CN112229528B - 基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪 - Google Patents

Abstract

基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪，包括费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列，记录相机和计算机。本发明利用费马螺旋与透镜阵列组合产生的多焦点自干涉透镜阵列生成可控的多个焦点，相比传统的仅使用单焦点的哈特曼波前传感仪可以得到不同结构的焦斑阵列，从而提高待测波前的恢复精度。所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列是使用费马螺旋划分透镜区域生成自干涉透镜，所述的自干涉透镜的相位分布受到费马螺旋线的调制，可以将入射波前调制后生成多个焦点。

Description

基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪

技术领域

本发明属于哈特曼波前传感仪，特别是基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种使用波前分割采样阵列将入射光汇聚在匹配的阵列光电探测器上获取波前曲率信息的波前探测仪器，该技术在光学检测、光电探测、自适应光学等领域已有广泛应用。波前信息的相位分布一直以来是人们感兴趣的话题，因为一般的光电探测器如CCD或者CMOS只对光强度做出相应，而相位信息不能直接被这些光电探测器测量得出。与传统的对波前的测量法相比较，哈特曼波前传感器具有结构简单，操作方便的特点，不同于干涉法的多路径设置或衍射法的迭代处理，哈特曼波前传感器再获取焦斑位移信息后通过计算焦斑的质心偏移给出波前的曲率分布，无需引入参考光或者使用费时的迭代算法处理；相比于剪切干涉波前测量或曲率波前传感，哈特曼波前传感有较高的能量利用率。此外，哈特曼波前传感器也可适用于不同类型的激光波前，对连续光或脉冲光都可以实时测量。

传统哈特曼波前传感器在测量时一般通过微透镜阵列这类可以对空域波前分割取样的元件将入射波前分割为子单元波前，每个子单元的波前由单个微透镜会聚后在焦平面处生成焦斑，对每个焦斑的质心相对微透镜阵列子单元中心位置的相对偏移量计算后就可得出入射波前的相位测量数据。由于传统的哈特曼波前传感器只采集单焦点提供的的位移信息，在质心求取时存在一定的波动误差，影响测量结果的准确性。从阵列透镜的结构特点入手，可以通过增加微透镜阵列对入射波前信息的处理能力的方式来产生携带更多波前信息的焦斑阵列。如果对于相同尺寸的微透镜阵列而言增加子透镜产生的焦点个数，那么在处理时就可以提升对入射波前的测量精度。此外，将单个焦点分裂成多个焦点，也增加了光电探测器靶面的空间带宽积利用率，提高了数据的信息密度。本发明专利提出了基于多焦点衍射透镜的哈特曼波前传感装置。该装置结构简单、对实验环境要求低、抗干扰能力强，可提高测量精度。本装置所提供的费马螺旋自干涉透镜可用于包括可见光到极紫外波段、X射线到太赫兹波段在内的相干波段，成本低、使用效率高，本装置中的费马螺旋线自干涉透镜也可为短波超分辨波前传感及提高短波超分辨波前传感测量精度提供了新的技术方案。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于提供一种基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪，该方法对入射的待测波前通过费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列调制后生成可控的多焦点阵列。该方法能够实时快速地检测入射波前，提高测量精度。

本发明的技术方案如下：

基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪，该系统包括费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列，记录相机和计算机。入射的待测波前经过费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列调制后在焦平面生成多焦点，由记录相机获取点阵分布信息，最后由计算机通过泽尼克多项式进行拟合处理。

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列(1)由费马螺旋自干涉透镜作为子单元阵列排布组成。

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的每个子透镜是左旋费马螺旋透镜和右旋费马螺旋透镜的组合，费马螺旋透镜的相位分布θ(x,y)满足

其中

为透镜直角坐标系下点(x,y)处的角度坐标，r(x,y)为透镜直角坐标系下点(x,y)处的半径坐标，a为费马螺旋透镜的相位系数，b为费马螺旋透镜的半径系数，调节a与b的值可以获取不同旋向不同焦距的费马螺旋透镜。

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列生成的多焦点阵列的空间分布经由记录相机记录，之后由计算机利用泽尼克多项式拟合处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明结构简单，操作方便，有一定的鲁棒性，对外界环境的干扰不敏感。

2、本发明通过使用费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列对入瞳焦平面处的光场进行区域分割从而获得多焦点的相对位移分布，提高了待测波面的波前曲率拟合复原精度。

3、本发明可实现大口径待测波面的直接测量，可扩展哈特曼波前传感器的应用范围，可降低哈特曼波前传感器光学系统的复杂程度。

附图说明

图1为本发明基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪的结构图。

图2为本发明中费马螺旋自干涉透镜的结构图，其中费马螺旋自干涉透镜由左旋和右旋费马螺旋透镜分别采用空分复用技术组成。

图3为本发明的实验结果对比图(单位：波长)，其中a为入射的待测波前的相位分布，b为传统单焦点哈特曼波前传感器所得结果，c为b的残差分布，d为本方法所得结果，e为d的残差分布。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪的结构示意图，由图可见，本发明基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪，包括费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列1，记录相机2和计算机3。

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列1由费马螺旋自干涉透镜作为子单元组成，

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的每个子透镜是左旋费马螺旋透镜和右旋费马螺旋透镜的组合，费马螺旋透镜的相位分布θ(x,y)满足

其中

为透镜直角坐标系下点(x,y)处的角度坐标，r(x,y)为透镜直角坐标系下点(x,y)处的半径坐标，a为费马螺旋透镜的相位系数，b为费马螺旋透镜的半径系数，调节a的值可以获取不同旋向的费马螺旋相位分布，调节b的值可以获取不同焦距的费马螺旋透镜。

所述的记录相机2为CCD记录相机、CMOS图像传感器或热电阵列记录相机。

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列生成的多焦点阵列的空间分布经过记录相机2记录，之后由计算机3通过泽尼克多项式拟合处理。

实施例：待测波前由Zernike多项式拟合程序随机生成，加载于空间光调制器上作为入射的待测波前，见图3的a(单位：波长)。实验中使用的相干光源的中心波长为632.8nm的氦氖激光器，费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列1由空间光调制器产生，调制器上设置6x6的透镜阵列，每个子透镜的尺寸为175个像素，透镜焦距设为125mm，焦点个数设置为4，记录相机2的记录面设置在阵列焦斑平面。设定好的随机波前经过阵列后产生的多焦点阵列焦斑被接收后由计算机3处理，处理后的结果与输入波前的残差分布分别见图3的d和e。作为对比，图3的b和c分别给出了相同参数设置下单焦点情况下的重构结果和残差分布。

实验结果表明，本发明基于费马螺旋自干涉多焦点透镜的哈特曼波前传感仪，对应的重构数据结果中残差的峰谷值(PV)约为0.13个波长，均方根值(rms)约为0.027个波长，而相同设置下传统的单焦点哈特曼波前传感器所得结果中，残差的峰谷值(PV)约为0.18个波长，均方根值(rms)约为0.041个波长，本发明所得结果优于传统方法中单焦点情况下对应的结果。

本发明的关键技术是对费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列中透镜相位的费马螺旋相位分布实现空分复用技术，可调节参数以生成不同的多焦点，应对实际应用中不同种类的入射波前。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列的哈特曼波前传感仪，其特征是，包括费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列(1)，记录相机(2)和计算机(3)；

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列(1)接收入射的待测波前后产生多焦点阵列，多焦点的空间分布由记录相机(2)接收并记录，经过计算机(3)解调后获得入射的待测波前的波前曲率分布；

所述的费马螺旋自干涉多焦点透镜阵列(1)由费马螺旋自干涉透镜作为子单元阵列排布组成，每个费马螺旋自干涉透镜由左旋和右旋费马螺旋透镜分别采用空分复用技术组成，可以产生多个焦点；

所述的费马螺旋自干涉透镜的基元相位分布是费马螺旋透镜的相位分布θ(x,y)，且满足

其中

为透镜直角坐标系下点(x,y)处的角度坐标，r(x,y)为透镜直角坐标系下点(x,y)处的半径坐标，a为费马螺旋透镜的相位系数，b为费马螺旋透镜的半径系数，通过调节系数a与b可以获取不同旋向不同焦距的费马螺旋透镜。

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