CN108775965A - 一种波前测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波前测量方法，属于波前测量技术领域，对于存在波前畸变的待测激光束，采用哈特曼传感器进行波前测量，得到初次波前畸变，将待测激光束进行扩束，采用哈特曼传感器测量扩束后待测激光束的波前畸变，得到二次波前畸变，对初次波前畸变、二次波前畸变求差，得到待测激光束的波前畸变，本发明通过哈特曼传感器测量两组不同口径的光束相应得到两组不同空间分布特性的波前畸变，通过控制器对波前畸变进行处理，从而在不标定哈特曼传感器自身像差的条件下得到高精度的波前测量结果，可被应用于高精度波前探测相关领域。
Description
技术领域
本发明属于波前测量技术领域，具体地说涉及一种波前测量方法。
背景技术
在自适应光学、光学检测、光电探测等应用领域，均需要测量光束的波前。尤其在自适应光学系统中，波前探测是自适应控制的一个重要前提，需要对波前畸变进行快速测量，用于实时波前控制矫正。目前已经有许多种测量方法得到了实际应用，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相位反演法等。这些方法各自有其优缺点，被用于各种应用场合，其中，哈特曼波前传感技术能同时测量两个方向的波前斜率，光能利用率较高；结构简单，可探测连续光或脉冲光，已经成为目前最流行、应用最广泛的波前传感技术。但是，由于哈特曼传感器子孔径的加工缺陷和装配应力等因素导致哈特曼传感器不可避免的产生了测量误差，因此，使用哈特曼传感器对波前畸变测量前首先需要对其自身像差进行标定，否则波前畸变测量的高精度就难以保证。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种能够在不进行哈特曼传感器自身像差标定的前提下进行的波前测量方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种波前测量方法，包括以下步骤：
S1：对于存在波前畸变的待测激光束，采用哈特曼传感器进行波前测量，得到初次波前畸变；
S2：将步骤S1中的待测激光束进行扩束，采用哈特曼传感器测量扩束后待测激光束的波前畸变，得到二次波前畸变；
S3：对初次波前畸变、二次波前畸变求差，得到待测激光束的波前畸变。
进一步，所述步骤S1中，待测激光束经过液体透镜准直后入射到哈特曼传感器进行波前测量，哈特曼传感器的子孔径阵列对待测激光束进行分割得到子孔径阵列对应的焦斑阵列，计算得到初次波前畸变。
进一步，待测激光束的波前畸变为φ0(x,y)，采用基函数之和形式表示待测激光束的波前畸变，即其中，x和y分别表示二维空间两个方向，Ai(x,y)表示在所述二维空间内正交的基函数，如圆域内的泽尼克函数，方域内的勒让德函数等，ai表示各阶基函数的系数。
进一步，所述初次波前畸变为φ1(x,y)，则其中，B(x,y)表示哈特曼传感器自身的波前误差。
进一步，所述步骤S2中，调节液体透镜焦距，对待测激光束进行扩束，使用哈特曼传感器对扩束后的光束进行波前测量得到二次波前畸变。
进一步，所述二次波前畸变为φ2(x,y)，则其中，bi表示各阶基函数的系数，且二次波前畸变与初次波前畸变对应相同的哈特曼传感器测量区域。
进一步，所述步骤S3中，对初次波前畸变、二次波前畸变求差，则通过基函数系数变换矩阵得到待测激光束波前畸变对应的基函数系数，即进而得到待测激光束的波前畸变，其中，Wn×n表示基函数的系数变换矩阵，即二次波前畸变与初次波前畸变基函数系数的线性变换关系式。
进一步，所述液体透镜、哈特曼传感器分别与控制器连接。
本发明的有益效果是：
通过精确控制液体透镜的焦距，从而精确改变待测激光束入射到哈特曼传感器上的光束口径，哈特曼传感器测量两组不同口径的光束相应得到两组不同空间分布特性的波前畸变，通过控制器对波前畸变进行处理，从而在不标定哈特曼传感器自身像差的条件下得到高精度的波前测量结果，可被应用于高精度波前探测相关领域。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2(a)是实施例二中初次波前畸变示意图；
图2(b)是图2(a)所示初次波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数；
图3(a)是实施例二中二次波前畸变示意图；
图3(b)是图3(a)所示二次波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数；
图4(a)是实施例二中波前畸变之差示意图；
图4(b)是图4(a)所示波前畸变之差对应的前36阶勒让德基函数系数；
图5是勒让德基函数系数变换矩阵示意图；
图6(a)是实施例二中待测激光束1波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数；
图6(b)是实施例二中待测激光束1的波前畸变像差示意图。
附图中：1-待测激光束、2-液体透镜、3-哈特曼传感器、4-控制器。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，一种波前测量方法，包括以下步骤：
首先，存在波前畸变的待测激光束1经过液体透镜2准直后入射到哈特曼传感器3进行波前测量，液体透镜2的间距可变，且液体透镜2与控制器4连接，哈特曼传感器3的子孔径阵列对待测激光束1进行分割得到子孔径阵列对应的焦斑阵列，哈特曼传感器3与控制器4连接，由控制器4计算得到初次波前畸变。
待测激光束1的波前畸变为φ0(x,y)，采用基函数之和形式表示待测激光束1的波前畸变，即其中，x和y分别表示二维空间两个方向，Ai(x,y)表示在所述二维空间内正交的基函数，ai表示各阶基函数的系数。所述初次波前畸变为φ1(x,y)，则其中，B(x,y)表示哈特曼传感器3自身的波前误差。
然后，通过控制器4调节液体透镜2的焦距，对待测激光束1进行扩束，使用哈特曼传感器3对扩束后的光束进行波前测量，由控制器4计算得到二次波前畸变。所述二次波前畸变为φ2(x,y)，则其中，bi表示各阶基函数的系数，且二次波前畸变与初次波前畸变对应相同的哈特曼传感器测量区域。
最后，对初次波前畸变、二次波前畸变求差，得到：
通过基函数系数变换矩阵得到待测激光束1波前畸变对应的基函数系数，即进而得到待测激光束1的波前畸变，其中，Wn×n表示基函数的系数变换矩阵，即二次波前畸变与初次波前畸变基函数系数的线性变换关系式。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
待测激光束1的波长为1053nm，液体透镜2的口径为10×10mm，通过控制电压可以使其焦距从+5cm变化到+∞，哈特曼传感器3的参数如表1所示。
表1：哈特曼传感器主要技术参数
| 有效口径 | 7mm×7mm |
| 子孔径数目 | 14×14 |
| 子孔径间距 | 500μm |
| 子孔径焦距 | 12.6mm |
| 测量范围 | 30μm |
| 测量精度 | 0.1μm |
| 采样频率 | 50hz |
具体测量过程如下：
1、调节液体透镜2的控制电压，使准直后入射到哈特曼传感器3上的光束口径是6×6mm，此时，光束对应哈特曼传感器3的子孔径焦斑数目是12×12个，计算得到的初次波前畸变如图2(a)所示，该波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数如图2(b)所示。
2、调节液体透镜2的电压控制，使准直后入射到哈特曼传感器3上的光束口径是6.6×6.6mm，此时，光束对应哈特曼传感器3的子孔径焦斑数目是14×14个，取与步骤1相同的哈特曼传感器3测量区域内的12×12个子孔径焦斑并忽略剩余区域内的子孔径焦斑，计算得到二次波前畸变如图3(a)所示，该波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数如图3(b)所示。
3、对初次波前畸变、二次波前畸变进行求差，得到的波前畸变之差如图4(a)图所示，该波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数之差如图4(b)所示。
4、利用波前畸变之差对应的前36阶勒让德基函数系数之差，结合勒让德基函数系数变换矩阵，该矩阵如图5所示，得到待测激光束1波前畸变对应的前36阶勒让德基函数系数和波前畸变像差，分别如图6(a)和图6(b)所示。
综上所述，在不标定哈特曼传感器3的条件下，通过精确控制液体透镜2的焦距从而精确改变入射到哈特曼传感器3上的光束口径，相应得到两组不同空间分布特性的波前畸变，通过控制器4对波前畸变进行处理得到高精度的波前测量结果。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (8)
1.一种波前测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对于存在波前畸变的待测激光束，采用哈特曼传感器进行波前测量，得到初次波前畸变；
S2：将步骤S1中的待测激光束进行扩束，采用哈特曼传感器测量扩束后待测激光束的波前畸变，得到二次波前畸变；
S3：对初次波前畸变、二次波前畸变求差，得到待测激光束的波前畸变。
2.根据权利要求1所述的一种波前测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，待测激光束经过液体透镜准直后入射到哈特曼传感器进行波前测量，哈特曼传感器的子孔径阵列对待测激光束进行分割得到子孔径阵列对应的焦斑阵列，计算得到初次波前畸变。
3.根据权利要求2所述的一种波前测量方法，其特征在于，待测激光束的波前畸变为φ0(x,y)，采用基函数之和形式表示待测激光束的波前畸变，即其中，x和y分别表示二维空间两个方向，Ai(x,y)表示在所述二维空间内正交的基函数，ai表示各阶基函数的系数。
4.根据权利要求3所述的一种波前测量方法，其特征在于，所述初次波前畸变为φ1(x,y)，则其中，B(x,y)表示哈特曼传感器自身的波前误差。
5.根据权利要求4所述的一种波前测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，调节液体透镜焦距，对待测激光束进行扩束，使用哈特曼传感器对扩束后的光束进行波前测量得到二次波前畸变。
6.根据权利要求5所述的一种波前测量方法，其特征在于，所述二次波前畸变为φ2(x,y)，则其中，bi表示各阶基函数的系数，且二次波前畸变与初次波前畸变对应相同的哈特曼传感器测量区域。
7.根据权利要求6所述的一种波前测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，对初次波前畸变、二次波前畸变求差，则通过基函数系数变换矩阵得到待测激光束波前畸变对应的基函数系数，即进而得到待测激光束的波前畸变，其中，Wn×n表示基函数的系数变换矩阵，即二次波前畸变与初次波前畸变基函数系数的线性变换关系式。
8.根据权利要求2-7任一所述的一种波前测量方法，其特征在于，所述液体透镜、哈特曼传感器分别与控制器连接。
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