CN110631716A - 一种紧凑型哈特曼波前传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型哈特曼波前传感器，包括孔径分割光学缩束模块阵列、微透镜阵列和相机阵列，孔径分割光束缩束模块阵列对入射光束进行孔径分割和分孔径缩束，将入射的大尺寸光束分割成阵列式的小尺寸子光束，实现前级孔径分割和缩束；微透镜阵列组对每一个缩束后的子光束进行末端孔径分割，实现对单个子光束的波前斜率采样，相机阵列位于每一个子光束微透镜阵列的焦平面，用于探测每一个子光束经过微透镜阵列的光斑阵列图像，将相机阵列所有光斑阵列图像融合即可得到入射光束对应完整的全尺寸光斑阵列图像，最终用哈特曼波前传感器复原算法即可从光斑阵列图像中提取全口径波前斜率数据，重建入射光束的波前相位信息。
Description
技术领域
本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的装置，尤其涉及一种具有紧凑型结构的哈特曼波前传感器。
背景技术
哈特曼波前传感技术因具有结构简单、光能利用率较高、测量速度快、环境适应性强等特点，已成为目前应用最广的波前传感技术之一。典型的哈特曼波前传感器结构可以参见B.C.Platt and R.V.Shack等人提出的哈特曼-夏克波前传感器方案(B.C.Platt andR.V.Shack,“Lenticular Hartmann Screen,”Opt.Sci.Newsl.5,15–16，1971)，通过特殊的阵列型波前分割取样光学元件(如微透镜阵列)对入射光束实施孔径分割并分别聚焦于图像传感器上，图像传感器探测得到与孔径分割方式一一对应的阵列型光斑图像。波前复原算法通过提取每个光斑质心的偏移数据得到每个子孔径中的波前斜率信息，最终采用波前复原计算得到入射光束完整的波前相位分布。
目前，哈特曼波前探测器多采用CCD相机、CMOS相机作为核心的光电探测器。为此，待测光束尺寸不能大于光电探测器感光面的尺寸，波前探测器才能获取完整的光斑阵列图像，进而对入射波前畸变进行完整探测。这意味着一旦待测光束的尺寸大于采用的光电探测器的感光面尺寸，则必须通过光束尺寸变换(如光学缩束模块)进行尺寸缩放。为了兼顾探测速度，哈特曼波前传感器使用的光电探测器感光面尺寸一般在毫米、厘米至分米级别。当测量光束尺寸大于100mm，甚至超过300mm时，哈特曼波前传感器的缩束模块需要具有数十倍的光学缩束倍率，才能将光束尺寸缩小至与感光面尺寸一致或者匹配。受限于经典光学缩束模块结构，大口径、大倍率缩束模块具有十分可观的物理尺寸，这导致整个传感器的三维尺寸都将随口径增大而急剧增长。因此，目前大口径哈特曼波前传感器都采用一个庞大的光学缩束模块，极大增加了波前传感器的体积和重量，严重限制了传感器在诸多紧凑型光学系统中的应用。因此，从整个光学系统小型化的角度考虑，大口径紧凑型哈特曼波前传感器结构在紧凑型以及各种光学系统中具有很大的应用价值。
发明内容
为了解决现在技术的不足和限制，在实现大口径光束波前探测的能力下，充分压缩整个哈特曼波前传感器的体积，本发明的目的是提供一种结构简单、紧凑且具备扩展探测口径潜力的紧凑型哈特曼波前传感器结构。
本发明的技术解决方案是：一种紧凑型哈特曼波前传感器，该传感器通过多级光学缩束和孔径分割，实现结构的紧凑化；该传感器包括孔径分割多级光学缩束阵列、微透镜阵列组和相机阵列；孔径分割多级光学缩束阵列对入射光束进行多级分孔径和缩束，即上一级分割后的子光束经缩束后又被再次孔径分割，从而将入射的大尺寸光束分级转化成阵列式的小尺寸子光束，微透镜阵列组对每一个缩束后的子光束进行末级的孔径分割，实现对每一个子光束的波前斜率采样，相机阵列位于每一个微透镜阵列的焦平面，用于探测每一个子光束经过微透镜阵列后形成的光斑阵列图像，最终通过哈特曼波前传感器波前复原算法从光斑阵列图像信息提取波前斜率数据，即可完成波前探测。
所述的孔径分割多级光学缩束阵列具有二级或二级以上级次的阵列式孔径分割和阵列式缩束结构，且存在对光束进行分孔径、分区域式的缩束方式。
所述的相机阵列可以是现有的各种光电图像传感器，包括但不限于CCD相机、CMOS相机、PD阵列。
所述的相机阵列有效感光像素单元之间可以是连续排布，也可以是与缩束后小尺寸阵列式的子光束一一对应的分布式非连续排布。
所述的相机阵列获得的每一个相机图像数据只对应输入光束的特定区域，在图像信息提取时可以将每一路光斑阵列图像拼接为完整的全口径图像，也可以直接从单路图像中计算每一路子光束的波前斜率数据。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明提供的技术方案将大口径、短距离、高缩束比的光学系统设计需求通过阵列式小口径缩束模块解决，无需现有技术方案中体积庞大的大口径整体光学缩束模块，在实现大口径哈特曼波前传感器结构紧凑化方面具有明显的优势。
(2)本发明提供的技术方案在口径匹配灵活性、扩展性方面较现有技术方案有巨大的优势。当探测口径变化时，现有技术方案则需要设计不同口径及相关参数的光学缩束匹配模块，相当于重新制作一个传感器，几乎不具备对不同口径的灵活适配能力。而本发明提出的技术方案只需要针对不同口径调整小口径缩束模块的阵列数目即可，实现简单。此外，在适配口径增大时，本发明提出的技术方案理论上只需依据口径增加阵列式小口径缩束模块涉及通光能力的长、宽尺寸，厚度方面几乎不受影响，实现在增大探测口径的同时保持紧凑、轻薄的传感器整体结构。
(3)本发明通过多级孔径分割的方式实现了短距离的高倍率光学缩束和匹配，将大口径、短距离、高缩束比光学设计问题通过多级、阵列式的小口径缩束模块解决，无需传统大口径哈特曼波前传感器采用的大口径光学缩束结构，充分减小了大口径哈特曼波前传感器的体积，为大口径哈特曼波前传感器实现紧凑化、小型化提供了一种新的解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例紧凑型哈特曼波前传感器结构示意图。
图2为本发明实施例紧凑型哈特曼波前传感器典型光斑阵列图像。
图中：1为一级孔径分割与缩束光学元件阵列，2为二级孔径分割光学元件阵列，3为图像传感器阵列。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例一中的紧凑型哈特曼波前传感器具有两级孔径分割阵列，包括一级孔径分割与缩束光学元件阵列1、二级孔径分割光学元件阵列2和图像传感器阵列3。其中，一级孔径分割与缩束光学元件的阵列数为8×8，每一个一级孔径分割与缩束光学元件都是独立的光学缩束结构，因此入射待测光束被一级孔径分割与缩束光学元件阵列1分割、缩束成8×8的细光束阵列。二级孔径分割光学元件阵列2具有8×8个微透镜阵列，与一级孔径分割与缩束光学元件阵列1及其生成的细光束阵列形成一一对应的关系。每一个二级孔径分割光学元件采用有效孔径阵列数为6×6的一片微透镜阵列，从而将对应一路细光束实施6×6的二次孔径分割、聚焦，最终形成待测光束在该孔径区域内的光斑阵列子图像。所有细光束阵列被二级孔径分割光学元件阵列2二次分割、聚焦后，最终形成8×8个光斑阵列子图像，每一个光斑阵列图像子上有6×6个子光斑形成阵列。图像传感器阵列3具有8×8个图像传感器形成阵列，与一级孔径分割与缩束光学元件阵列1、二级孔径分割光学元件阵列2一一对应，一个图像传感器采集对应位置的6×6光斑阵列子图像。为此，整个图像传感器阵列3即可获得待测光束全口径不同区域对应的光斑阵列子图像，从而为哈特曼波前传感器实现波前斜率计算和波前重构提供子光斑图像信息。以圆形口径待测光束为例，紧凑型哈特曼波前传感器获取的典型光斑阵列图如图2所示，每一个孔径分割框中代表对应位置的图像传感器获取的6×6微透镜阵列形成的光斑阵列子图像。整个图像实际上是由8×8幅具有6×6光斑阵列的子图像组成的合成图像，可以等效成48×48子孔径分割的哈特曼波前传感器的光斑阵列图像。计算图像中子光斑的质心位置变化信息，即可提取波前斜率分布数据，最终通过哈特曼波前传感器波前复原算法测量入射待测光束的波前相位分布。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (5)
1.一种紧凑型哈特曼波前传感器，其特征在于：该传感器通过多级光学缩束和孔径分割，实现结构的紧凑化；该传感器包括孔径分割多级光学缩束阵列、微透镜阵列组和相机阵列；孔径分割多级光学缩束阵列对入射光束进行多级分孔径和缩束，即上一级分割后的子光束经缩束后又被再次孔径分割，从而将入射的大尺寸光束分级转化成阵列式的小尺寸子光束，微透镜阵列组对每一个缩束后的子光束进行末级的孔径分割，实现对每一个子光束的波前斜率采样，相机阵列位于每一个微透镜阵列的焦平面，用于探测每一个子光束经过微透镜阵列后形成的光斑阵列图像，最终通过哈特曼波前传感器波前复原算法从光斑阵列图像信息提取波前斜率数据，即可完成波前探测。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的孔径分割多级光学缩束阵列具有二级或二级以上级次的阵列式孔径分割和阵列式缩束结构，且存在对光束进行分孔径、分区域式的缩束方式。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的相机阵列可以是现有的各种光电图像传感器，包括但不限于CCD相机、CMOS相机、PD阵列。
4.根据权利要求1或3所述的一种紧凑型哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的相机阵列有效感光像素单元之间可以是连续排布，也可以是与缩束后小尺寸阵列式的子光束一一对应的分布式非连续排布。
5.根据权利要求1或3所述的一种紧凑型哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的相机阵列获得的每一个相机图像数据只对应输入光束的特定区域，在图像信息提取时可以将每一路光斑阵列图像拼接为完整的全口径图像，也可以直接从单路图像中计算每一路子光束的波前斜率数据。
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