CN112729570B - 基于指向调制微透镜阵列的波前传感器及波前检测方法 - Google Patents

基于指向调制微透镜阵列的波前传感器及波前检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于指向调制微透镜阵列的波前传感器及波前检测方法，包括指向调制微透镜阵列和光电探测器阵列，光电探测器阵列安装在指向调制微透镜阵列的焦面上；指向调制微透镜阵列中光轴上的子透镜仅对光束聚焦，不对光束偏转，其余子透镜均使光束向光轴方向进行偏转并聚焦，待测光束被各子透镜聚焦后的光斑均位于光电探测器阵列上等；本发明解决了缩束望远镜占用体积、重量较大的问题，显著减小波前传感器的体积和重量。

Description

基于指向调制微透镜阵列的波前传感器及波前检测方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，更为具体的，涉及基于指向调制微透镜阵列的波前传感器及波前检测方法。
背景技术
夏克—哈特曼波前传感器借助微透镜阵列对光束进行分割采样，利用阵列光电探测器测量子光斑位置得到光束波前的梯度分布，进而复原出整个波前，被广泛应用于光学检测、自适应光学等领域的波前探测。通常待测光束口径显著大于阵列光电探测器尺寸，需要首先使用望远镜缩小入射光束尺寸，然后进入微透镜阵列，最后由光电探测器阵列探测。对于大口径夏克—哈特曼波前传感器，缩束望远镜尺寸和重量往往较大。
通常减小夏克—哈特曼波前传感器尺寸和重量的方法，往往是通过改进光学设计来降低缩束望远镜的体积。然而为了保证像质，缩束望远镜的尺寸不能持续减小，存在下限。目前，尚未见到基于指向调制微透镜阵列、无需缩束望远镜的平板夏克—哈特曼波前传感器的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于指向调制微透镜阵列的波前传感器及波前检测方法，解决了缩束望远镜占用体积、重量较大的问题，显著减小波前传感器的体积和重量。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
基于指向调制微透镜阵列的波前传感器，包括指向调制微透镜阵列和光电探测器阵列，光电探测器阵列安装在指向调制微透镜阵列的焦面上；指向调制微透镜阵列中光轴上的子透镜仅对光束聚焦，不对光束偏转，其余子透镜均使光束向光轴方向进行偏转并聚焦，待测光束被各子透镜聚焦后的光斑均位于光电探测器阵列上。
进一步地，所述指向调制微透镜阵列包括(2N+1)×(2N+1)个子透镜，每个子透镜边长为D，中心位置坐标为(xmn，ymn)，其中m＝1,2,3…2N+1,n＝1,2,3…2N+1,xmn＝(n-N-1)D，ymn＝(-m+N+1)D；
每个子透镜对应光电探测器阵列上的一个正方形子孔径，中心位置坐标为(xsmn，ysmn)，其中xsmn＝(n-N-1)Ds，ysmn＝(-m+N+1)Ds，Ds是光电探测器阵列上的子孔径间隔；每个子透镜的焦距fmn为：
Figure BDA0002839116590000021
其中，f0是指向调制微透镜阵列1中位于光轴上子孔径的焦距，该子孔径的中心位置坐标为(0,0)；每个子透镜引入x方向的指向调制θxmn为：
Figure BDA0002839116590000022
引入y方向的指向调制θymn为：
Figure BDA0002839116590000023
其中，arctan表示反正切函数，每个子透镜引入的相位调制
Figure BDA0002839116590000024
为：
Figure BDA0002839116590000025
其中，
Figure BDA0002839116590000026
λ是待测光束的波长，
Figure BDA0002839116590000027
且
Figure BDA0002839116590000028
进一步地，所述光电探测器阵列包括CCD相机、CMOS相机、红外焦平面阵列、APD阵列中的任一种。
进一步地，所述指向调制微透镜阵列包括通过光刻方法在石英基片上生成的指向调制微透镜阵列和由液晶空间光调制器生成的指向调制微透镜阵列中的任一种。
所述波前传感器的外观形状为平板形状结构。
一种光束波前检测方法，包括：
采用如上任一所述的波前传感器，并使用该波前传感器中的光电探测器阵列探测各子透镜聚焦光斑的位置，然后计算出对应的波前斜率，进而得到待测光束的波前Φ。
进一步地，待测光束入射后，计算得到每个子孔径内光斑质心位置为(xamn，yamn)，则x方向的波前斜率Sxmn计算公式为：
Figure BDA0002839116590000031
y方向的波前斜率Symn计算公式为：
Figure BDA0002839116590000032
进一步地，采用区域法或者模式法，再结合Sxmn和Symn计算得到待测光束的波前Φ。
进一步地，波前传感器中的指向调制微透镜阵列通过光刻方法在石英基片上生成，或由液晶空间光调制器生成。
本发明的有益效果是：
本发明解决了缩束望远镜占用体积、重量较大的问题，显著减小了波前传感器的体积和重量。具体的，在实施例中通过在微透镜阵列中加入指向调制等结构设计，避免了采用缩束望远镜匹配光束尺寸，解决了常规夏克—哈特曼波前传感器尺寸重量较大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图中，1-指向调制微透镜阵列，2-光电探测器阵列。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征(包括任何附加权利要求、摘要和附图)，或隐含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和/或扩展、替换。
如图1所示，基于指向调制微透镜阵列的波前传感器，包括指向调制微透镜阵列1和光电探测器阵列2，光电探测器阵列2安装在指向调制微透镜阵列1的焦面上；指向调制微透镜阵列1中光轴上的子透镜仅对光束聚焦，不对光束偏转，其余子透镜均使光束向光轴方向进行偏转并聚焦，待测光束被各子透镜聚焦后的光斑均位于光电探测器阵列2上。
进一步地，所述指向调制微透镜阵列1包括(2N+1)×(2N+1)个子透镜，每个子透镜边长为D，中心位置坐标为(xmn，ymn)，其中m＝1,2,3…2N+1,n＝1,2,3…2N+1,xmn＝(n-N-1)D，ymn＝(-m+N+1)D；
每个子透镜对应光电探测器阵列2上的一个正方形子孔径，中心位置坐标为(xsmn，ysmn)，其中xsmn＝(n-N-1)Ds，ysmn＝(-m+N+1)Ds，Ds是光电探测器阵列2上的子孔径间隔；每个子透镜的焦距fmn为：
Figure BDA0002839116590000051
其中，f0是指向调制微透镜阵列1中位于光轴上子孔径的焦距，该子孔径的中心位置坐标为(0,0)；每个子透镜引入x方向的指向调制θxmn为：
Figure BDA0002839116590000052
引入y方向的指向调制θymn为：
Figure BDA0002839116590000053
其中，arctan表示反正切函数，每个子透镜引入的相位调制
Figure BDA0002839116590000054
为：
Figure BDA0002839116590000055
其中，
Figure BDA0002839116590000056
λ是待测光束的波长，
Figure BDA0002839116590000057
且
Figure BDA0002839116590000058
进一步地，所述光电探测器阵列2包括CCD相机、CMOS相机、红外焦平面阵列、APD阵列中的任一种。
进一步地，所述指向调制微透镜阵列1包括通过光刻方法在石英基片上生成的指向调制微透镜阵列和由液晶空间光调制器生成的指向调制微透镜阵列中的任一种。
所述波前传感器的外观形状为平板形状结构。
一种光束波前检测方法，包括：
采用如上任一所述的波前传感器，并使用该波前传感器中的光电探测器阵列2探测各子透镜聚焦光斑的位置，然后计算出对应的波前斜率，进而得到待测光束的波前Φ。
进一步地，待测光束入射后，计算得到每个子孔径内光斑质心位置为(xamn，yamn)，则x方向的波前斜率Sxmn计算公式为：
Figure BDA0002839116590000061
y方向的波前斜率Symn计算公式为：
Figure BDA0002839116590000062
进一步地，采用区域法或者模式法，再结合Sxmn和Symn计算得到待测光束的波前Φ。
进一步地，波前传感器中的指向调制微透镜阵列1通过光刻方法在石英基片上生成，或由液晶空间光调制器生成。
在本发明的实施例中，N可以取10，D可以取10mm，指向调制微透镜阵列1可采用石英基板光刻方式生成，尺寸为210mm×210mm，包含21×21个子孔径，f0取150mm。光电探测器阵列2可采用CMOS相机，探测区域为6.3mm×6.3mm，Ds取0.3mm，波前复原方法可选用模式法。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (8)

1.基于指向调制微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，包括指向调制微透镜阵列(1)和光电探测器阵列(2)，光电探测器阵列(2)安装在指向调制微透镜阵列(1)的焦面上；指向调制微透镜阵列(1)中光轴上的子透镜仅对光束聚焦，不对光束偏转，其余子透镜均使光束向光轴方向进行偏转并聚焦，待测光束被各子透镜聚焦后的光斑均位于光电探测器阵列(2)上；所述指向调制微透镜阵列(1)包括(2N+1)×(2N+1)个子透镜，每个子透镜边长为D，中心位置坐标为(xmn，ymn)，其中m＝1,2,3…2N+1,n＝1,2,3…2N+1,xmn＝(n-N-1)D，ymn＝(-m+N+1)D；
每个子透镜对应光电探测器阵列(2)上的一个正方形子孔径，中心位置坐标为(xsmn，ysmn)，其中xsmn＝(n-N-1)Ds，ysmn＝(-m+N+1)Ds，Ds是光电探测器阵列(2)上的子孔径间隔；每个子透镜的焦距fmn为：
Figure FDA0003506626270000011
其中，f0是指向调制微透镜阵列(1)中位于光轴上子孔径的焦距，该子孔径的中心位置坐标为(0,0)；每个子透镜引入x方向的指向调制θxmn为：
Figure FDA0003506626270000012
引入y方向的指向调制θymn为：
Figure FDA0003506626270000013
其中，arctan表示反正切函数，每个子透镜引入的相位调制
Figure FDA0003506626270000014
为：
Figure FDA0003506626270000015
其中，
Figure FDA0003506626270000021
λ是待测光束的波长，
Figure FDA0003506626270000022
且
Figure FDA0003506626270000023
2.根据权利要求1所述的基于指向调制微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，所述光电探测器阵列(2)包括CCD相机、CMOS相机、红外焦平面阵列、APD阵列中的任一种。
3.根据权利要求2所述的基于指向调制微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，所述指向调制微透镜阵列(1)包括通过光刻方法在石英基片上生成的指向调制微透镜阵列和由液晶空间光调制器生成的指向调制微透镜阵列中的任一种。
4.根据权利要求3所述的基于指向调制微透镜阵列的波前传感器，其特征在于，所述波前传感器的外观形状为平板形状结构。
5.一种光束波前检测方法，其特征在于，包括：
采用如上任一所述的波前传感器，并使用该波前传感器中的光电探测器阵列(2)探测各子透镜聚焦光斑的位置，然后计算出对应的波前斜率，进而得到待测光束的波前Φ。
6.根据权利要求5所述的光束波前检测方法，其特征在于，待测光束入射后，计算得到每个子孔径内光斑质心位置为(xamn，yamn)，则x方向的波前斜率Sxmn计算公式为：
Figure FDA0003506626270000024
y方向的波前斜率Symn计算公式为：
Figure FDA0003506626270000025
7.根据权利要求6所述的光束波前检测方法，其特征在于，采用区域法或者模式法，再结合Sxmn和Symn计算得到待测光束的波前Φ。
8.根据权利要求5～7任一所述的光束波前检测方法，其特征在于，波前传感器中的指向调制微透镜阵列(1)通过光刻方法在石英基片上生成，或由液晶空间光调制器生成。
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