[發明專利]一種基于陣列型二元相位調制的哈特曼波前傳感器

有效

• 申請號: 202010834584.8
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN111998962B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 趙孟孟;趙旺;王帥;楊平;鮑華
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于陣列型二元相位調制的哈特曼波前傳感器，在微透鏡陣列子孔徑內引入了隨機二元相位調制，形成二元相位調制陣列，光束通過陣列型二元相位調制微透鏡陣列被分割后聚焦于光電探測器上，形成特殊的光斑陣列圖像，最終根據調制后的光斑陣列圖的強度分布，采用相位恢復算法復原波前。本發明通過一種具有陣列型二元相位調制元件，對子孔徑內光束實施特殊的相位調制，降低了探測精度對高密度子孔徑空間采樣的依賴，提高了低子孔徑密度哈特曼波前傳感器的探測精度，有望用于暗弱波前探測、高精度波前探測等領域。

技術領域

本發明屬于波前探測技術領域，尤其涉及一種基于陣列型二元相位調制的哈特曼波前傳感器。

背景技術

波前探測技術是一種重要的光學信息測量手段，已經廣泛地應用于天文探測、激光光束質量檢測、醫學成像、自適應光學等諸多領域。現有的波前探測技術主要有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相位恢復法等。這些波前傳感技術根據不同測量方式和自身獨特的優勢被用于不同的應用場景。其中，哈特曼波前傳感器以結構簡單、能夠同時測量x、y兩個方向的斜率、光能利用率高等優勢成為目前應用最為廣泛的波前探測技術之一。

典型的哈特曼波前傳感器參見中國專利申請公開說明書(申請號CN98112210.8，公開號CN245904)公開的一種光學波前傳感器，其實現方式是：采用微透鏡陣列分割待測光束的波前，然后根據CCD上各子孔徑光斑質心位置的偏移量來估算對應子波前的斜率，最后利用相應算法重構波前相位(Dai G.Modal wave-front reconstruction with Zernikepolynomials and Karhunen–Loève functions[J].Journal of the Optical Society ofAmerica A,1996,13(6):1218-1225.)。但哈特曼波前傳感器的探測精度受微透鏡陣列或子孔徑采樣率的限制，尤其當被測目標為暗弱信標時，需要采用低采樣率的微透鏡陣列才能保證獲得較準確的遠場信息，就傳統哈特曼波前傳感器而言，降低波前采樣率意味著降低傳感器對高階像差的探測能力，從而導致探測精度精度下降。因此，目前亟需一種新的哈特曼傳感器器結構以提高其在低空間采樣率下的探測性能，實現對暗弱信標的高精度波前探測。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提高哈特曼波前傳感器在低空間采樣率條件下的探測性能，實現對暗弱波前的高精度波前探測。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案是：一種基于陣列型二元相位調制的哈特曼波前傳感器，采用特殊的陣列型二元相位調制元件調制入射光束，主要由二元相位調制微透鏡陣列和光電探測器組成。光電探測器置于二元相位調制微透鏡陣列的焦平面處；光束經過二元相位調制微透鏡陣列后被分割聚焦到光電探測器上，形成特殊的光斑陣列圖像，最后采用相位恢復算法從光斑陣列圖像中復原波前。

進一步地，所述的陣列型二元相位調制元件可以是直接在微透鏡陣列中刻蝕陣列型二元相位，也可以是陣列型二元相位調制元件與微透鏡陣列的組合，陣列型二元相位調制元件置于微透鏡陣列前或者貼附于微透鏡陣列上，且陣列型二元相位調制元件的子孔徑與微透鏡陣列的子孔徑一一對應。

進一步地，所述的陣列型二元相位調制元件在每個子孔徑內引入的相位調制是非連續的、非中心對稱的二元相位，則整個陣列型二元相位調制由下式表述：

式中(x,y)為陣列型二元相位調制元件的空間坐標，a、b分別為陣列型二元相位調制元件在x、y方向上的尺寸，為每個子孔徑內引入的非連續的、非中心對稱的二元相位調制，為梳狀函數，為矩形函數。

進一步地，所述的一種基于陣列型二元相位調制的哈特曼波前傳感器，陣列型二元相位調制元件的透過率函數為：

式中f為微透鏡陣列的焦距，式中a、b分別為隨機二元相位調制微透鏡陣列在x、y方向上的尺寸，k＝2π/λ為波數,λ為波長。