CN111829671B - 一种高分辨波前检测装置及波前复原方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨波前检测装置及复原方法，包括缩束器、分光镜以及数据处理系统；所述分光镜沿所述缩束器出射光方向设置；所述分光镜分出的子光束方向设有波前传感器，且波前传感器的输入端沿子光束出射方向设置；所述波前传感器输出端与所述数据处理系统输入端连接。本发明的有益效果为其结构简单、运算速度快、抗振能力强、对测量光束线宽、相干性和偏振态无特殊要求、无需参考光、可实时记录波前变化过程、同时适用于连续光和脉冲光测量；突破了现有单台哈特曼波前传感器空间分辨率限制，实现了更高的空间分辨率测量，并且在提高空间分辨率的同时，保持动态范围不降低。

Description

一种高分辨波前检测装置及波前复原方法

技术领域

本发明涉及光学波前测量技术领域，尤其涉及一种高分辨波前检测装置及复原方法。

背景技术

光束波前作为激光光束重要指标，光束波前检测对激光在实际工程、医疗、光学检测等领域的应用具有重大的价值，国内外越来越多的厂商及科研机构对波前传感器做了许多至关重要的研究。

目前实际波前传感器主要有以下几种：哈特曼波前传感器，点衍射干涉仪，横向剪切干涉仪，纵向剪切干涉仪，曲率传感器，四棱锥波前传感器，模式传感器等，这几种波前传感器各有优缺点，被应用于各种应用场合。

其中哈特曼波前传感器具有结构简单、运算速度快、抗振能力强、对测量光束线宽、相干性和偏振态无特殊要求、无需参考光、可实时记录波前变化过程、同时适用于连续光和脉冲光测量等优点，已成为目前最流行、应用最广泛的波前传感技术，广泛应用于自适应光学、激光光束检测、光学检测、医疗等领域。

典型的哈特曼波前传感器可以参见中国专利申请公开说明书(申请号98112210.8，公开号CN1245904)公开的一种光学波前传感器，其实现方式主要采用波前分割取样阵列元件如微透镜阵列，将波前分隔成许多子孔径波前，并将入射的光分别汇聚到面阵光电探测器靶面上，在靶面上则形成一系列光斑阵列，提取各子光斑质心位置并处理可获得波前相位测量数据。各子光斑质心位置的提取精度和其所占像素个数信息有关，所占像素个数越多，质心位置提取精度越高，反之越低。

受限于探测器像素个数，子孔径数量也就有限，而子孔径尺寸代表的波前测量空间分辨率也就有限，因此其波前测量精度难以企及干涉仪、剪切干涉仪的水准，限制了其在高精度波前探测领域的应用。对传统单个哈特曼测量方式，若通过减小子孔径尺寸增加子孔径单元数以提高空间分辨率，则在空间分辨率提高的同时，牺牲了动态范围。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高分辨波前检测装置及复原方法，通过设置多个哈特曼波前传感器，优化波前分割采样阵列，充分利用各传感器探测数据，摆脱了单个哈特曼波前传感器微透镜阵列数量限制对测量空间分辨率的限制，最终使波前测量分辨率得以提升，并且在提高空间分辨率的同时，保持动态范围不降低。

本发明采用的技术方案如下：

一种高分辨波前检测装置，包括缩束器、分光镜以及数据处理系统；所述分光镜沿所述缩束器出射光方向设置；所述分光镜沿分束的子光束方向均设有波前传感器，且波前传感器的输入端沿子光束出射方向设置；所述波前传感器输出端与所述数据处理系统输入端连接。

传统的波前传感器的检测是只有单个的波前传感器进行检测，但是单个的哈特曼波前传感器微透镜阵列的数量限制对测量空间的分辨率带来很大的限制，使得波前测量分辨率难以提升；本发明提供了一种高分辨哈特曼波前检测装置及波前复原方法，通过设置多个哈特曼波前传感器，增加了多个微透镜阵列数量，优化波前分割采样阵列，提高空间分辨率的同时，保持着动态范围不降低。

更进一步的，所述分光镜至少设置一个。

设置多个分光镜，分出不同的子光束，沿子光束方向就可以设置熟练数量多个的哈特曼波前传感器，

更进一步的，所述哈特曼波前传感器包括微透镜阵列与面阵相机。

更进一步的，所述面阵相机的靶面与所述微透镜阵列的焦平面重合。

将面阵相机的靶面与所述微透镜阵列的焦平面重合，增加了对哈特曼波前传感器测量的斜率的精确度，使得测试出来的结果更准确。

更进一步的，所述微透镜阵列设有若干个子透镜。

微透镜阵列设置若干个子透镜，是用于实现高于单个哈特曼波前传感器测量空间分辨率的波前恢复效果。

本发明还公开了一种一种高分辨波前检测装置的波前复原方法，其特征在于：所述高分辨哈特曼波前检测装置的波前复原方法包括：

A.通过波前传感器测量与波前传感器相对应的点的斜率，得到不同斜率组组成的斜率矩阵G；

B.通过波前传感器测量的相对应的点的横轴方向与竖轴方向的斜率矩阵G与波前相位

的关系，推导出波前方程

其中D为波前测量的空间分辨率；

C.通过波前方程推导出波前传感器的高分辨率波前复原算法

其中D⁺为D的广义逆矩阵，且是波前传感器模块及其相对空间布局决定的已知矩阵；

D.通过编程对离焦、像散以及慧差三种相差对波前复原算法进行检验，使检验数据结果与原始数据结果保持一致性。

更进一步的，所述步骤C的具体操作方法包括：所述波前复原算法基于所有波前传感器的高分辨率波前复原算法。

更进一步的，所述步骤D具体的操作步骤包括：通过编程对离焦、像散以及慧差三种相差对波前复原算法进行数值计算，得出复原波前分布数据，若复原波前分布数据与原始分布数据保持一致性，则推导的波前复原算法为正确算法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、采用本发明提供的一种高分辨哈特曼波前检测装置及复原方法，通过设置高分辨哈特曼波前检测装置，其结构简单、运算速度快、抗振能力强、对测量光束线宽、相干性和偏振态无特殊要求、无需参考光、可实时记录波前变化过程、同时适用于连续光和脉冲光测量；

2、采用本发明提供的一种高分辨哈特曼波前检测装置及复原方法，通过对多个哈特曼波前传感器的组合设置，突破了现有单台哈特曼波前传感器空间分辨率限制，实现了更高的空间分辨率测量，并且在提高空间分辨率的同时，保持动态范围不降低；

3、采用本发明提供的一种高分辨哈特曼波前检测装置及复原方法，过采用多个哈特曼波前传感器，优化波前分割采样阵列，充分利用各传感器探测数据，摆脱了单个哈特曼波前传感器微透镜阵列数量限制对测量空间分辨率的限制。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是高分辨哈特曼波前检测装置示意图；

图2是单台哈特曼波前传感器示意图；

图3是哈特曼波前传感器微透镜阵列示意图；

图4是4台哈特曼波前传感器微透镜阵列相对缩束器出瞳排布示意图；

图5是离焦波前原始分布示意图；

图6是离焦波前复原分布示意图；

图7是复原的离焦波前和原始波前残差示意图；

图8是像散波前原始分布示意图；

图9是像散波前复原分布示意图；

图10是复原的像散波前和原始波前残差示意图；

图11是慧差波前原始分布示意图；

图12是慧差波前复原分布示意图；

图13是复原的慧差波前和原始波前残差示意图；

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施列一

本实施列公开了一种高分辨波前检测装置，如图1所示，包括缩束器1、分光镜组以及数据处理系统6；所述分光镜组包括第一分光镜8、第二分光镜7以及第三分光镜9，所述第一分光镜8沿缩束器1出射光方向设置，第一分光镜8将光束分为子光束A与子光束B，所述子光束A进入第二分光镜7，所述第二分光镜7将子光束A分为子光束C与子光束D，且沿子光束C设有第一波前传感器5，沿子光束D设有第二波前传感器4；所述子光束B进入第三分光镜9，所述第三分光镜9将子光束B分为子光束E与子光束F，沿子光束E方向设有第三波前传感器3，沿子光束F设有第四波前传感器2；所述第一波前传感器5输出端、第二波前传感器4输出端、第三波前传感器3输出端以及第四波前传感器2输出端均与所述数据处理系统6输入端连接；所述波前传感器包括微透镜阵列与面阵相机；所述面阵相机的靶面与所述微透镜阵列的焦平面重合。

实施列二

本实施列是基于实施列一的基础上，公开了一种高分辨波前检测装置，相比于实施例一，增加了如下结构：所述分光镜至少设置三个，在每一个被分光镜分出的子光束后面，都会设置一个对应的波前传感器；所述微透镜阵列设有若干个子透镜，通过多个设置在波前传感器上的微透镜阵列，能够增加微透镜阵列数量，优化了波前分割采样阵列，提高了空间的分辨率；所述波前传感器为哈特曼波前传感器。

实施列三

本实施列是基于实施列一和实施列二的一种波前检测装置，公开了一种波前检测装置的波前复原方法，所述波前复原方法包括如下步骤：

1、通过波前传感器测量与波前传感器相对应的点的斜率，得到不同斜率组组成的斜率矩阵G；

设哈特曼波前传感器a(2)、哈特曼波前传感器b(3)、哈特曼波前传感器c(4)、哈特曼波前传感器d(5)依次为SH1、SH2、SH3和SH4。设SH1测量的(x,y)＝((2i-1)d,(2j-1)d)处的斜率为

i＝1,2,...,I，j＝1,2,...,J，上标f表示第一个，x和y分别表示沿x轴和y轴两个方向；SH2测量的(x,y)＝((2i-1)d,2jd)位置的斜率为

s表示第二个；SH3测量的(x,y)＝(2id,(2j-1)d)位置的斜率为

t表示第三个；SH4测量的(x,y)＝(2id,2jd)位置的斜率为

fo表示第四个；待测点阵(x,y)＝((m-21)d,(n-21)d)处的相位为

m＝1,2,...,2I+1

，n＝1,2,...,2J+1，d表示波前测量的空间分辨率。为简化表示，令M＝2I+1，N＝2J+1。

根据上述测量模型，四个哈特曼波前传感器模块组合的波前测量问题可表述为：已知

i＝1,2,...,I，j＝1,2,...,J，求

m＝1,2,...,2I+1，n＝1,2,...,2J+1。

由定义知，各个哈特曼相机测量的各点处x方向和y方向的斜率与波前相位的关系为

式中，i＝1,2,...,I，j＝1,2,...,J。

2、通过波前传感器测量的相对应的点的横轴方向与竖轴方向的斜率矩阵G与波前相位

的关系，推导出波前方程

其中D为波前测量的空间分辨率：式(1)所示的方程组一共有8IJ个方程，将其表示为矩阵形式为

式中

为(MN)×1的列矩阵，表示待测波前相位，T表示矩阵转置。说明一下，

在列矢量

中的行号为(m-1)N+n。G表示由4个哈特曼波前传感器模块测量的波前斜率，具体形式为

为8IJ×1的列矩阵。根据式(1)，方程组(2)中的系数矩阵

为8IJ×MN的稀疏矩阵。其所有的非零矩阵元可表示为

除上述矩阵元外，其余矩阵元均为零。

3、通过波前方程推导出波前传感器的高分辨率波前复原算法

其中D⁺为D的广义逆矩阵，且是波前传感器模块及其相对空间布局决定的已知矩阵：由式(2)可得

式中，D⁺表示D的广义逆矩阵。式(7)即为基于四个哈特曼波前传感器的高分辨率波前复原算法，其中，D⁺是由4个哈特曼波前传感器模块及其相对空间布局决定的已知矩阵。根据此式，由实际测量的波前斜率G即可求得光束波前。

4、通过编程对离焦、像散以及慧差三种相差对波前复原算法进行检验，验证波前复原算法的正确性：

为检验上述波前复原算法的正确性与准确性，以离焦、像散和彗差这三种重要的初级像差为例，编程进行了数值计算。取三种初级像差的表达式如下

共4个哈特曼波前传感器模块，每个模块采样点数为10×10，由此重构得到了21×21点阵的波前分布数据。图5、图8、图11依次是离焦、像散和彗差的复原结果，图6、图9、图12依次是离焦、像散和彗差的复原结果。由图可见，复原波前与原始波前的三维分布图轮廓一致性很好；对离焦、像散和彗差三种情况，两者的残差图表明复原残差(分别如图7、图10、图13所示)完全可以忽略。因此复原波前与原始波前的对比验证了本波前复原算法的正确性。

综上所述，本发明提供的一种哈特曼波前检测装置及波前复原方法，通过增加多个哈特曼波前传感器，突破了单个哈特曼波前传感器测量空间分辨率受限于微透镜数量的技术现状，优化波前分割采样阵列，充分利用各传感器探测数据，实现了更高的空间分辨率的测量，且在提高分辨率的同时，保持动态范围不降低，且设置检测装置的结构简单，易于操作，装置中的运算速度快，抗震能力强，对测量光束线宽、相干性和偏振态无特殊要求且无需参考光，可以实时记录波前变化过程、同时适用于连续光和脉冲光测量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种高分辨波前检测装置，其特征在于：包括缩束器、分光镜组以及数据处理系统；所述分光镜组包括第一分光镜、第二分光镜以及第三分光镜，所述第一分光镜沿缩束器出射光方向设置，第一分光镜将光束分为子光束A与子光束B，所述子光束A进入第二分光镜，所述第二分光镜将子光束A分为子光束C与子光束D，且沿子光束C设有第一波前传感器，沿子光束D设有第二波前传感器；所述子光束B进入第三分光镜，所述第三分光镜将子光束B分为子光束E与子光束F，沿子光束E方向设有第三波前传感器，沿子光束F设有第四波前传感器；所述第一波前传感器输出端、第二波前传感器输出端、第三波前传感器输出端以及第四波前传感器输出端均与所述数据处理系统输入端连接；所述波前传感器包括微透镜阵列与面阵相机；所述面阵相机的靶面与所述微透镜阵列的焦平面重合；

通过波前传感器测量与波前传感器相对应的点的斜率，得到不同斜率组组成的斜率矩阵G；

设哈特曼波前传感器a(2)、哈特曼波前传感器b(3)、哈特曼波前传感器c(4)、哈特曼波前传感器d(5)依次为SH1、SH2、SH3和SH4；设SH1测量的(x,y)＝((2i-1)d,(2j-1)d)处的斜率为

i＝1,2,...,I，j＝1,2,...,J，上标f表示第一个，x和y分别表示沿x轴和y轴两个方向；SH2测量的(x,y)＝((2i-1)d,2jd)位置的斜率为

s表示第二个；SH3测量的(x,y)＝(2id,(2j-1)d)位置的斜率为

t表示第三个；SH4测量的(x,y)＝(2id,2jd)位置的斜率为

fo表示第四个；待测点阵

处的相位为

m＝1,2,...,2I+1，n＝1,2,...,2J+1，d表示波前测量的空间分辨率；为简化表示，令M＝2I+1，N＝2J+1；

根据测量模型，四个哈特曼波前传感器模块组合的波前测量问题可表述为：已知

i＝1,2,...,I，j＝1,2,...,J，求

m＝1,2,...,2I+1，n＝1,2,...,2J+1；

由定义知，各个哈特曼相机测量的各点处x方向和y方向的斜率与波前相位的关系为

式中，i＝1,2,...,I，j＝1,2,...,J；

通过波前传感器测量的相对应的点的横轴方向与竖轴方向的斜率矩阵G与波前相位

的关系，推导出波前方程

其中D为波前测量的空间分辨率：上式所示的方程组一共有8IJ个方程，将其表示为矩阵形式为：

2.根据权利要求1所述的一种高分辨波前检测装置，其特征在于：所述微透镜阵列设有若干个子透镜。

3.根据权利要求2所述的一种高分辨波前检测装置，其特征在于：所述波前传感器为哈特曼波前传感器。

4.根据权利要求1、2、3任一所述的一种高分辨波前检测装置的波前复原方法，其特征在于：所述高分辨波前检测装置的波前复原方法包括：

A.通过波前传感器测量与波前传感器相对应的点的斜率，得到不同斜率组组成的斜率矩阵G；

B.通过波前传感器测量的相对应的点的横轴方向与竖轴方向的斜率矩阵G与波前相位

的关系，推导出波前方程

其中D为波前测量的空间分辨率；

C.通过波前方程推导出波前传感器的高分辨率波前复原算法

其中D⁺为D的广义逆矩阵，且是波前传感器模块及其相对空间布局决定的已知矩阵；

D.通过编程对离焦、像散以及慧差三种相差对波前复原算法进行检验，验证波前复原算法的正确性。

5.根据权利要求4所述的一种高分辨波前检测装置的波前复原方法，其特征在于：所述步骤C的具体操作方法包括：所述波前复原算法基于所有波前传感器的高分辨率波前复原算法。

6.根据权利要求5所述的一种高分辨波前检测装置的波前复原方法，其特征在于：所述步骤D具体的操作步骤包括：通过编程对离焦、像散以及慧差三种相差对波前复原算法进行数值计算，得出复原波前分布数据，若复原波前分布数据与原始分布数据保持一致性，则推导的波前复原算法为正确算法。

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