CN112304443B - 一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，包含有光束发散系统，微透镜阵列，光电探测器和两个平移装置。通过驱动两个平移装置使得设置在其上的微透镜阵列和光电探测器可沿光轴方向前后移动，从而改变分割波前的子孔径阵列数，并通过本发明提出的波前复原算法反演波前，从而实现空间分辨率可变的波前探测能力。本发明直接采用球面波进行标定，简化了光学结构，用微透镜阵列直接分割球面波前，提高了光能利用率，并且实现了采样率大范围连续可调，对输入探测对象特性变化较大的场合具有更好的波前探测适应能力。

Description

一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器

技术领域

本发明涉及哈特曼波前传感器，特别涉及一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种测量入射光束波前信息的传感器，最初主要应用于自适应光学，是自适应光学的重要组成部分。由于哈特曼波前传感器具有结构简单、光能利用率高、实时性好等优势，逐渐应用于面形检测、人眼像差测量、光学系统装调等领域，是现今应用最为广泛的波前传感器。

经典的哈特曼波前传感器主要由光束口径匹配系统、波面分割采样阵列和光电传感器组成。其测量方法大致如下：入射波前经光束口径匹配系统缩束后，再由波前分割采样阵列分割成许多子孔径波前，然后汇聚于光电传感器上形成一系列光斑，通过处理光斑图像数据可以复原出待测波前。但是，哈特曼波前传感器一经设计出来，其空间分辨率等参数便不再改变，这样局限了哈特曼波前传感器的使用场景。对于同一装置，实现哈特曼波前传感器的采样率可调是十分有意义的。

为此，国内外同行开展了大量的研究工作。在ESO的VTL的NAOS自适应光学系统中，研究学者们采用两套不同采样率的微透镜阵列(14×14和7×7)来解决光强减弱无法测量的问题。北京理工大学的陈笠等人在哈特曼波前传感器和被测波前之间加入了一个变倍光学系统，实现了从8×8到2×2四种不同采样率的变化。2003年Jungtae Rha等人利用液晶相位调制器来替换传统玻璃材质的微透镜阵列，通过电信号直接改变液晶微透镜阵列的子孔径大小来改变采样率。Baranec和Dekany等人则提出，一种基于电控分割成像反射镜的哈特曼波前传感器来实现变采样率率测量。

上述的方法在不同程度上解决了波前探测需要变分辨率的要求，但也明显看到了上述方法使用时存在的问题，如光能利用率不高，分辨率变化范围较小等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述问题困难和矛盾，提供一种连续可变分辨率波前探测装置，其为基于球面波标定测量的采样率可调的哈特曼波前传感器。该装置利用两个简单的一维平移方式，实现了波前探测分辨率的连续可变，新的波前探测装置不需要复杂的光学变倍系统或液晶等分割装置，保持了原有哈特曼传感器高能量利用率的特点，同时也适用于点目标和扩展目标的波前信息探测。

本发明采用的技术方案为：一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，包含有光束发散系统，微透镜阵列，光电探测器，微透镜平移装置和探测器平移装置。测量方法如下：平行入射波前经过光束发散系统后形成一个球面波前，球面波前经微透镜阵列分割后，聚焦于光电传感器上形成光斑点阵，通过光斑点阵的偏移量计算波前斜率并复原波前。其中，微透镜阵列分割的波前为球面波前；微透镜阵列可以通过微透镜平移装置沿光轴前后移动，光电传感器可以通过探测器平移装置沿光轴前后移动；微透镜阵列沿光轴前后移动可以改变其分割波前的子孔径阵列数，从而达到改变空间采样率的目的；光电传感器可以沿光轴前后移动达到光斑最佳聚焦位置。

进一步地，所述的光束发散系统采用单透镜或胶合透镜或多透镜组成的光学系统。

进一步地，所述的光电传感器采用CCD探测器或CMOS探测器。

进一步地，所述的微透镜平移装置和探测器平移装置采用平移台或镜头机身驱动。

进一步地，所述的光电传感器采集到的子孔径光斑质心偏移量与子孔径波前斜率的关系是(见图3)：

其中，参考标定光束与光轴夹角为θ₁，实际测量光束与光轴夹角为θ₂；D_ij、Q_ij、和M_ij表示子孔径、参考质心和被测波前质心分别到参考光轴的距离，ij是子孔径位置编号。

进一步地，对于入射波前为球面波前的情况，可以略去光束发散系统。

与经典的哈特曼波前传感器比较，本发明采用球面波进行标定，简化了光学结构，用微透镜阵列直接分割球面波前，并通过平移装置使微透镜阵列和光电传感器可以沿光轴前后移动，从而实现采样率可调，提高了哈特曼波前传感器的适应性和应用范围。

附图说明

图1是本发明测量波前的结构示意图；

图2是本发明球面波前标定的结构示意图；

图3是微透镜阵列子孔径波前计算斜率的几何光路图。

图中附图标记含义为：1为光束发散系统，2为微透镜阵列，3为光电传感器，4为微透镜平移装置，5为探测器平移装置，6为标准球面点光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提出的基于球面波标定的采样率可调的哈特曼波前传感器的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，平行入射波前经过光束发散系统1后形成一个球面波前，球面波前经微透镜阵列2分割后，聚焦于光电传感器3上形成一系列光斑点阵，通过光斑点阵的偏移量计算波前斜率并复原波前。具体实施步骤如下：

步骤S1：如图2所示，用标准球面点光源6对微透镜阵列2和光电传感器3进行标定，获得参考子孔径光斑质心数据。标定时，微透镜阵列2通过微透镜平移装置4移动到预设的采样率所对应的位置，光电传感器3通过探测器平移装置5移动到光斑最佳聚焦位置，记录下微透镜阵列2的位置R1和光电传感器3的位置L1以及光斑质心数据。重复此步骤可以获得多组采样率标定的位置信息({[R1,L1],[R2,L2],[R3,L3],···})和相应光斑质心数据。

步骤S2：如图1所示，平行入射波前经过光束发散系统1后形成一个球面波前，球面波前经微透镜阵列2分割后，聚焦于光电传感器3上形成一系列光斑点阵。测量时，微透镜阵列2和光电传感器3先通过微透镜平移装置4、探测器平移装置5移动到预设的采样率所对应的位置{Rn，Ln}(n代表不同采样率的编号)，然后在获取被测波前的光斑质心数据。

步骤S3：通过被测波前的光斑质心数据和标定的光斑质心数据计算微阵列透镜2各个子孔径所分割的子波前的斜率。计算方法如下：如图3所示，是一个子孔径的计算原理图：参考标定光束与光轴夹角为θ₁，实际测量光束与光轴夹角为θ₂，参考光斑质心到光轴距离为Q_ij，待测波前的光斑质心到光轴距离为M_ij，下标ij是子孔径的编号，D_ij为子孔径到光轴的距离，tanβ即子波前的斜率。由简单的几何关系可得：

进一步可以得到：

步骤S4：获得微透镜阵列2各个子孔径分割的子波前的斜率数据后，便可以通过模式法或区域法复原出待测波前。

该实施案例针对被测入射波前为平行波前的情况，对于被测波前为球面波前的情况，则在测量过程中省去光束发散系统1即可，其他步骤与该实施案例一致。

Claims (5)

1.一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，其特征在于：包含有光束发散系统(1)，微透镜阵列(2)，光电传感器(3)，微透镜平移装置(4)和探测器平移装置(5)，测量方法如下：平行入射波前经过光束发散系统(1)后形成一个球面波前，球面波前经微透镜阵列(2)分割后，聚焦于光电传感器(3)上形成光斑点阵，通过光斑点阵的偏移量计算波前斜率并利用模式法或区域法复原波前，微透镜阵列(2)分割的波前为球面波前；微透镜阵列(2)可以通过微透镜平移装置(4)沿光轴前后移动，光电传感器(3)可以通过探测器平移装置(5)沿光轴前后移动；微透镜阵列(2)沿光轴前后移动可以改变其分割波前的微透镜子孔径阵列数，从而达到改变空间采样率的目的；光电传感器(3)可以沿光轴前后移动达到光斑最佳聚焦位置；

光电传感器(3)采集到的子孔径光斑质心偏移量与子孔径波前斜率的关系是：

其中，参考标定光束与光轴夹角为θ₁，实际测量光束与光轴夹角为θ₂；D_ij、Q_ij、和M_ij表示子孔径、参考质心和被测波前质心分别到参考光轴的距离，ij是子孔径位置编号。

2.根据权利要求1所述的一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，其特征在于：光束发散系统(1)采用单透镜或胶合透镜或多透镜组成的光学系统。

3.根据权利要求1所述的一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，其特征在于：光电传感器(3)采用CCD探测器或CMOS探测器。

4.根据权利要求1所述的一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，其特征在于：微透镜平移装置(4)和探测器平移装置(5)采用平移台或镜头机身驱动。

5.根据权利要求1所述的一种空间分辨率可变的哈特曼波前传感器，其特征在于：对于入射波前为球面波前的情况，可以略去光束发散系统(1)。

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