚成像。

8.根据权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，所述第一液晶透镜单元与所述第二液晶透镜单元相贴合连接，且所述第一液晶透镜单元与所述图像传感器的成像平面之间的距离为f，所述第二液晶透镜单元与所述图像传感器的成像平面之间的距离为f-d，其中f为所述第一子透镜的焦距，d为所述第二液晶透镜单元的厚度，且所述第二子透镜的焦距为f-d。

9.根据权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，所述第一液晶透镜单元与所述第二液晶透镜单元相贴合连接，且所述液晶透镜结构平行于所述图像传感器的成像平面的竖直中心面与所述图像传感器的成像平面之间的距离为f，所述第一子透镜和所述第二子透镜的焦距均为f。

10.根据权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，所述波前传感器还包括：

用于向所述第一液晶透镜单元输入控制电压，形成多个所述第一子透镜的第一电路；

用于向所述第二液晶透镜单元输入控制电压，形成多个所述第二子透镜的第二电路；

其中，所述第一电路和所述第二电路连接为一个电路或者为分离的不同电路。

11.根据权利要求3所述的波前传感器，其特征在于，所述第一液晶透镜单元和所述第二液晶透镜单元分别包括：

相对设置的两个玻璃基板；

设置于两个玻璃基板之间的液晶层；

分别设置于所述液晶层的相对两侧的第一电极层和第二电极层；

在所述第一电极层靠近液晶层一侧上设置的第一取向层；

在所述第二电极层靠近液晶层一侧上设置的第二取向层；

其中通过在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加电压，所述液晶层的液晶分子产生偏转，形成多个所述第一子透镜或者多个所述第二子透镜。

12.根据权利要求11所述的波前传感器，其特征在于，所述第一电极层与所述第二电极层中的至少一个为环形电极。

13.根据权利要求11所述的波前传感器，其特征在于，所述第一液晶透镜单元中，所述第一取向层和所述第二取向层的方向分别为第一方向；所述第二液晶透镜单元中，所述第一取向层和所述第二取向层的方向分别为第二方向。

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