[发明专利]一种基于光栅的相位差波前传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于相位差的波前传感器，特别是一种基于光栅的相位差波前传感器。

背景技术

相位差波前传感器因其结构简单、对光源无特殊要求以及测量精度较高，作为一种波前传感器被应用于自适应光学领域。Gonsalves R A在“Wavefront sensing by phase retrieval”，in Applications of Digital Image Processing III，Proc.SPIE，vol.207，1979和“Phase retrieval and diversity in adaptive optics”Opt Eng，Vol.21，829-832，1982两篇文章中提出在待测波前中添加已知大小的离焦像差，准确测量得到焦面光强分布和多幅位于不同离焦面的光强分布，基于最小二乘估计提出采用GS迭代算法准确复原出入射光束中的畸变波前，并将相位差波前检测方法应用于扩展光源的相位检测，同时可改善因像差引起的模糊图像。

传统相位差波前传感器根据焦面和离焦面光强分布图像，采用迭代算法复原得到待测相位信息。当入射光束为含有波前畸变的单色平行光束时，焦面光斑的能量分散，高阶衍射分量的光强较弱。由于CCD成像探测器的输出图像存在一定噪声，同时CCD成像探测器存在一个较为敏感的光强范围，因此当光斑的光强较弱时，受输出图像信噪比以及CCD成像探测器敏感度的影响，CCD无法获取级数较高的衍射斑光强分布信息，复原像差的高频信息将丢失，检测精度就会受到一定影响。若待测畸变波前既包含有大幅度、缓变的低空间频率光学像差，同时还包含有因光学元件加工引起的高空间频率像差，此畸变波前将导致焦面位置、离焦面位置光斑的能量分布较为分散，高级衍射分量分布复杂且光强较弱，光强分布图像精确采集的难度较大。目前常见的CCD成像探测器探测的动态范围较小，当透镜焦面位置处光斑光强较弱时，探测得到的光强分布信息受噪声影响较严重，当焦面光斑光强较强时，CCD成像探测器输出图像极易饱和，探测得到的光强分布误差较大，从而导致传统的相位差波前检测方法无法准确复原出待测波前畸变信息。

目前，国内外的研究工作者已经对相位差波前检测方法进行了30年的研究，研究工作主要集中在改善算法性能和解决实际应用的问题等几个方面。本发明提出了一种基于光栅的相位差波前传感器，能够在一定程度上扩展CCD成像探测器的动态范围，提高信噪比，从而获得在通常情况下很难采集到的光强分布信息，而这些信息直接关系到相位差波前传感器的探测能力。相对于传统的PD波前传感器，光栅型相位差波前传感器提高了原有CC D探测器的动态范围，能够获得焦面和离焦光强分布中相对较高阶的衍射信息，使得待测畸变波前的检测精度有了明显的提高，对自适应光学的发展具有重要意义。

本发明的采用了光栅与相位差波前传感器相结合，有效扩展了CCD成像探测器的动态范围、改善了输出图像的信噪比，使得CCD成像探测器输出图像所含噪声对于波前复原结果的影响减小。相对于传统的相位差波前传感器的检测精度，光栅型相位差波前传感器对待测波前的复原精度大大提高。

发明内容