[發明專利]一種基于單元光敏探測器陣列的哈特曼波前傳感器

有效

• 申請號: 201210524216.9
• 申請日: 2012-12-09
• 公開（公告）號: CN102967380A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 王帥;楊平;許冰;劉文勁;雷翔;晏虎;董理治;高源;程生毅
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;G01D5/34
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術領域

本發明屬于光學信息測量技術領域，涉及一種測量入射光束波前的裝置，尤其涉及一種新型的基于單元光敏探測器陣列的哈特曼波前傳感器。

背景技術

波前傳感技術屬于測量技術的范疇，已經被廣泛地應用于自適應光學、天文、醫學成像、激光通信、光學檢測等諸多領域。目前已有多種波前傳感技術得到了實際應用，比如剪切干涉波前傳感技術、哈特曼波前傳感技術、曲率波前傳感技術和各類相位反演方法等等。其中剪切干涉波前傳感技術是經典的波前像差測量方法，測量精度非常高，但其結構較復雜，對環境穩定度要求高，測量速度難以滿足實時控制，主要被用于高精度測量、基準檢測等場合。而哈特曼波前傳感技術結構簡單，可探測連續光或脈沖光，能同時測量兩個方法的波前斜率，光能利用率較高，測量速度快，已經成為目前最流行、應用最廣泛的波前傳感技術之一。

典型的哈特曼波前傳感器結構可以參見中國專利申請公開說明書（申請號98112210.8，公開號CN1245904）公開的一種光學波前傳感器，其實現方式主要采用波前分割取樣陣列元件如微透鏡陣列對波前進行子孔徑分割，將類似于數學微積分的處理方法用于波前測量中，只需要測量每個子孔徑中的傾斜像差大小即可用特定的復原算法復原整個孔徑的波前像差。而子孔徑中的傾斜像差分量是根據光波經過微透鏡聚焦得到的遠場光斑質心偏移確定的，因此傳統的哈特曼波前傳感器均需要用一個陣列型光電探測器（比如CCD或CMOS相機）探測微透鏡陣列焦面上的光斑陣列。

對哈特曼波前傳感器的深入研究主要側重于提高探測精度和提升探測速度兩個方面。就提高探測速度而言，哈特曼波前傳感器最大的速度瓶頸在陣列型光電探測器的探測速度上，最直接的解決方案是采用高性能的相機高速地獲取光斑陣列圖像，從而提高波前探測速度。但一方面高性能的相機制造工藝機器復雜，價格不菲，另一方面相機探測速度的提高空間非常有限，全靶面幀頻達到上KHz已非常困難，與四象限探測器或者單元光敏探測器動輒上MHz甚至GHz的探測頻率不可同日而語。因此，在相機的大靶面探測速度無法滿足需求時，為進一步提升哈特曼波前傳感器的探測速度，則需要降低對光斑陣列的采樣率，也就是采取減小探測靶面、減少探測單元數量、減少探測信息量從而提高數據傳輸速度的方式。若將探測每個光斑質心的采樣點數降到2×2陣列，則可以用四象限探測器來探測光斑質心，將四象限探測器的優良的性能用于波前探測。但是，在利用測量光斑質心偏移復原波前的原理框架下，為了測量每個光斑在兩個方向上的偏移量，2×2陣列的探測單元陣列已近理論極限，很難繼續減少，因此無法采用簡單可靠，性能更好的單元光敏探測器作為光信息探測元件。此外，通過降低光斑陣列采用率提高探測速度的做法是以犧牲哈特曼波前傳感器探測精度和動態范圍為代價的，實際應用時非常受限。

發明內容

本發明技術解決問題：為了解決現在技術的不足，在不降低甚至大幅提升波前探測精度的前提下，減少哈特曼波前傳感器每個子孔徑對應的探測單元數，使之達到理論最小值，本發明提供一種結構簡單、以單元光敏探測器陣列作為核心探測器件，同時具有高速、高精度波前探測潛力的哈特曼波前傳感器。

本發明的技術解決方案是：一種基于單元光敏探測器陣列的哈特曼波前傳感器，由相位型空間光調制器、微透鏡陣列、單模光纖陣列和單元光敏探測器陣列組成；相位型空間光調制器位于微透鏡陣列之前，在自身調制工作區域內劃分與微透鏡陣列（即哈特曼波前傳感器子孔徑）一一對應的相位調制子區域，同時對每個子孔徑內子光波進行前兩階二元相位調制，調制后的光波被微透鏡陣列分別聚焦，進入端面位于微透鏡陣列焦面的單模光纖陣列中，單模光纖陣列同時對各個子光波進行二元像差模式選模濾波，只通過子光波波前相位中的二元像差模式基模成分，單元光敏探測器陣列置于單模光纖陣列另一端，與每一根單模光纖一一對應，分別探測從每根單模光纖出射的光強大小，每個單元光敏探測器需從對應的單模光纖測量三個光強數據——（無調制）、（第一階二元相位調制后）和（第二階二元相位調制后），符號中i表示第i個有效子孔徑所對應的數據；處理每個子孔徑中光強數據，得到每個子孔徑內斜率信息，進而用哈特曼波前傳感器模式法波前復原矩陣，重構整個孔徑的待測波前。所述的相位型空間光調制器可以是液晶空間光調制器或MEMS變形鏡。

所述的單模光纖陣列的工作波長與待測光波波長相同，保證單模光纖選模濾波的準確性。

所述的單元光敏探測器陣列是普通光電二極管陣列、雪崩二極管陣列或是光電倍增管陣列，探測譜段與待測光波波長匹配，覆蓋待測光波波長。