專利名稱：基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學動態(tài)波前傳感器，特別涉及一種基于衍射光柵陣列的高精度和測量動態(tài)范圍可調整的哈特曼波前傳感器，屬于光學檢測領域。
背景技術：
哈特曼波前傳感器是一種有效的光學動態(tài)波前檢測儀器。它廣泛應用于高功率激光、高重頻脈沖激光的波前像差和光束質量綜合檢測，特別是在自適應光學系統(tǒng)之中。它事先采用理想參考波前定標，而在現(xiàn)場測量時不需要參考光波，所以對環(huán)境的要求沒有波面干涉儀那樣高，因此它對于高功率激光系統(tǒng)，尤其是高重頻脈沖激光畸變波前像差的實時動態(tài)檢測來說是一個十分有效的工具。哈特曼波前傳感器工作的基本原理是利用波前孔徑分割元件和聚焦光學元件將入射波前分割為子波前孔徑，如夏克-哈特曼陣列，并將其聚焦于光電探測器的光敏靶面；或者是通過光學成像系統(tǒng)將各子波前孔徑的焦平面光斑成像于光電探測器的光敏靶面，形成光斑點陣列，最后通過計算機對光電探測器接收到的光斑信息進行處理，計算出子波前孔徑會聚光點的重心與標定重心在X、y方向上的偏移量，再由子波前孔徑的焦距和偏移量大小求得各子波前孔徑的波前斜率信息，最后由波前斜率信息重構待測激光光束波前分布。傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器通常采用微透鏡子孔徑陣列與CCD光電探測器固定耦合結構。中國發(fā)明專利，其授權公告號CN11189774C公開了一種哈特曼光學波前傳感器， 即為前面所述結構，它由微透鏡子孔徑陣列和CCD探測器通過機械系統(tǒng)固定耦合在一起構成。但是這種哈特曼波前傳感器的空間分辨率由微透鏡陣列的子孔徑數(shù)確定，其缺陷在于 它的測量精度、空間分辨率以及測量動態(tài)范圍等關鍵參數(shù)只能由哈特曼的結構參數(shù)唯一確定，而不能根據測量的需要進行相應調整。而在實際的光學測量與激光光束質量檢測應用中，對哈特曼波前傳感器的要求不僅要有大的測量動態(tài)范圍，而且要有高的測量精度，以適應不同光學元件面形誤差的變化幅值，或者是以適應不同類型的激光光束波前像差以及光束質量的檢測。如中國專利號為 ZL 02123756. 5的專利，公開了一種測量動態(tài)范圍和測量精度可調的哈特曼波前傳感器，在波面分割取樣陣列的前面或后面，或光學匹配系統(tǒng)中與波面分割取樣陣列的共軛位置加入測量子孔徑選通控制元件，通過控制測量子孔徑的采樣通光子孔徑的選通來控制波面分割取樣陣列的采樣周期，以達到調整哈特曼的測量動態(tài)范圍的目的。該專利的缺陷在于測量子孔徑選通控制元件不僅使得哈特曼波前傳感器的結構更加復雜，而且通過控制測量子孔徑的選通來控制波面分割取樣陣列的采樣周期，在提高哈特曼波前傳感器測量動態(tài)范圍的 Γ^Β iii ο XWilK Large-dynamic-range Shack-Hartmann wavefront sensor for highly aberrated eyes. (Journal of Biomedical Optics, Vol.11(3) 030502-1-3030502-3，作者Geunyoung Yoon, Seth Pantanelli, Lana J. Nagy)提出通過在波前分割孔徑之前加入一可控制的通光掩膜以提高哈特曼測量動態(tài)范圍，但是其在提高測量動態(tài)范圍的同時卻又降低了哈特曼波前傳感器的測量精度。還有文獻Measurementand compensation of optical aberrations using a single spatial light modulator. (OPTICS EXPRESS, Vol. 15，No. 23，pp. 15287-15292，作者Justo Arines, Vicente Duran, Zbigniew Jaroszewicz等)提出通過在分割波前子孔徑之前加入一液晶空間光調制器以實現(xiàn)可移動的掩膜功能，從而提高哈特曼的測量動態(tài)范圍，但是這種作法同樣面臨降低哈特曼波前傳感器測量精度的缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的正是為了克服現(xiàn)有哈特曼波前傳感器中，其測量動態(tài)范圍與測量精度之間存在矛盾的問題，而提供一種結構簡單、應用與適應性強、基于衍射光柵陣列的測量動態(tài)范圍可調整又同時能夠保持高測量精度的哈特曼波前傳感器。本發(fā)明的基本設計思想是設計一種基于衍射光柵陣列的測量動態(tài)范圍可調整的高精度哈特曼波前傳感器。該哈特曼波前傳感器包括光學匹配系統(tǒng)、分光鏡、波前孔徑分割元件第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列、第一傅立葉透鏡和第二傅立葉透鏡、CXDl探測器和CCD2探測器。所述的兩衍射光柵陣列均由變空間頻率的子光柵緊密排列組成，即兩衍射光柵陣列在對角方向上的變空間頻率的子光柵的光柵空間頻率按照1，2，3... N，或者 N, N-I, N-2. . . 1的規(guī)律遞變；而其余的變空間頻率的子光柵的光柵空間頻率關于其任意對角方向軸對稱分布。第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列分別與前面或后面緊貼著的第一傅立葉透鏡和第二傅立葉透鏡耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；通過控制選取所述兩衍射光柵陣列中子光柵的衍射級數(shù)來控制各子波前孔徑的聚焦光斑在兩CCD探測器光敏靶面的動態(tài)范圍，以達到在保持高精度測量條件下，同時實現(xiàn)調整哈特曼波前傳感器的測量動態(tài)范圍的目的。為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明采用以下技術措施構成的技術方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明一種基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，包括光學匹配系統(tǒng)、CXDl探測器和(XD2探測器，第一傅立葉透鏡和第二傅立葉透鏡；其特征在于還包括在光學匹配系統(tǒng)之后添加一個用于分光的分光鏡，在分光鏡透射面、第一傅立葉透鏡前面或者后面，且緊貼著第一傅立葉透鏡添加波前孔徑分割元件第一衍射光柵陣列，在分光鏡反射面、第二傅立葉透鏡前面或者后面，且緊貼著第二傅立葉透鏡添加波前孔徑分割元件第二衍射光柵陣列；衍射光柵陣列與傅立葉透鏡耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；所述分光鏡將待測激光分為兩束，一束經過第一衍射光柵陣列和第一傅立葉透鏡后形成聚焦光斑陣列，聚焦光斑陣列被位于第一傅立葉透鏡焦平面處的CXDl探測器采集；另一束經過第二衍射光柵陣列和第二傅立葉透鏡后形成聚焦光斑陣列，聚焦光斑陣列被位于第二傅立葉透鏡焦平面處的CCD2 探測器采集；CCDl探測器和CCD2探測器分別獲取待測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構待測激光波前分布情況，即可獲得待測激光波前的整體 fn息ο上述技術方案中，所述第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列是由變空間頻率的子光柵緊密排列組成，它們分別與第一傅立葉透鏡和第二傅立葉透鏡緊密耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；通過選取子光柵的衍射級數(shù)可以控制各子波前孔徑聚焦光斑在CCDl探測器和 CCD2探測器光敏靶面的測量動態(tài)范圍，以達到調整哈特曼波前傳感器測量動態(tài)范圍的同時又能保持哈特曼高精度測量的目的。
上述技術方案中，所述第一衍射光柵陣列上的變空間頻率子光柵的光柵空間頻率關于其任意一個對角線方向軸對稱分布，且所述對角線方向上的子光柵的光柵空間頻率按照1，2，3. ..N，或者N，N-l，N-2. .. 1的規(guī)律遞變。上述技術方案中，所述第二衍射光柵陣列上的變空間頻率子光柵的光柵空間頻率與第一衍射光柵陣列上的變空間頻率子光柵的光柵空間頻率分布完全相同，但它們的放置位置相互垂直。上述技術方案中，所述的第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列的變空間頻率的子光柵結構可以采用振幅型衍射光柵，或采用相位型衍射光柵。上述技術方案中，所述的第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列的變空間頻率的子光柵結構可采用二維鋸齒形微棱鏡的相位型衍射光柵，或者采用液晶空間光調制器。上述技術方案中，所述的分光鏡可為平板分光鏡，或者為分光棱鏡。上述技術方案中，所述哈特曼波前傳感器的測量精度由第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列的子光柵孔徑數(shù)確定。本發(fā)明所述哈特曼波前傳感器當選取子光柵的衍射級數(shù)為η時，哈特曼波前傳感器的測量動態(tài)范圍擴大Dn倍，如下式(1)所示
^ COSβ, \Dn=^- (1)
COS0n其中η為光柵陣列的子光柵的衍射級；θ工為第一級衍射角；θ n為第n級衍射角。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下特點和有益技術效果1、本發(fā)明所公開的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，由于其波前孔徑分割元件-衍射光柵陣列由變空間頻率子光柵緊密排列組成，并與傅立葉透鏡緊密耦合實現(xiàn)光束波前孔徑分割，子波前孔徑光束通過傅立葉透鏡聚焦到CCD探測器的光敏靶面，克服了現(xiàn)有技術中微透鏡陣列微透鏡單元焦距不均勻對哈特曼波前傳感器測量精度產生的影響。2、本發(fā)明所公開的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，由于采用變空間頻率的衍射光柵陣列作為波前孔徑分割元件，通過控制選取衍射光柵陣列中子光柵的衍射級數(shù)來控制各個子波前孔徑的聚焦光斑在CCD探測器光敏靶面的動態(tài)范圍，以達到在保持高精度條件下同時實現(xiàn)哈特曼波前傳感器其測量動態(tài)范圍可調的目的。3、本發(fā)明所公開的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，由于其測量精度由衍射光柵陣列的分割波前子孔徑數(shù)確定，即衍射光柵陣列的子光柵數(shù)確定。因此能夠在保持測量精度不變的前提下通過控制選取子光柵的衍射級數(shù)來實現(xiàn)調整哈特曼波前傳感器測量動態(tài)范圍的目的。4、本發(fā)明所公開的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其結構簡單、性能穩(wěn)定、且加工工藝易實現(xiàn)；可以滿足不同頻率和P-V值的波前像差測量要求；因而適用于光加工檢測、高功率激光、脈沖激光等激光光束波前的在線檢測。


圖1是本發(fā)明基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器中第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列分別位于第一傅立葉透鏡前面和第二傅立葉透鏡前面的結構示意圖；圖2是本發(fā)明第一衍射光柵陣列的變空間頻率的子光柵4X4陣列示意圖3是本發(fā)明第二衍射光柵陣列的變空間頻率的子光柵4X4陣列示意圖；圖4是本發(fā)明在理想平面波前時CCD探測器接收到的第一衍射光柵陣列的子光柵的衍射級數(shù)為+1、+3時的光斑陣列圖；圖5是本發(fā)明實際測量時CCD探測器接收到第一衍射光柵陣列的子光柵衍射級數(shù)為+1、+3時的光斑陣列示意圖；其中，圖(a)為子光柵的衍射級數(shù)為+1級時的CCD探測器接收到的光斑陣列，圖(b)為子光柵的衍射級數(shù)為+3級時的CCD探測器接收到的光斑陣列。圖6是本發(fā)明基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器中第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列分別位于第一傅立葉透鏡后面和第二傅立葉透鏡后面的結構示意圖。圖中，1-光學匹配系統(tǒng)，2-分光鏡，3-第一衍射光柵陣列，4-第一傅立葉透鏡， 5-CXD1探測器，6-第二衍射光柵陣列，7-第二傅立葉透鏡，8-CXD2探測器。
具體實施例方式下面結合附圖，并通過具體實施例對本發(fā)明哈特曼波前傳感器作進一步詳細說明，但它僅用于說明本發(fā)明的一些具體的實施方式，而不應理解為對本發(fā)明保護范圍的任何限定。實施例一本實例中，所述第一衍射光柵陣列3和第二衍射光柵陣列6的變空間頻率子光柵結構采用電尋址純相位調制的液晶空間光調制器，光學匹配系統(tǒng)1采用放大倍數(shù)為5的望遠鏡系統(tǒng)，分光鏡2采用透反比為5 5的平板分光鏡，為了消除傅立葉透鏡引入的額外波前畸變，第一傅立葉透鏡4和第二傅立葉透鏡7均采用焦距為IOOmm的消像差透鏡，CXDl探測器5和(XD2探測器8均采用型號為MVC- II 1M，像素大小為IOMX 1280的面陣C⑶光電探測器。如圖1所示，本發(fā)明基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，包括光學匹配系統(tǒng)1 及其后面的分光鏡2，分光鏡2透射面是緊貼著第一傅立葉透鏡4前面的第一衍射光柵陣列3，CXDl探測器5置于第一傅立葉透鏡4后面，分光鏡2反射面是緊貼著第二傅立葉透鏡 7前面的第二衍射光柵陣列6，(XD2探測器8置于第二傅立葉透鏡7后面。所述第一衍射光柵陣列3和第二衍射光柵陣列6分別與其前面緊貼著的第一傅立葉透鏡4和第二傅立葉透鏡7緊密耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；在對激光波前像差或者是激光光束質量進行綜合檢測時，待測激光經過光學匹配系統(tǒng)1實現(xiàn)對不同口徑大小的激光光束匹配后，被分光鏡2分為兩束，其中一束光照射到第一衍射光柵陣列3上，并通過第一傅立葉透鏡4成像，整個光束孔徑被均勻分割并在位于第一傅立葉透鏡4焦平面處的CCDl探測器5的光敏靶面上形成聚焦光斑陣列；另一個光束則是照射到第二衍射光柵陣列6上，并通過第二傅立葉透鏡7成像，整個光束孔徑被均勻分割并在位于第二傅立葉透鏡7焦平面處的CCD2探測器8的光敏靶面上形成聚焦光斑陣列。通過計算機對CXDl探測器5接收到的光斑信息進行處理，計算得到各個子波前孔徑聚焦光斑的重心(X^yi)與標定重心O^ytl)的x、y方向上的偏移量八、、Ayi后；同時考慮到衍射光柵分光能力與入射激光波前傾斜方向有關，在光柵衍射方向最為敏感；因此為了使得各子波前偏移量在同一個方向上統(tǒng)一，可以通過把原始坐標χ方向旋轉至與各子光柵刻槽垂直的方向即光柵衍射方向，即光柵分光最敏感的方向。由坐標旋轉變換公式(2) 可以得到新坐標系中X方向上的偏移量
ΔΧ; =Ari Cos(^i)+ Ayi Sin(^i)]. .. .(2) [Δ ； = Ax1 cos ) - Λ兄 sin )其中θ i為各個子波前孔徑坐標旋轉的角度，即第一衍射光柵陣列3中各子光柵刻槽方向與原始坐標方向的夾角，Qi的值可以由子光柵的X、y方向上的空間頻率確定。同理，通過計算機對CCD2探測器8接收到的光斑信息進行處理，同樣可以得到待測激光波前在新坐標系中Y方向上的偏移量ΔΥ”因此，可以得到待測激光波前X、Y方向上的波前斜率(}Xi，Gyi分別為
廠 ΔΧ,廠 AY1…、Gx'=才 Gy' =Jj⑶式中，λ為待測激光的波長，f為第一傅立葉透鏡4和第二傅立葉透鏡7的焦距； 最后綜合處理由公式(3)得到的波前斜率信息重構待測激光波前分布。如圖2所示，第一衍射光柵陣列3的變空間頻率子光柵為4X4陣列示意圖，圖2 中各子光柵是關于其任意對角方向軸對稱排列分布，并且其對角方向上的子光柵空間頻率均滿足1，2，3. .. N規(guī)律遞變，其詳細參數(shù)如表一所示；對應的各子光柵刻槽方向與χ軸的夾角Qi如表二所示。表一第一衍射光柵陣列的子光柵空間頻率分布情況(單位1/微米)
權利要求
1.一種基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，包括光學匹配系統(tǒng)(1)、CCDl探測器 (5)和(XD2探測器(8)，第一傅立葉透鏡(4)和第二傅立葉透鏡(7)；其特征在于還包括在光學匹配系統(tǒng)(1)之后添加一個分光鏡O)，在分光鏡O)的透射面、第一傅立葉透鏡(4) 前面或者后面，且緊貼著第一傅立葉透鏡(4)添加第一衍射光柵陣列(3)，在分光鏡O)的反射面、第二傅立葉透鏡(7)前面或者后面，且緊貼著第二傅立葉透鏡(7)添加第二衍射光柵陣列(6)；所述衍射光柵陣列與傅立葉透鏡耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；所述分光鏡(2)將待測激光分為兩束，一束經過第一衍射光柵陣列( 和第一傅立葉透鏡(4)后形成聚焦光斑陣列，聚焦光斑陣列被位于第一傅立葉透鏡(4)焦平面處的CCDl探測器( 采集；另一束經過第二衍射光柵陣列(6)和第二傅立葉透鏡(7)后形成聚焦光斑陣列，聚焦光斑陣列被位于第二傅立葉透鏡(7)焦平面處的CCD2探測器⑶采集；CCDl探測器(5)和CCD2探測器(8)分別獲取待測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構待測激光波前分布情況。
2.根據權利要求1所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述第一衍射光柵陣列⑶和第二衍射光柵陣列(6)是由變空間頻率的子光柵緊密排列組成，它們分別與第一傅立葉透鏡(4)和第二傅立葉透鏡(7)緊密耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；通過選取子光柵的衍射級數(shù)可控制各子波前孔徑聚焦光斑在兩個CCD探測器光敏靶面的動態(tài)范圍。
3.根據權利要求1或2所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述第一衍射光柵陣列(3)上的變空間頻率子光柵的光柵空間頻率關于其任意一個對角線方向軸對稱分布，且對角線方向上的子光柵的光柵空間頻率按照1，2，3...隊或者隊N-I, N-2. . . 1的規(guī)律遞變。
4.根據權利要求1或2所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述第二衍射光柵陣列(6)與第一衍射光柵陣列(3)上的變空間頻率子光柵的光柵空間頻率分布完全相同，但與第一衍射光柵陣列( 放置位置相互垂直。
5.根據權利要求1或2或4所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述第一衍射光柵陣列(3)和第二衍射光柵陣列(6)的變空間頻率的子光柵結構采用振幅型衍射光柵，或采用相位型衍射光柵。
6.根據權利要求5所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的第一衍射光柵陣列(3)和第二衍射光柵陣列(6)的變空間頻率的子光柵結構采用二維鋸齒形微棱鏡的相位型衍射光柵，或采用液晶空間光調制器。
7.根據權利要求1所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光鏡( 是平板分光鏡，或者是分光棱鏡。
8.根據權利要求1所述的基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述哈特曼波前傳感器中添加的第一衍射光柵陣列( 和第二衍射光柵陣列(6)的子光柵孔徑數(shù)確定哈特曼波前傳感器的測量精度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于衍射光柵陣列的哈特曼波前傳感器。該傳感器包括光學匹配系統(tǒng)、第一和第二傅立葉透鏡、CCD1和CCD2探測器；還包括分光鏡、第一衍射光柵陣列和第二衍射光柵陣列。第一和第二衍射光柵陣列均由變空間頻率的子光柵緊密排列組成，并分別與緊貼前面或后面的第一和第二傅立葉透鏡耦合實現(xiàn)波前孔徑分割；通過選取子光柵的衍射級數(shù)控制各子波前孔徑聚焦光斑在CCD探測器的動態(tài)范圍，以達到高精度條件下實現(xiàn)調整哈特曼波前傳感器測量動態(tài)范圍目的。本發(fā)明克服了現(xiàn)有哈特曼中測量精度與動態(tài)范圍之間不可調和的矛盾問題；且結構簡單、性能穩(wěn)定、應用性強；適用于光學加工檢測、各類高功率激光波前相位和光束質量檢測等領域。
文檔編號G01J9/00GK102419213SQ201110430129
公開日2012年4月18日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2011年12月20日
發(fā)明者馮國英, 周壽桓, 李洪儒, 杜永兆 申請人:四川大學