CN202420688U - 基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器。该传感器包括光学匹配系统、第一和第二傅立叶透镜、CCD1和CCD2探测器；还包括分光镜、第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列。第一和第二衍射光栅阵列均由变空间频率的子光栅紧密排列组成，并分别与紧贴前面或后面的第一和第二傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；通过选取子光栅的衍射级数控制各子波前孔径聚焦光斑在CCD探测器的动态范围，以达到高精度条件下实现调整哈特曼波前传感器测量动态范围目的。本实用新型克服了现有哈特曼中测量精度与动态范围之间不可调和的矛盾问题；且结构简单、性能稳定、应用性强；适用于光学加工检测、各类高功率激光波前相位和光束质量检测等领域。

Description

基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光学动态波前传感器，特别涉及一种基于衍射光栅阵列的高精度和测量动态范围可调整的哈特曼波前传感器，属于光学检测领域。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种有效的光学动态波前检测仪器。它广泛应用于高功率激光、高重频脉冲激光的波前像差和光束质量综合检测，特别是在自适应光学系统之中。它事先采用理想参考波前定标，而在现场测量时不需要参考光波，所以对环境的要求没有波面干涉仪那样高，因此它对于高功率激光系统，尤其是高重频脉冲激光畸变波前像差的实时动态检测来说是一个十分有效的工具。哈特曼波前传感器工作的基本原理是利用波前孔径分割元件和聚焦光学元件将入射波前分割为子波前孔径，如夏克-哈特曼阵列，并将其聚焦于光电探测器的光敏靶面；或者是通过光学成像系统将各子波前孔径的焦平面光斑成像于光电探测器的光敏靶面，形成光斑点阵列，最后通过计算机对光电探测器接收到的光斑信息进行处理，计算出子波前孔径会聚光点的重心与标定重心在x、y方向上的偏移量，再由子波前孔径的焦距和偏移量大小求得各子波前孔径的波前斜率信息，最后由波前斜率信息重构待测激光光束波前分布。

传统的哈特曼波前传感器通常采用微透镜子孔径阵列与CCD光电探测器固定耦合结构。中国发明专利，其授权公告号CN11189774C公开了一种哈特曼光学波前传感器，即为前面所述结构，它由微透镜子孔径阵列和CCD探测器通过机械系统固定耦合在一起构成。但是这种哈特曼波前传感器的空间分辨率由微透镜阵列的子孔径数确定，其缺陷在于：它的测量精度、空间分辨率以及测量动态范围等关键参数只能由哈特曼的结构参数唯一确定，而不能根据测量的需要进行相应调整。

而在实际的光学测量与激光光束质量检测应用中，对哈特曼波前传感器的要求不仅要有大的测量动态范围，而且要有高的测量精度，以适应不同光学元件面形误差的变化幅值，或者是以适应不同类型的激光光束波前像差以及光束质量的检测。如中国专利号为ZL 02123756.5的专利，公开了一种测量动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，在波面分割取样阵列的前面或后面，或光学匹配系统中与波面分割取样阵列的共轭位置加入测量子孔径选通控制元件，通过控制测量子孔径的采样通光子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整哈特曼的测量动态范围的目的。该专利的缺陷在于：测量子孔径选通控制元件不仅使得哈特曼波前传感器的结构更加复杂，而且通过控制测量子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，在提高哈特曼波前传感器测量动态范围的同时，也降低了其测量精度。又有文献：Large-dynamic-rangeShack-Hartmann wavefront sensor for highly aberrated eyes.(Journal ofBiomedical Optics，Vol.11(3)：030502-1-3030502-3，作者：Geunyoung Yoon，SethPantanelli，Lana J.Nagy)提出通过在波前分割孔径之前加入一可控制的通光掩膜以提高哈特曼测量动态范围，但是其在提高测量动态范围的同时却又降低了哈特曼波前传感器的测量精度。还有文献：Measurement and compensation of optical aberrationsusing a single spatial light modulator.(OPTICS EXPRESS，Vol.15，No.23，pp.15287-15292，作者：Justo Arines，Vicente Durán，Zbigniew Jaroszewicz等)提出通过在分割波前子孔径之前加入一液晶空间光调制器以实现可移动的掩膜功能，从而提高哈特曼的测量动态范围，但是这种作法同样面临降低哈特曼波前传感器测量精度的缺陷。

发明内容

本实用新型的目的正是为了克服现有哈特曼波前传感器中，其测量动态范围与测量精度之间存在矛盾的问题，而提供一种结构简单、应用与适应性强、基于衍射光栅阵列的测量动态范围可调整又同时能够保持高测量精度的哈特曼波前传感器。

本实用新型的基本设计思想是：设计一种基于衍射光栅阵列的测量动态范围可调整的高精度哈特曼波前传感器。该哈特曼波前传感器包括光学匹配系统、分光镜、波前孔径分割元件第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜、CCD1探测器和CCD2探测器。所述的两衍射光栅阵列均由变空间频率的子光栅紧密排列组成，即两衍射光栅阵列在对角方向上的变空间频率的子光栅的光栅空间频率按照1，2，3...N，或者N，N-1，N-2...1的规律递变；而其余的变空间频率的子光栅的光栅空间频率关于其任意对角方向轴对称分布。第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列分别与前面或后面紧贴着的第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；通过控制选取所述两衍射光栅阵列中子光栅的衍射级数来控制各子波前孔径的聚焦光斑在两CCD探测器光敏靶面的动态范围，以达到在保持高精度测量条件下，同时实现调整哈特曼波前传感器的测量动态范围的目的。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本实用新型一种基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统、CCD1探测器和CCD2探测器，第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜；其特征在于还包括在光学匹配系统之后添加一个用于分光的分光镜，在分光镜透射面、第一傅立叶透镜前面或者后面，且紧贴着第一傅立叶透镜添加波前孔径分割元件第一衍射光栅阵列，在分光镜反射面、第二傅立叶透镜前面或者后面，且紧贴着第二傅立叶透镜添加波前孔径分割元件第二衍射光栅阵列；衍射光栅阵列与傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；所述分光镜将待测激光分为两束，一束经过第一衍射光栅阵列和第一傅立叶透镜后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第一傅立叶透镜焦平面处的CCD1探测器采集；另一束经过第二衍射光栅阵列和第二傅立叶透镜后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第二傅立叶透镜焦平面处的CCD2探测器采集；CCD1探测器和CCD2探测器分别获取待测激光波前正交方向上的斜率信息后，由正交方向上的斜率信息便可重构待测激光波前分布情况，即可获得待测激光波前的整体信息。

上述技术方案中，所述第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列是由变空间频率的子光栅紧密排列组成，它们分别与第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜紧密耦合实现波前孔径分割；通过选取子光栅的衍射级数可以控制各子波前孔径聚焦光斑在CCD1探测器和CCD2探测器光敏靶面的测量动态范围，以达到调整哈特曼波前传感器测量动态范围的同时又能保持哈特曼高精度测量的目的。

上述技术方案中，所述第一衍射光栅阵列上的变空间频率子光栅的光栅空间频率关于其任意一个对角线方向轴对称分布，且所述对角线方向上的子光栅的光栅空间频率按照1，2，3...N，或者N，N-1，N-2...1的规律递变。

上述技术方案中，所述第二衍射光栅阵列上的变空间频率子光栅的光栅空间频率与第一衍射光栅阵列上的变空间频率子光栅的光栅空间频率分布完全相同，但它们的放置位置相互垂直。

上述技术方案中，所述的第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列的变空间频率的子光栅结构可以采用振幅型衍射光栅，或采用相位型衍射光栅。

上述技术方案中，所述的第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列的变空间频率的子光栅结构可采用二维锯齿形微棱镜的相位型衍射光栅，或者采用液晶空间光调制器。

上述技术方案中，所述的分光镜可为平板分光镜，或者为分光棱镜。

上述技术方案中，所述哈特曼波前传感器的测量精度由第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列的子光栅孔径数确定。

本实用新型所述哈特曼波前传感器当选取子光栅的衍射级数为n时，哈特曼波前传感器的测量动态范围扩大D_n倍，如下式(1)所示：

$D_n=\frac{n\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos {\mathrm{\θ}}_n}---\left(1\right)$

其中n为光栅阵列的子光栅的衍射级；θ₁为第一级衍射角；θ_n为第n级衍射角。

本实用新型与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本实用新型所公开的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，由于其波前孔径分割元件-衍射光栅阵列由变空间频率子光栅紧密排列组成，并与傅立叶透镜紧密耦合实现光束波前孔径分割，子波前孔径光束通过傅立叶透镜聚焦到CCD探测器的光敏靶面，克服了现有技术中微透镜阵列微透镜单元焦距不均匀对哈特曼波前传感器测量精度产生的影响。

2、本实用新型所公开的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，由于采用变空间频率的衍射光栅阵列作为波前孔径分割元件，通过控制选取衍射光栅阵列中子光栅的衍射级数来控制各个子波前孔径的聚焦光斑在CCD探测器光敏靶面的动态范围，以达到在保持高精度条件下同时实现哈特曼波前传感器其测量动态范围可调的目的。

3、本实用新型所公开的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，由于其测量精度由衍射光栅阵列的分割波前子孔径数确定，即衍射光栅阵列的子光栅数确定。因此能够在保持测量精度不变的前提下通过控制选取子光栅的衍射级数来实现调整哈特曼波前传感器测量动态范围的目的。

4、本实用新型所公开的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其结构简单、性能稳定、且加工工艺易实现；可以满足不同频率和P-V值的波前像差测量要求；因而适用于光加工检测、高功率激光、脉冲激光等激光光束波前的在线检测。

附图说明

图1是本实用新型基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器中第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列分别位于第一傅立叶透镜前面和第二傅立叶透镜前面的结构示意图；

图2是本实用新型第一衍射光栅阵列的变空间频率的子光栅4×4阵列示意图；

图3是本实用新型第二衍射光栅阵列的变空间频率的子光栅4×4阵列示意图；

图4是本实用新型在理想平面波前时CCD探测器接收到的第一衍射光栅阵列的子光栅的衍射级数为+1、+3时的光斑阵列图；

图5是本实用新型实际测量时CCD探测器接收到第一衍射光栅阵列的子光栅衍射级数为+1、+3时的光斑阵列示意图；其中，图(a)为子光栅的衍射级数为+1级时的CCD探测器接收到的光斑阵列，图(b)为子光栅的衍射级数为+3级时的CCD探测器接收到的光斑阵列。

图6是本实用新型基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器中第一衍射光栅阵列和第二衍射光栅阵列分别位于第一傅立叶透镜后面和第二傅立叶透镜后面的结构示意图。

图中，1-光学匹配系统，2-分光镜，3-第一衍射光栅阵列，4-第一傅立叶透镜，5-CCD1探测器，6-第二衍射光栅阵列，7-第二傅立叶透镜，8-CCD2探测器。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本实用新型哈特曼波前传感器作进一步详细说明，但它仅用于说明本实用新型的一些具体的实施方式，而不应理解为对本实用新型保护范围的任何限定。

实施例一

本实例中，所述第一衍射光栅阵列3和第二衍射光栅阵列6的变空间频率子光栅结构采用电寻址纯相位调制的液晶空间光调制器，光学匹配系统1采用放大倍数为5的望远镜系统，分光镜2采用透反比为5∶5的平板分光镜，为了消除傅立叶透镜引入的额外波前畸变，第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜7均采用焦距为100mm的消像差透镜，CCD1探测器5和CCD2探测器8均采用型号为MVC-II 1M，像素大小为1024×1280的面阵CCD光电探测器。

如图1所示，本实用新型基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统1及其后面的分光镜2，分光镜2透射面是紧贴着第一傅立叶透镜4前面的第一衍射光栅阵列3，CCD1探测器5置于第一傅立叶透镜4后面，分光镜2反射面是紧贴着第二傅立叶透镜7前面的第二衍射光栅阵列6，CCD2探测器8置于第二傅立叶透镜7后面。所述第一衍射光栅阵列3和第二衍射光栅阵列6分别与其前面紧贴着的第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜7紧密耦合实现波前孔径分割；在对激光波前像差或者是激光光束质量进行综合检测时，待测激光经过光学匹配系统1实现对不同口径大小的激光光束匹配后，被分光镜2分为两束，其中一束光照射到第一衍射光栅阵列3上，并通过第一傅立叶透镜4成像，整个光束孔径被均匀分割并在位于第一傅立叶透镜4焦平面处的CCD1探测器5的光敏靶面上形成聚焦光斑阵列；另一个光束则是照射到第二衍射光栅阵列6上，并通过第二傅立叶透镜7成像，整个光束孔径被均匀分割并在位于第二傅立叶透镜7焦平面处的CCD2探测器8的光敏靶面上形成聚焦光斑阵列。

通过计算机对CCD1探测器5接收到的光斑信息进行处理，计算得到各个子波前孔径聚焦光斑的重心(x_i，y_i)与标定重心(x₀，y₀)的x、y方向上的偏移量Δx_i、Δy_i后；同时考虑到衍射光栅分光能力与入射激光波前倾斜方向有关，在光栅衍射方向最为敏感；因此为了使得各子波前偏移量在同一个方向上统一，可以通过把原始坐标x方向旋转至与各子光栅刻槽垂直的方向即光栅衍射方向，即光栅分光最敏感的方向。由坐标旋转变换公式(2)可以得到新坐标系中X方向上的偏移量ΔX_i：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_i={\mathrm{\Δx}}_i\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)+{\mathrm{\Δy}}_i\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ {\mathrm{\ΔY}}_i={\mathrm{\Δx}}_i\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)-{\mathrm{\Δy}}_i\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中θ_i为各个子波前孔径坐标旋转的角度，即第一衍射光栅阵列3中各子光栅刻槽方向与原始坐标方向的夹角，θ_i的值可以由子光栅的x、y方向上的空间频率确定。同理，通过计算机对CCD2探测器8接收到的光斑信息进行处理，同样可以得到待测激光波前在新坐标系中Y方向上的偏移量ΔY_i。

因此，可以得到待测激光波前X、Y方向上的波前斜率G_Xi，G_Yi分别为：

$G_{\mathrm{Xi}}=\frac{{\mathrm{\ΔX}}_i}{\mathrm{\λf}},$ $G_{\mathrm{Yi}}=\frac{{\mathrm{\ΔY}}_i}{\mathrm{\λf}}---\left(3\right)$

式中，λ为待测激光的波长，f为第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜7的焦距；最后综合处理由公式(3)得到的波前斜率信息重构待测激光波前分布。

如图2所示，第一衍射光栅阵列3的变空间频率子光栅为4×4阵列示意图，图2中各子光栅是关于其任意对角方向轴对称排列分布，并且其对角方向上的子光栅空间频率均满足1，2，3...N规律递变，其详细参数如表一所示；对应的各子光栅刻槽方向与x轴的夹角θ_i如表二所示。

表一第一衍射光栅阵列的子光栅空间频率分布情况(单位：1/微米)

表二 第一衍射光栅阵列的各子光栅刻槽方向与x轴的夹角θ_i(单位：度)

如图3所示，第二衍射光栅阵列6的变空间频率子光栅为4×4阵列，通过图3与图2比较可知，第二衍射光栅阵列6是由第一衍射光栅阵列3旋转90度得到的，因此第二衍射光栅阵列与第一衍射光栅阵列结构参数完全一致，因此它们实现的功能也完全一样，只是分别用于获得待测激光波前X、Y方向上的斜率信息。因此关于第二衍射光栅阵列6的具体参数在这里就不再详细说明，并且在后面描述中只针对第一衍射光栅阵列3作为实施例来进一步说明本实用新型的具体实施过程。

如图4所示，为没有波前畸变理想平面波前时CCD1探测器5接收到的第一衍射光栅阵列3的子光栅衍射级数为+1、+3时的光斑，可以看出选取衍射级数越高，子光斑的空间动态范围增大，因此根据实际应用中的需要可以选择不同的衍射光斑阵列以实现调整哈特曼波前传感器测量动态范围的目的。

假设实际测量中待测波前相位的P-V值为15λ，则CCD1探测器5接收到第一衍射光栅阵列的子光栅衍射级数为+1、+3时的光斑阵列如图5所示。当选取的子光栅的衍射级数为+1级时的CCD1探测器5光敏靶面接收到的光斑阵列，如图5(a)所示，可以看出有的光斑超越了各自的子孔径动态范围，即超出了哈特曼的空间分辨能力；而当选取子光栅衍射级数为+3时，如图5(b)所示，光斑阵列的各个子光斑还是在各自的子孔径范围内；通过对比图5中(a)和(b)两幅图可以看出，通过选择不同的子光栅衍射级数可以在保持高测量精度条件下达到调整哈特曼波前传感器测量动态范围的目的。

实施例二

本实例中，所述第一衍射光栅阵列3和第二衍射光栅阵列6的变空间频率子光栅结构采用电寻址振幅调制的液晶空间光调制器，光学匹配系统1采用放大为倍数5的可调节的望远镜系统，分光镜2采用分光比为5∶5的分光棱镜，为了消除傅立叶透镜引入的额外波前畸变，第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜7都采用焦距为100mm的消像差透镜，CCD1探测器5和CCD2探测器8均采用型号为MVC-II 1M，像素大小为1024×1280的面阵CCD光电探测器。

如图6所示，本实用新型基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统1及其后面的分光镜2，分光镜2透射面是紧贴着第一傅立叶透镜4后面的第一衍射光栅阵列3，CCD1探测器5置于第一傅立叶透镜4后面，分光镜2反射面是紧贴着第二傅立叶透镜7后面的第二衍射光栅阵列6，CCD2探测器8置于第二傅立叶透镜7后面。所述第一衍射光栅阵列3和第二衍射光栅阵列6分别与其后面紧贴着的第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜7紧密耦合实现波前孔径分割；在对激光波前像差或者是激光光束质量进行综合检测时，待测激光经过光学匹配系统1实现对不同口径大小的激光光束匹配后，经分光棱镜2被分为两束，其中一束光照射到第一衍射光栅阵列3上，并通过第一傅立叶透镜4成像，整个光束孔径被均匀分割并在位于第一傅立叶透镜4焦平面处的CCD1探测器5的光敏靶面上形成聚焦光斑阵列；另一个光束则是照射到第二衍射光栅阵列6上，并通过第二傅立叶透镜7成像，整个光束孔径被均匀分割并在位于第二傅立叶透镜7焦平面处的CCD2探测器8的光敏靶面上形成聚焦光斑阵列。同样地通过计算机对CCD1探测器5和CCD2探测器8接收到的光斑信息进行处理，分别计算出子波前孔径聚焦光斑的重心在X、Y方向上的偏移量ΔX_i、ΔY_i，再由子波前孔径的焦距和偏移量大小求得各子波前孔径的波前斜率信息，最后由波前斜率信息重构待测激光波前分布。

Claims (8)

1.一种基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，包括光学匹配系统（1）、CCD1探测器（5）和CCD2探测器（8），第一傅立叶透镜（4）和第二傅立叶透镜（7）；其特征在于还包括在光学匹配系统（1）之后添加一个分光镜（2），在分光镜（2）的透射面、第一傅立叶透镜（4）前面或者后面，且紧贴着第一傅立叶透镜（4）添加第一衍射光栅阵列（3），在分光镜（2）的反射面、第二傅立叶透镜（7）前面或者后面，且紧贴着第二傅立叶透镜（7）添加第二衍射光栅阵列（6）；所述衍射光栅阵列与傅立叶透镜耦合实现波前孔径分割；所述分光镜（2）将待测激光分为两束，一束经过第一衍射光栅阵列（3）和第一傅立叶透镜（4）后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第一傅立叶透镜（4）焦平面处的CCD1探测器（5）采集；另一束经过第二衍射光栅阵列（6）和第二傅立叶透镜（7）后形成聚焦光斑阵列，聚焦光斑阵列被位于第二傅立叶透镜（7）焦平面处的CCD2探测器（8）采集；CCD1探测器（5）和CCD2探测器（8）分别获取待测激光波前正交方向上的斜率信息后，由正交方向上的斜率信息重构待测激光波前分布情况。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述第一衍射光栅阵列（3）和第二衍射光栅阵列（6）是由变空间频率的子光栅紧密排列组成，它们分别与第一傅立叶透镜（4）和第二傅立叶透镜（7）紧密耦合实现波前孔径分割；通过选取子光栅的衍射级数控制各子波前孔径聚焦光斑在两个CCD探测器光敏靶面的动态范围。

3.根据权利要求1或2所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述第一衍射光栅阵列（3）上的变空间频率子光栅的光栅空间频率关于其任意一个对角线方向轴对称分布，且对角线方向上的子光栅的光栅空间频率按照1,2,3...N，或者N,N-1,N-2...1的规律递变。

4.根据权利要求1或2所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述第二衍射光栅阵列（6）与第一衍射光栅阵列（3）上的变空间频率子光栅的光栅空间频率分布完全相同，但与第一衍射光栅阵列（3）放置位置相互垂直。

5.根据权利要求1或2所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述第一衍射光栅阵列（3）和第二衍射光栅阵列（6）的变空间频率的子光栅结构采用振幅型衍射光栅，或采用相位型衍射光栅。 

6.根据权利要求5所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的第一衍射光栅阵列（3）和第二衍射光栅阵列（6）的变空间频率的子光栅结构采用二维锯齿形微棱镜的相位型衍射光栅，或采用液晶空间光调制器。

7.根据权利要求1所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的分光镜（2）是平板分光镜，或者是分光棱镜。

8.根据权利要求1所述的基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器，其特征在于所述哈特曼波前传感器中添加的第一衍射光栅阵列（3）和第二衍射光栅阵列（6）的子光栅孔径数确定哈特曼波前传感器的测量精度。 

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