CN112254829B - 一种基于pb微透镜阵列的波前传感器及其波前测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于PB微透镜阵列的波前传感器及其波前测量方法，包括：圆偏振光生成模块、液晶PB微透镜阵列模块和阵列型光电探测器模块；圆偏振光生成模块用于将入射光转换为圆偏振光；液晶PB微透镜阵列模块由具有相同PB相位分布的若干液晶PB微透镜单元组成，用于将圆偏振光聚焦于焦平面；探测器用于接收圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像。本发明的波前传感器通过若干液晶PB微透镜单元将入射光聚焦于焦平面成像，并根据探测器接收的入射光聚焦于焦平面的像对入射光的波前进行重构，测量装置简单，液晶PB微透镜阵列模块由平面结构的液晶PB微透镜单元组成，测量分辨率高，制造成本低且容易集成。

Description

一种基于PB微透镜阵列的波前传感器及其波前测量方法
技术领域
本发明涉及光学信息测量技术领域，具体涉及一种基于PB微透镜阵列的波前传感器及其波前测量方法。
背景技术
在光电探测、光通信系统、激光光束质量诊断、自适应光学等领域，均需要对光束的波前进行测量。目前已有的光束波前测量方法主要包括剪切干涉波前传感技术、曲率波前传感技术和夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感技术。
剪切干涉波前传感技术是将被测波前通过特定的分光元件分成两部分，使之产生某种相对位移(剪切)，经过剪切的两部分波前产生干涉，通过干涉条纹得到待测波前的相位和强度信息，测量装置结构复杂，测量精度取决于剪切元件的质量，波前分析算法比较繁琐。曲率波前传感技术通过测量焦平面上的光强分布求得波前的曲率和相位分布，测量装置的硬件构成复杂，适用波长受限。传统的夏克-哈特曼波前传感技术是利用微透镜阵列将被测量的波前在焦平面聚焦，聚焦光斑在阵列型光电探测器接受面成像，通过测量光斑像的偏移，计算重构波前的相位和强度分布，测量精度受限，结构复杂，且需要高成本元器件。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于PB微透镜阵列的波前传感器及其波前测量方法，旨在解决现有波前传感技术存在测量精度低、结构复杂、制造困难和成本高等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于PB微透镜阵列的波前传感器，其中，包括：依次设置的圆偏振光生成模块、液晶PB微透镜阵列模块和探测器；
所述圆偏振光生成模块由线性偏振片和四分之一波片组成，且所述四分之一波片靠近所述液晶PB微透镜阵列模块设置，所述四分之一波片的慢轴与所述线性偏振片的偏振方向成45度，所述圆偏振光生成模块用于将入射光转换为圆偏振光；
所述液晶PB微透镜阵列模块由具有相同PB相位分布的若干液晶PB微透镜单元组成，所述液晶PB微透镜阵列模块用于将所述圆偏振光聚焦于焦平面；
所述探测器设置于所述液晶PB微透镜阵列模块的焦平面上，用于接收所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像。
所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，其中，所述液晶PB微透镜单元的PB相位通过所述液晶PB微透镜单元中液晶分子的平面取向来调控，所述液晶PB微透镜单元的PB相位与所述液晶PB微透镜单元中液晶分子的平面取向满足关系：
Figure BDA0002663069300000031
其中，±2θ(r，α)为液晶PB微透镜单元的PB相位，θ(r，α)为在极坐标(r，α)位置液晶分子的取向方向角，+2θ(r，α)的PB相位对右旋圆偏振光聚焦，-2θ(r，α)的PB相位对左旋圆偏振光聚焦。
所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，其中，所述若干液晶PB微透镜单元为微米级尺寸。
所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，其中，所述液晶PB微透镜单元的形状为三角形、正方形、矩形、正六边形或菱形。
所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，其中，所述探测器为阵列型光电探测器；所述阵列型光电探测器为CCD相机、CMOS相机或者FPA红外相机。
一种所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器的波前测量方法，其中，包括：
通过所述圆偏振光生成模块将入射光转换为圆偏振光；
通过所述液晶PB微透镜阵列模块将所述圆偏振光聚焦于焦平面；
通过所述探测器接收所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像及测量所述入射光的波前强度分布；
根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像重构所述入射光的波前相位分布。
所述的波前测量方法，其中，所述根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像重构所述入射光的波前相位分布的步骤包括：
根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像确定所述入射光在每个所述液晶PB微透镜单元的入射光方向；
根据所述入射光方向获取每个所述液晶PB微透镜单元对应的波前微平面；其中，每个所述液晶PB微透镜单元对应的波前微平面与每个所述液晶微透镜单元的入射光方向垂直；
根据每个所述液晶PB微透镜单元对应的波前微平面重构所述入射光的波前相位分布。
所述的波前测量方法，其中，所述根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像确定所述入射光在每个所述液晶PB微透镜单元的入射光方向的步骤包括：
根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个所述液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角；
根据所述波前入射角和所述成像偏移角确定所述圆偏振光在每个所述液晶PB微透镜单元的入射光方向。
所述的波前测量方法，其中，所述根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个所述液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角的步骤包括：
根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个所述液晶PB微透镜单元所成像在所述探测器上的坐标值；
根据所述坐标值得到每个所述液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角。
所述的波前测量方法，其中，所述波前入射角的计算公式为：
Figure BDA0002663069300000051
其中，(Δx，Δy)为液晶PB微透镜单元所成像在探测器上的坐标值，f为液晶PB微透镜单元的焦距。
本发明的有益效果：本发明的波前传感器通过若干液晶PB微透镜单元将入射光聚焦于焦平面成像，并根据探测器接收的入射光聚焦于焦平面的像对入射光的波前进行重构，测量装置简单，液晶PB微透镜阵列模块由平面结构的液晶PB微透镜单元组成，测量分辨率高，制造成本低且容易集成。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种基于PB微透镜阵列的波前传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中提供的液晶PB微透镜单元汇聚光束结构示意图；
图3是本发明实施例中提供的液晶PB微透镜单元为正六边形时，液晶PB微透镜阵列模块的结构示意图；
图4是本发明实施例中提供的一种波前传感器的波前测量方法的一个实施例流程图；
图5是本发明实施例中波前相位重构结构示意图；
图6是本发明实施例中波前入射结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或若干个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更若干个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。本发明中所述的“若干”指两个或者两个以上。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为了解决现有波前传感技术测量精度低、结构复杂、制造困难和成本高的问题。本发明实施例中提供了一种基于PB微透镜阵列的波前传感器，如图1所示，所述波前传感器包括：依次设置的圆偏振光生成模块3、液晶PB微透镜阵列模块1和探测器2；所述圆偏振光生成模块3由线性偏振片31和四分之一波片32组成，且所述四分之一波片32靠近所述液晶PB微透镜阵列模块1设置，所述四分之一波片32的慢轴与所述线性偏振片31的偏振方向成45°，所述圆偏振光生成模块3用于将入射光转换为圆偏振光；所述液晶PB微透镜阵列模块1由具有相同PB(Pancharatnam-Berry)相位分布的若干液晶PB微透镜单元11组成，所述液晶PB微透镜阵列模块1用于将圆偏振光聚焦于焦平面；所述探测器2设置于所述液晶PB微透镜阵列模块1的焦平面上，用于接收所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块1焦平面所成的像。具体地，液晶PB微透镜单元11为具有特殊液晶分子取向分布，即具有特殊PB相位分布的平面微透镜，用于汇聚射入其表面的光束。如图2所示，为液晶PB微透镜单元11汇聚光束示意图，待测入射光经过具有相同PB相位分布的若干液晶PB微透镜单元11聚焦后，成像于若干液晶PB微透镜单元11的焦平面，然后由设置于液晶PB微透镜阵列模块1的焦平面上的探测器2对入射光所成的像进行接收，通过探测器2直接测量入射光的波前光强分布，并根据入射光在每个液晶PB微透镜单元11焦平面所成像对其焦平面中心的偏移量重构入射光的波前相位分布，传感器结构简单，液晶PB微透镜阵列模块1由平面结构的液晶PB微透镜单元11组成，测量分辨率高，制造成本低且容易集成。
具体实施时，根据广义折射定律和透镜的光束聚焦性质，液晶PB微透镜单元11的相位分布与液晶PB微透镜单元11焦距f的关系可以表示为：
Figure BDA0002663069300000081
其中，以液晶PB微透镜单元11中心为原点，(r，α)为液晶PB微透镜单元11平面的极坐标，f为液晶PB微透镜单元11的焦距，λ0为液晶PB微透镜单元11的设计波长。根据PB相位可以得到，所述液晶PB微透镜单元11的PB相位与所述液晶PB微透镜单元11中液晶分子的平面取向满足关系：
Figure BDA0002663069300000082
其中，±2θ(r，α)为液晶PB微透镜单元11的PB相位，θ(r，α)为在极坐标(r，α)位置液晶分子的取向方向角，+2θ(r，α)的PB相位对右旋圆偏振光聚焦，-2θ(r，α)的PB相位对左旋圆偏振光聚焦。由上述公式可以看出，只要控制液晶分子的平面取向分布，就能实现液晶PB微透镜单元11的PB相位分布，即实现焦距为f的液晶PB微透镜单元11对光束的聚焦作用。本实施例中所采用的基于PB微透镜阵列的波前传感器，对入射光的波前测量分辨率由液晶PB微透镜单元11的一致性及尺寸决定，通过光控液晶分子的取向，实现每一个液晶PB微透镜单元11具有完全相同的PB相位分布，即具有相同的焦距，从而实现液晶PB微透镜的光束聚焦功能。
进一步地，所述液晶PB微透镜阵列模块1中每个液晶PB微透镜单元11的尺寸均为微米级，从而使得基于PB微透镜阵列的波前传感器对波前测量分辨率达到衍射极限。液晶PB微透镜阵列模块1中各液晶PB微透镜单元11为平面结构，制造成本低，容易集成。
进一步地，组成所述液晶PB微透镜阵列模块1的各个液晶PB微透镜单元11的形状相同，所述液晶PB微透镜单元11形状可以为三角形、正方形、矩形、正六边形、菱形等，具有这些形状的若干液晶PB微透镜单元11可以紧密排列形成液晶PB微透镜阵列模块1。在一具体实施例中，所述若干液晶PB微透镜单元11为正六边形，如图3所示，为多个正六边形的液晶PB微透镜单元11紧密排列形成的液晶PB微透镜阵列模块1的结构示意图。
具体实施时，所述探测器2为阵列型光电探测器，所述阵列型光电探测器可以为CCD(Charge-coupled Devices)相机、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相机、或者FPA(Focal Plane Array)相机，所述探测器2接收到入射光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块1焦平面所成的像后，可以直接测量入射光的波前强度分布。在一具体实施例中，所述探测器2为阵列型CCD探测器。
基于上述所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，本发明还提供了一种波前传感器的波前测量方法，如图4所示，包括步骤：
S1、通过所述圆偏振光生成模块将入射光转换为圆偏振光；
S2、通过所述液晶PB微透镜阵列模块将所述圆偏振光聚焦于焦平面；
S3、通过所述探测器接收所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像及测量所述入射光的波前强度分布；
S4、根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像重构所述入射光的波前相位分布。
具体实施时，需要对波前进行测量时，首先通过圆偏振光生成模块将入射光转换为圆偏振光，然后通过液晶PB微透镜阵列模块将圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块的焦平面上，并通过探测器接收圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像，探测器能够直接测量入射光的波前强度分布，并将圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像传输至计算机中，计算机根据圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像重构出入射光的波前相位分布。
在一具体实施方式中，步骤S4具体包括：
S41、根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像确定所述入射光在每个所述液晶PB微透镜单元的入射光方向；
S42、根据所述入射光方向获取每个所述液晶PB微透镜单元对应的波前微平面；其中，每个所述液晶PB微透镜单元对应的波前微平面与每个所述液晶微透镜单元的入射光方向垂直；
S43、根据每个所述液晶PB微透镜单元对应的波前微平面重构所述入射光的波前相位分布。
具体实施时，如图5所示，计算机获取到圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像后，根据圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像确定入射光在每个液晶PB微透镜单元的入射光方向，然后在每个液晶PB微透镜单元位置作与入射光方向垂直的平面，得到每个液晶PB微透镜单元对应的波前微平面，随后将每个液晶PB微透镜单元对应的波前微平面相连，得到入射光的波前形状，即得到入射光的波前相位分布。
在一具体实施方式中，步骤S41具体包括：
S411、根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个所述液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角；
S412、根据所述波前入射角和所述成像偏移角确定所述入射光在每个所述液晶PB微透镜单元的入射光方向。
具体实施时，为了确定入射光在每个液晶PB微透镜单元的入射光方向，本实施例中根据圆偏振光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角。如图6图所示，所述波前入射角为液晶PB微透镜单元和探测器的法线与入射光的夹角β，所述成像偏移角是以法线与探测器相交的点为原点，在探测器平面上作二维坐标后，成像点与原点之间的连线与X轴的夹角
Figure BDA0002663069300000111
由图6可以看出，波前入射光方向可以由β和
Figure BDA0002663069300000112
唯一确定。
在一具体实施方式中，步骤S411具体包括：
S4111、根据所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个所述液晶PB微透镜单元所成像在所述探测器上的坐标值；
S4112、根据所述坐标值得到每个所述液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角。
具体地，波前在探测器上的像通常可以近似为高斯分布。通过用高斯函数拟合光强分布，可以找到光强最大值的坐标。当平行光垂直入射，波前在探测器上的像的中心对应于PB微透镜单元的光轴与探测器阵列的交点。
前述步骤中提到的波前入射角的计算公式为
Figure BDA0002663069300000121
Figure BDA0002663069300000122
其中，β为波前入射角，Δr为液晶PB微透镜单元的成像偏移量，f为液晶PB微透镜单元的焦距，(Δx，Δy)为液晶PB微透镜单元所成像的中心在探测器上相对于PB微透镜单元的光轴的坐标值。成像偏移角的计算公式为
Figure BDA0002663069300000123
其中，
Figure BDA0002663069300000124
为成像偏移角，(Δx，Δy)为液晶PB微透镜单元所成像在探测器上的坐标值。
具体实施时，由上述波前入射角和成像偏移角的计算公式可知，为了获得波前入射角和成像偏移角，需要首先根据入射光聚焦于液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像得到每个液晶PB微透镜单元所成像在探测器上的坐标值(Δx，Δy)，然后根据坐标值(Δx，Δy)得到每个液晶PB微透镜单元的波前入射角和成像偏移角。
综上所述，本发明提供的一种基于PB微透镜阵列的波前传感器及其波前测量方法，包括：圆偏振光生成模块、液晶PB微透镜阵列模块和探测器；所述的圆偏振光生成模块由一个线性偏振片和一个四分之一波片组成，且所述四分之一波片靠近所述液晶PB微透镜阵列模块设置，四分之一波片的慢轴与线性偏振片的偏振方向成45度，将入射光变为圆偏振光；所述液晶PB微透镜阵列模块由具有相同PB相位分布的若干液晶PB微透镜单元组成，所述液晶PB微透镜阵列模块用于将圆偏振光聚焦于焦平面；所述探测器设置于所述液晶PB微透镜阵列模块的焦平面上，用于接收所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像。本发明的波前传感器通过若干液晶PB微透镜单元将波前聚焦于焦平面成像，并根据探测器接收的波前聚焦于焦平面的像对入射光的波前进行重构，测量装置简单，液晶PB微透镜阵列模块由平面结构的液晶PB微透镜单元组成，测量分辨率高，制造成本低且容易集成。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于PB微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，包括：依次设置的圆偏振光生成模块、液晶PB微透镜阵列模块和探测器；
所述圆偏振光生成模块由线性偏振片和四分之一波片组成，且所述四分之一波片靠近所述液晶PB微透镜阵列模块设置，所述四分之一波片的慢轴与所述线性偏振片的偏振方向成45度，所述圆偏振光生成模块用于将入射光转换为圆偏振光；
所述液晶PB微透镜阵列模块由具有相同PB相位分布的若干液晶PB微透镜单元组成，所述液晶PB微透镜阵列模块用于将所述圆偏振光聚焦于焦平面；
所述探测器设置于所述液晶PB微透镜阵列模块的焦平面上，用于接收所述圆偏振光聚焦于所述液晶PB微透镜阵列模块焦平面所成的像；
所述若干液晶PB微透镜单元为微米级尺寸；
所述液晶PB微透镜阵列模块中各液晶PB微透镜单元为平面结构；
所述液晶PB微透镜单元的形状为三角形、正方形、矩形、正六边形或菱形。
2.根据权利要求1所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，所述液晶PB微透镜单元的PB相位通过所述液晶PB微透镜单元中液晶分子的平面取向来调控，所述液晶PB微透镜单元的PB相位与所述液晶PB微透镜单元中液晶分子的平面取向满足关系：
Figure FDA0003768413410000011
其中，±2θ(r，α)为液晶PB微透镜单元的PB相位，θ(r，α)为在极坐标(r，α)位置液晶分子的取向方向角，+2θ(r，α)的PB相位对右旋圆偏振光聚焦，-2θ(r，α)的PB相位对左旋圆偏振光聚焦。
3.根据权利要求1所述的基于PB微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，所述探测器为阵列型光电探测器；所述阵列型光电探测器为CCD相机、CMOS相机或者FPA红外相机。
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