[发明专利]基于数字微镜器件的曲率波前传感器

说明书

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种获取入射光束波前信息的装置，尤其涉及一种基于数字微镜器件的曲率波前传感器。

背景技术

剪切干涉仪和哈特曼波前传感器是目前应用最为广泛的两种波前传感器，这两种波前传感器所测量的均是波前的斜率分布，要经过计算机进行波前重构等一系列比较复杂的处理之后才能产生相应的波前矫正器的控制信号，由于大气湍流的变化速度很快，要求自适应光学系统具有快速的波前探测及反馈矫正能力，而复杂的数据处理过程不利于自适应系统控制带宽的提升。曲率传感器波前传感器技术通过比较焦面前后两个对称平面上的光强分布差异来获取所需要的信号。根据衍射理论，前后两个焦面上光强分布的归一化差值与波前曲率变化量成正比，因此只需要解具有一定边界条件的泊松方程可重构出波前。当曲率传感器与薄膜式变形镜一起使用时，将曲率波前传感器探测的信号经适当放大后直接加到这类变形镜上，无需做任何复杂的计算，薄膜式变形镜可自动地向满足泊松方程的表面形状会聚，因此十分适合构建快速闭环的自适应光学系统。

但如何同时或者快速地获取光波在两个离焦面上的远场光强分布图像，并能保持光学结构简单，且尽量不进入附加像差，是曲率波前传感器技术在实际使用时面临的难题。目前曲率波前传感器技术应用于自适应光学系统中的典型结构方案是在聚焦透镜之前放置一个薄膜式变形镜，具体结构特征可以参见“自适应光学曲率波前传感器的衍射理论及其方案分析”[邓罗根，陈新等.[J].光学技术，2003，29(4)]，用变形镜产生特定的离焦面形，使光束在透镜之后的聚焦位置发生改变。当变形镜不产生任何变形时，光电探测器阵列位于光束焦点之后的后焦面，当变形镜产生特定的离焦面形后，光束的焦点位置会发生后移，使光电探测器阵列所处的位置变成了与之前对称的前焦面，变形镜不断地产生和去除面形，就可以达到持续伪同步地获取焦前和焦后对称位置的图像目的，但是该方法采用的变形镜的性能，会给测量系统的稳定性、波前测量的速度和精度带来较大的影响。

另一种比较典型曲率波前传感器结构是用光栅与透镜组合，达到在透镜之后用同时测量前后离焦面上光强分布的目的，具体结构特征参见“光栅型波前曲率传感器原理和应用”[姜宗福，习锋杰等.[J].中国激光，2010，37(1)]。但光栅会造成光能利用率的严重降低和对工作波长的敏感。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单，便于实现，光能利用率高，能够以极快的速度准确地获取前后焦面图像的基于数字微镜器件的曲率波前传感器，对于曲率波前传感器技术的推广应用和快速闭环自适应光学系统的构建均具有重要的意义。

为了实现所述目的，本发明提供基于数字微镜器件的曲率波前传感器，由透镜、数字微镜器件、第一光电探测器阵列以及第二光电探测器阵列组成，其中，在透镜及其焦面位置之间放置数字微镜器件，利用数字微镜器件将经过透镜的待测光波分别向两个方向反射聚焦，得到第一方向和第二方向上的两束反射聚焦光波；

第一光电探测器阵列位于数字微镜器件的第一方向上的第一束反射聚焦光波上，第一光电探测器阵列位于第一束反射聚焦光波上的第一位置点，且第一位置点与数字微镜器件的距离加上数字微镜器件与透镜的距离之和比透镜的焦距f小l距离值；

第二光电探测器阵列位于数字微镜器件的第二方向上的第二束反射聚焦光波上，第二光电探测器阵列位于第二束反射聚焦光波上的第二位置点，第二位置点与数字微镜器件的距离加上数字微镜器件与透镜的距离之和比透镜的焦距f大l距离值；

第一光电探测器和第二光电探测器分别探测两束反射聚焦光波不同位置点的远场光强分布图像，获得焦平面前后对称离焦面上的两幅有差异的远场光强分布图像；根据菲涅尔衍射理论和几何光学近似，得到两离焦面上的远场光强分布图像对应点归一化的光强分布差与入射波前曲率以及光瞳边缘处波前的法向斜率之间的关系并利用泊松方程获取待侧光波的波前相位。

本发明与现有技术相比有如下优点：

将数字微镜器件置于透镜之后，利用其极快且精准的空间光调制能力，使光波在经过透镜之后被数字微镜器件分别往两个方向反射聚焦，采用两个光电探测器阵列在透镜焦平面前后两个对称离焦面上探测反射光波聚焦形成的光强分布图像，进而获得波前信息。

1、本发明在很好地解决了曲率传感器技术应用中获取两幅离焦面图像的问题的同时，避免现有技术方案容易引入像差、器件工艺复杂、光能利用率降低、探测频率下降等问题，保证了系统的可靠性和测量的精度；