CN1796949A

CN1796949A - 基于微棱镜阵列的psd型哈特曼－夏克波前传感器

Info

Publication number: CN1796949A
Application number: CNA2004100989759A
Authority: CN
Inventors: 陈凯; 王海英; 张雨东
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-05

Abstract

基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼－夏克波前传感器，其特征在于：由微棱镜阵列、会聚透镜、位置敏感探测器PSD阵列以及数据采集和波前重构单元组成，微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜组合分割系统光瞳，位置敏感探测器PSD阵列置于会聚透镜的焦面上，其输出接至数据采集和波前重构单元。本发明用微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜组合分割系统光瞳，可以克服现有技术中微透镜阵列的各个单元焦距不一致的问题。利用PSD器件响应速度快、信息处理量小、数据可以并行输出的特点，极大的提高波前传感器的采样速度，并且省去了传统哈特曼求质心的软件计算过程，波前重构算法简单，大大减轻对后续处理的负担。而且系统结构简单、易于加工实现和批量生产。

Description

基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器

技术领域

本发明是一种基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，采用了微棱镜阵列、会聚透镜以及PSD阵列的特殊结构的特曼-夏克波前传感器。

技术背景

哈特曼-夏克波前传感器是目前自适应光学系统中最为常用的波前传感器。它相对于干涉仪而言，具有光能利用率高、没有移动部件、对环境要求低等特点。随着哈特曼-夏克波前传感器的结构、以及各个部件的不断改进，它的应用领域越来越广。

一般传统哈特曼-夏克波前传感器主要采用微透镜阵列将入射光束分割成子光束，并且用CCD相机作为光电探测器来获得子孔径光斑的图像，然后从图像中用求质心运算公式提取出位置信号，进而由微透镜的焦距算出子孔径的波前倾斜，最后由波前斜率重构出波前。现有的哈特曼--夏克波前传感器几乎都使用CCD相机作为光电探测器。

采用CCD相机的哈特曼-夏克波前传感器的主要局限性在于：

1、采用逐象素扫描的方式读取各个象素的数据，读取速度慢；

2、数据采用串行工作方式传输，数据传输慢；

3、传输的是记录各个象素数据的图像信息，传输量大；

4、子孔径光斑的位置信号需要从图像信息中提取，数据处理量大。

所以基于CCD器件的哈特曼-夏克波前传感器的采样频率很难再提高，事实上在大气湍流补偿自适应光学系统中波前传感器已经成为系统带宽的瓶颈。

采用(微)透镜分光结构的哈特曼-夏克波前传感器的局限性：

1、系统采用(微)透镜结构时，通常需要在(微)透镜和CCD之间加一个转像系统，这样耦合就比较复杂；

2、(微)透镜阵列单元的焦距误差不一致影响传感器的精度；

3、(微)透镜阵列制作、安装、调试等过程要求高。

姜凌涛、张雨东等在中国专利申请号“98112210.8”“光学波前传感器”中的实施方案中提出用透镜阵列加PSD阵列的解决方案，这种方案由于采用了(微)透镜阵列，所以无法克服上文所述(微)透镜分光结构的局限性。

王海英等在中国专利申请号“03126431.X”、“03126430.1”、“200310100168.1”等三个专利中提出用微棱镜阵列加会聚透镜分割系统光瞳的解决方案，但是其光电传感器件还是用了CCD器件，所以系统依然带有上文所述CCD器件的局限性。

姜文汉等曾提出和制作过一种带有不同楔角的棱镜(指光楔或楔板)组成的分割镜分割光束孔径(“37单元自适应光学系统”，姜文汉，吴旭斌，凌宁，光电工程，22卷1期38-45页，1995年)，并用物镜聚焦于CCD光敏靶面的哈特曼-夏克波前传感器，这种方案采用的分割棱镜制造比较困难，费用非常高，不适合批量生产，且由于系统采用CCD作为光电传感器件，故无法克服上文所述CCD的局限性。

本发明所提供的解决方案由于采用了新的系统结构，所以解决了上述几项专利和文献所述的几种哈特曼-夏克波前传感器本身无法克服的局限性，提出了一种结构简单、精确度高、采样速度高、适宜于批量生产的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的是：针对前文所述现有哈特曼技术中的采样速度低、数据传输运算量大，以及(微)透镜阵列与光电探测器耦合困难、(微)透镜阵列的单元焦距误差不一致影响传感器精度等问题，设计出一种新的系统结构，这种结构简单、采样速度高、适宜于批量生产。

本发明的技术解决方案是：基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：由微棱镜阵列、会聚透镜、位置敏感探测器PSD阵列以及数据采集和波前重构单元组成，微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜组合分割系统光瞳，位置敏感探测器PSD阵列置于会聚透镜的焦面上，PSD探测到光斑质心信号后经放大和模拟计算后，由数据采集单元转化为数字信号，进入计算机重构出波前。

上述的位置敏感探测器PSD阵列可以是一维PSD阵列也可以是二维PSD阵列，采用二维PSD阵列时，每个探测单元对应一个子光斑，探测其位置x和y方向的偏移量，采用一维PSD阵列时，采用一个分束镜，将入射光束分成两束，分别被微棱镜阵列加会聚透镜分割成子光束并且聚焦到两个一维PSD阵列上，分别探测x和y方向的子孔径光斑位移。

上述的位置敏感探测器PSD阵列可以是采用分离的单片PSD器件拼合而成的PSD阵列，还可以采用微电子制造技术制作的集成器件。

上述的微棱镜阵列可以由具有不同楔角的棱镜组成的阵列，也可以利用二元光学技术加工的微浮雕锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，还可以利用微光学技术加工成的连续面形的微棱镜阵列。

本发明的工作原理为：如附图4所示，当光束进入系统后，被微棱镜加汇聚透镜的结构分割成子光束，并且在汇聚透镜的焦平面汇聚成子光斑阵列，PSD阵列的每个探测单元对应探测一个子光斑的位移，数据采集单元采集到光斑的位移信号，用公式

G_x＝Δx/f

G_y＝Δy/f (4)

算出子光束波前相位在x和y方向的平均斜率G_x和G_y，将每一个平均斜率带入重构矩阵就可以重构出入射光束的波前。

本发明相对于现有的哈特曼-夏克波前传感器主要有以下优势：

1、本发明所公开的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，各个子波前通过公用的会聚透镜会聚到光电探测器的光敏面上，可以克服现有技术中微透镜阵列的各个单元焦距不一致的问题，从而提高系统的波前探测精度，汇聚透镜焦平面上的子光斑阵列被PSD阵列探测，整个系统响应速度极快(可以小于50us)，且数据可以直接读取，并行传输；

2、本发明所公开的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，系统中处理传输的直接是光斑的位置信号(相对于CCD的逐象素的数据)，所以数据量非常小，可以节约大量硬件资源；

3、本发明所公开的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，采用的微棱镜阵列可以利用微光学或者二元光学技术直接在同一基片上刻蚀，工艺简单，费用相对较低。其结构简单，加工工艺易于实现，易于实现批量化生产；

4、本发明所公开的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，所采用的加会结构可以使安装调整得以简化。不需要一个转像系统就能耦合到光电转换器件上，减少了装调难度，有利于批量生产；

5、本发明所公开的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，子孔径光斑的位置信号可以直接读取，没有软件求质心运算的过程，可以大大减轻计算单元的负担。

综合以上所述，由于本文所述基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器采用了新的系统设计，可以同时克服现有的哈特曼-夏克波前传感器中(微)透镜分光和CCD器件探测光斑位移时的局限性，设计出一种结构简单、精确度高、采样速度高、适宜于批量生产的哈特曼-夏克波前传感器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的PSD阵列示意图；

图3为本发明中的一维PSD示意图；

图4为本发明中的二维PSD示意图；

图5为本发明中的枕形结构PSD示意图；

图6为本发明采用一维PSD阵列器件的组成结构示意图；

图7为本发明中的采用分立PSD器件拼合成的PSD阵列；

图8为本发明中的微棱镜阵列结构示意图；

图9为本发明中的数据采集和波前重构单元的组成结构框图。

具体实施方式

如图4所示，本发明由微棱镜阵列1、会聚透镜2、位置敏感探测器(PSD)阵列3以及数据采集和波前重构单元4组成，会聚透镜2紧贴在微棱镜阵列1的后面，与微棱镜阵列1组合分割系统光瞳，位置敏感探测器PSD阵列3置于会聚透镜2的焦面上，其输出被数据采集和波前重构单元4处理，重构出波前，其中微棱镜阵列1是由具有不同楔角的棱镜组成的阵列(如图8所示)，可以利用二元光学技术加工的微浮雕锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，也可以利用微光学技术加工成的连续面形的微棱镜阵列，具体结构可以参考王海英等在中国专利申请号“03126431.X”、“03126430.1”、“200310100168.1”等三个专利，以及姜文汉等在“37单元自适应光学系统”，，光电工程，22卷1期38-45页。

如图4所示，光束进入本发明后，被微棱镜阵列1加会聚透镜2组成的结构分割成子光束，并且在会聚透镜2的焦平面汇聚成子光斑阵列，PSD阵列3的各个探测单元对应探测子光斑的位移，数据采集和波前重构单元4采集到光斑的位移信号，用公式

G_x＝Δx/f

G_y＝Δx/f

算出子光束波前相位在x和y方向的平均斜率G_x和G_y，将每一个平均斜率代入重构矩阵就可以算出入射光束的波前相位。

图4和图6中的数据采集和波前重构单元主要由模拟运算放大电路、采样保持电路、模数转换电路、主控计算机等几部分组成，其组织结构如图9所示。当系统工作时，模拟运算放大部分电路将实时计算出光斑的质心位置信号；采样保持电路产生帧控制信号，使质心信号离散化，从而产生帧频；模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，为计算机波前重构做准备；主控计算机重构出波前。

本发明采用PSD(Position Sensitive Detector)器件阵列作为光电探测器。PSD器件是一种基于非均匀半导体横向光电效应对入射光斑位置敏感的光电探测器。一维PSD器件如图1所示。

照射在光敏面上的光斑的位置坐标可用公式

x = \frac{I_{3} - I_{1}}{I_{3} + I_{1}} L - - - (1)

计算获取。

二维PSD器件如图2所示。

光斑的位置坐标可由公式

x = \frac{I_{2} - I_{1}}{I_{2} + I_{1}} L

y = \frac{I_{4} - I_{3}}{I_{4} + I_{3}} L - - - (2)

计算获得。

另外还有枕形结构的二维PSD如附图3所示。

计算公式

x = \frac{(I_{1} + I_{4}) - (I_{2} + I_{3})}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}}

y = \frac{(I_{1} + I_{2}) - (I_{3} + I_{4})}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}} - - - (3)

采用二维PSD阵列器件作为系统的本发明的光电探测部分，二维PSD阵列如附图5所示。运用微电子制造技术将原本单片使用的PSD集成在同一个片基上，可以根绝需要制作成4×4、8×8、10×10等各种阵列器件。信号线用特殊的引线设计引到器件边缘，焊到器件封装的引脚上。器件交付使用时为一个带多个针脚的封装。

如图4所示在系统光路中，系统光束进入系统以后，被微棱镜1加会聚透镜2的结构分割成子光束并且被聚焦于焦平面，而二维PSD阵列3的每个PSD探测单元对应一个子光斑，探测它的位置偏移量，即每一个PSD探测一个子孔径光斑。PSD阵列探测到的光电流信号用并行线传输到数据采集和波前重构单元4。

数据采集和波前重构单元4主要完成的功能如下所述：

计算出子光斑的x和y两个方向的位置信号(可以用模拟电路实现也可以用数字电路计算实现)。

如果阵列器件的每个单元的结构是四边形结构的PSD，信号处理电路主要完成的工作主要是公式(2)所述计算，即

x = \frac{I_{2} - I_{1}}{I_{2} + I_{1}} L

y = \frac{I_{4} - I_{3}}{I_{4} + I_{3}} L

如果阵列器件的每个单元的结构是枕形结构的PSD，信号处理电路主要完成的工作主要是公式(3)所述计算，即

x = \frac{(I_{1} + I_{4}) - (I_{2} + I_{3})}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}}

y = \frac{(I_{1} + I_{2}) - (I_{3} + I_{4})}{I_{1} + I_{2} + I_{3} {+ I}_{4}}

位置信号经过特殊的处理电路，然后换算出子光束的波前平均斜率，代入重构矩阵就可以进行波前重构，得到入射光束的波前相位。

也可以采用一维PSD阵列器件作为光电探测部分，采用如图6所示的结构。系统光束进入探测系统后，被分光镜5分成两束，分别入射到两个微棱镜阵列1加会聚透镜2的分割光束单元，每个对应一个一维PSD阵列3，分别探测x和y方向的位置偏移量，这些分别表征子光斑阵列的x方向和y方向位置偏移量的光电流信号并行输入数据采集和波前重构单元4。

数据采集和波前重构单元4主要完成如下所述功能：

首先计算出光斑位移(可以是模拟电路实现的也可以是数字电路实现)，如公式(1)所述，即

x = \frac{I_{3} - I_{1}}{I_{3} + I_{1}} L

处理电路得到的x、y两个方向的位置信号(电压信号)，这些位置信号经过特殊的处理电路，然后换算出子光束的波前平均斜率就可以进行波前重构(可以采用方案一的信号处理电路)。

也可以不采用集成的PSD阵列器件而使用分立的PSD器件拼合成阵列使用，如附图7所示。分立的PSD器件可以是二维PSD器件也可以是一维PSD器件，如果采用分立二维PSD拼合成PSD阵列可以采取类似附图4的系统结构，只不过为了要将子光束耦合到尺寸相对较大的拼合成的PSD阵列，微棱镜阵列和会聚透镜的尺寸要相应加大，或者在会聚透镜与PSD阵列之间加光束匹配系统。如果采用分立一维PSD器件拼合PSD阵列，则可以采用附图6的系统结构，也需要扩大微棱镜阵列和会聚透镜的尺寸，或者加光束匹配系统。

Claims

1、基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：由微棱镜阵列(1)、会聚透镜(2)、位置敏感探测器PSD阵列(3)以及数据采集和波前重构单元(4)组成，微棱镜阵列(1)和紧贴其后的会聚透镜(2)组合分割系统光瞳，位置敏感探测器PSD阵列(3)置于会聚透镜(2)的焦面上，其输出接至数据采集和波前重构单元(4)。

2、根据权利要求1所述的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：所述的位置敏感探测器PSD阵列(3)可以是一维PSD阵列也可以是二维PSD阵列。

3、根据权利要求1所述的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：所述的微棱镜阵列(1)是由具有不同楔角的棱镜组成的阵列，或利用二元光学技术加工的微浮雕锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，或利用微光学技术加工成的连续面形的微棱镜阵列。

4、根据权利要求1所述的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：所述的位置敏感探测器PSD阵列(3)是采用分离的单片PSD器件拼合而成的PSD阵列，或采用微电子制造技术制作的集成器件。

5、根据权利要求2所述的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：所述的位置敏感探测器PSD阵列(3)采用二维PSD阵列时，每个探测单元对应一个子光斑，探测其位置x和y方向的偏移量。

6、根据权利要求2所述的基于微棱镜阵列的PSD型哈特曼-夏克波前传感器，其特征在于：所述的位置敏感探测器PSD阵列(3)采用一维PSD阵列时，采用一个分束镜(5)，将入射光束分成两束，分别被微棱镜阵列(1)加会聚透镜(2)分割成子光束并且聚焦到两个一维PSD阵列上，分别探测x和y方向的子孔径光斑位移。