CN111998962B - 一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，在微透镜阵列子孔径内引入了随机二元相位调制，形成二元相位调制阵列，光束通过阵列型二元相位调制微透镜阵列被分割后聚焦于光电探测器上，形成特殊的光斑阵列图像，最终根据调制后的光斑阵列图的强度分布，采用相位恢复算法复原波前。本发明通过一种具有阵列型二元相位调制元件，对子孔径内光束实施特殊的相位调制，降低了探测精度对高密度子孔径空间采样的依赖，提高了低子孔径密度哈特曼波前传感器的探测精度，有望用于暗弱波前探测、高精度波前探测等领域。

Description

一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器
技术领域
本发明属于波前探测技术领域，尤其涉及一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器。
背景技术
波前探测技术是一种重要的光学信息测量手段，已经广泛地应用于天文探测、激光光束质量检测、医学成像、自适应光学等诸多领域。现有的波前探测技术主要有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恢复法等。这些波前传感技术根据不同测量方式和自身独特的优势被用于不同的应用场景。其中，哈特曼波前传感器以结构简单、能够同时测量x、y两个方向的斜率、光能利用率高等优势成为目前应用最为广泛的波前探测技术之一。
典型的哈特曼波前传感器参见中国专利申请公开说明书(申请号CN98112210.8，公开号CN245904)公开的一种光学波前传感器，其实现方式是：采用微透镜阵列分割待测光束的波前，然后根据CCD上各子孔径光斑质心位置的偏移量来估算对应子波前的斜率，最后利用相应算法重构波前相位(Dai G.Modal wave-front reconstruction with Zernikepolynomials and Karhunen–Loève functions[J].Journal of the Optical Society ofAmerica A,1996,13(6):1218-1225.)。但哈特曼波前传感器的探测精度受微透镜阵列或子孔径采样率的限制，尤其当被测目标为暗弱信标时，需要采用低采样率的微透镜阵列才能保证获得较准确的远场信息，就传统哈特曼波前传感器而言，降低波前采样率意味着降低传感器对高阶像差的探测能力，从而导致探测精度精度下降。因此，目前亟需一种新的哈特曼传感器器结构以提高其在低空间采样率下的探测性能，实现对暗弱信标的高精度波前探测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提高哈特曼波前传感器在低空间采样率条件下的探测性能，实现对暗弱波前的高精度波前探测。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，采用特殊的阵列型二元相位调制元件调制入射光束，主要由二元相位调制微透镜阵列和光电探测器组成。光电探测器置于二元相位调制微透镜阵列的焦平面处；光束经过二元相位调制微透镜阵列后被分割聚焦到光电探测器上，形成特殊的光斑阵列图像，最后采用相位恢复算法从光斑阵列图像中复原波前。
进一步地，所述的阵列型二元相位调制元件可以是直接在微透镜阵列中刻蚀阵列型二元相位，也可以是阵列型二元相位调制元件与微透镜阵列的组合，阵列型二元相位调制元件置于微透镜阵列前或者贴附于微透镜阵列上，且阵列型二元相位调制元件的子孔径与微透镜阵列的子孔径一一对应。
进一步地，所述的阵列型二元相位调制元件在每个子孔径内引入的相位调制是非连续的、非中心对称的二元相位，则整个阵列型二元相位调制由下式表述：
Figure BDA0002639217730000021
式中(x,y)为阵列型二元相位调制元件的空间坐标，a、b分别为阵列型二元相位调制元件在x、y方向上的尺寸，
Figure BDA0002639217730000022
为每个子孔径内引入的非连续的、非中心对称的二元相位调制，
Figure BDA0002639217730000023
为梳状函数，
Figure BDA0002639217730000024
为矩形函数。
进一步地，所述的一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，阵列型二元相位调制元件的透过率函数为：
Figure BDA0002639217730000025
式中f为微透镜阵列的焦距，式中a、b分别为随机二元相位调制微透镜阵列在x、y方向上的尺寸，k＝2π/λ为波数,λ为波长。
另外提供一种用于基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器的波前探测方法：光束通过该装置后，获得特殊的光斑阵列图，然后根据CCD上光斑强度分布信息通过相位恢复算法复原波前。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明所述的哈特曼波前传感器通过引入阵列型二元相位调制元件，改变了传统哈特曼波前传感器远场光强分布与入射波前的映射关系，降低了对称像差对波前探测的影响，提高了波前探测的精度；同时，本发明能够有效降低哈特曼波前传感器的测量精度对高密度空间采样的依赖，能够在稀疏子孔径条件下实现对波前的高精度复原，有望用于暗弱信标的高精度波前探测等相关领域。
附图说明
图1为本发明实施一中所采用的光学结构示意图，其中1为阵列型二元相位调制元件，2为微透镜阵列，3为光电探测器。
图2为本发明实施例一中输入的待测波前及对应的特殊光斑阵列图像，其中，图2(a)为实施例一中输入的待测波前，图2(b)为实施例一中输入的待测波前对应的特殊光斑阵列图像。
图3为本发明实施例一中本方法所述方法波前复原结果及波前复原残差，其中，图3(a)为实施例一中本方法所述方法波前复原结果，图3(b)为实施例一中本方法所述方法波前复原残差。
图4为本发明实施例一中传统方法波前复原结果及波前复原残差，其中，图4(a)为实施例一中传统方法波前复原结果，图4(b)为实施例一中传统方法波前复原残差。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例一，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，在实施例一中采用阵列型二元相位调制元件与微透镜阵列的组合，子孔径呈2×2排布，每个子孔径内以中心为原点建立直角坐标系，一、三象限引入相位0，二、四象限引入相位π/2；CCD位于微透镜阵列的焦平面处，其分辨率为512×512pixel。
实施例一中，随机生成包含2～64阶Zernike像差的畸变波前，如图2(a)所示(PV＝7.9172rad,RMS＝1.7644rad)，光束经阵列型二元相位调制元件、微透镜阵列后聚焦于CCD上，形成光斑阵列图如图2(b)所示。根据光斑阵列图的强度分布，采用以下步骤复原波前。
步骤1：已知近场和远场光强分布Inear(x,y)、Ifar(x’,y’)，令初始相位
Figure BDA0002639217730000031
则阵列型二元相位调制元件前，光波复振幅分布：
Figure BDA0002639217730000032
其中，(x,y)为光波在阵列型二元相位调制元件处的空间坐标，Inear(x,y)为实际测量的近场光强分布，
Figure BDA0002639217730000033
为近场相位。
步骤2：由角谱衍射公式，计算远场复振幅分布：
Figure BDA0002639217730000034
式中(x’,y’)为光波在像平面处的空间坐标，Afar(x’,y’)、
Figure BDA0002639217730000035
分别是经过衍射公式计算得到的远场光波振幅和相位。
步骤3：将由计算得到的远场光波振幅对应的远场光强分布|Efar|2与实测光斑阵列强度分布Ifar作对比，其差异评价公式为：
Figure BDA0002639217730000041
若SSE小于10-4，输出当前迭代的相位
Figure BDA0002639217730000042
相位恢复算法结束；若SSE大于设定的判定标准，则继续执行以下步骤；
步骤4：用实测远场强度分布的平方根
Figure BDA0002639217730000043
替换计算得到的远场光波的振幅Afar，远场光波的相位分布保持不变，形成新的远场复振幅为：
Figure BDA0002639217730000044
步骤5：利用新的远场复振幅Efar *，求逆衍射后对应的近场场强的复振幅为：
Figure BDA0002639217730000045
式中
Figure BDA0002639217730000046
分别是经过逆衍射计算后得到的近场光波振幅和相位。
步骤6：用
Figure BDA0002639217730000047
分别替换
Figure BDA0002639217730000048
构成新的近场光波复振幅，重新进入步骤1，开始新一轮的迭代计算，最终迭代100次后满足步骤3的判定标准，输出波前复原结果如图3所示，图3(a)为本发明复原的波前(PV＝7.8893rad，RMS＝1.7260rad)，图3(b)为本发明复原波前残差(PV＝0.1637rad,RMS＝0.0463rad)，从复原的结果可以看出，本发明复原波前与输入波前基本吻合，可以较好复原波前；为了将本发明与传统的哈特曼传感器技术对比，实施例一中给出了子孔径数目为2×2条件下，经典哈特曼波前复原方法的复原结果，如图4所示，图4(a)为本发明复原的波前(PV＝10.1928rad，RMS＝0.5535rad)，图4(b)为本发明复原波前残差(PV＝8.3185rad,RMS＝1.6758rad)，从图4和复原结果的数据可以看出，传统方法复原的波前与输入波前大相径庭，无法有效复原波前。从上述结果充分说明，本发明能够有效降低哈特曼波前传感器的测量精度对高密度空间采样的依赖，能够在稀疏子孔径条件下实现对波前的高精度复原。
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 (2)

1.一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，其特征在于：采用特殊的阵列型二元相位调制元件调制入射光束，主要由二元相位调制微透镜阵列和光电探测器组成，光电探测器置于二元相位调制微透镜阵列的焦平面处；光束经过二元相位调制微透镜阵列后被分割聚焦到光电探测器上，形成特殊的光斑阵列图像，最后采用相位恢复算法从光斑阵列图像中复原波前；
所述的阵列型二元相位调制元件在每个子孔径内引入的相位调制是非连续的、非中心对称的二元相位，则整个阵列型二元相位调制由下式表述：
Figure FDA0003634139360000011
式中(x,y)为阵列型二元相位调制元件的空间坐标，a、b分别为阵列型二元相位调制元件在x、y方向上的尺寸，
Figure FDA0003634139360000012
为每个子孔径内引入的非连续的、非中心对称的二元相位调制，
Figure FDA0003634139360000013
为梳状函数，
Figure FDA0003634139360000014
为矩形函数。
2.如权利要求1所述的一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的阵列型二元相位调制元件是直接在微透镜阵列中刻蚀阵列型二元相位，或者是阵列型二元相位调制元件与微透镜阵列的组合，阵列型二元相位调制元件置于微透镜阵列前或者贴附于微透镜阵列上，且阵列型二元相位调制元件的子孔径与微透镜阵列的子孔径一一对应。
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