[发明专利]一种衍射棱锥波前传感器

说明书

技术领域

本发明一种衍射棱锥波前传感器，属于自适应光学领域，特别涉及用于波前质量测量的一种衍射棱锥波前传感器。

背景技术

波前传感器作为自适应光学系统的关键部分，利用观测目标本身或其附近的自然亮星或激光导引星的光准确测量入射光路的动态波前误差，除太阳自适应光学系统外，波前传感器多工作在弱光环境下，在有限的的子孔径尺寸和很短的测量时间内接收到可用于波前探测的光能量十分有限，提高波前传感器能量利用率就成为波前传感器的发展目标；最常用的哈特曼传感器通过微透镜阵列将入射波面分成多个子波面，需要多单元微透镜阵列，微透镜子孔径数目的增多对电光成像元件的分辨率提出更高的要求，1983年授权的美国专利US4399356“Optical wave-front sensing system”利用N(N>1)个棱面的棱锥将入射波面分束，进而测量波前畸变的大小，1996年意大利的Roberto Ragazzoni(Journal of modern optics 1996,43(2):289-293)首次利用四棱锥将入射波面折射分成四个子光束，透过中继成像透镜在光电探测器上形成四个子光瞳像，子光瞳像的强度差异分布计算入射波前质量。

实际应用中四棱锥的顶尖和棱边的质量、以及表面粗糙度的质量将对系统的测量灵敏度产生巨大的影响，国际上公认的四棱锥的加工标准为面形误差RMS<λ/20，平台宽度<Airydisk/10，而且，一般要求棱锥底面角在1°左右，采用传统的光学抛光法如此小角度的玻璃棱锥存在相当的困难，尤其玻璃研磨过程无法保证棱锥的棱面之间良好的尖锐性，在棱锥顶端造成“平台”，“平台”一方面使光能损失，同时引起强烈的衍射效应，测量精度降低。文献《Use of the LIGA process for the production of pyramid wave-front》采用光刻电铸压膜法（LIGA）制作，可以实现高质量的顶尖和棱边质量，另一方面对加工的设备提出很高的要求，成本高，且棱锥的底面尺寸受限，装校难度增大；专利200910089094.3《一种反射棱锥波前传感器》提出的反射式棱锥波前传感器解决了传统光学加工技术制作透射四棱锥比较困难的问题，但与LIGA技术相同存在着制作的器件尺寸较小的问题，同时需要四个反射镜与四个棱锥面进行配合，系统的复杂度增大，而且需要与四棱锥面相互平行，调整难度大。

随着自适应光学技术应用范围和场合逐渐从天文观测、军事应用领域向民用领域的扩展，微型、小型的自适应光学系统成为研究的重要内容，体积小、结构简单、生产成本低廉、易于调整、同时测量精度高、动态范围大的波前传感器则成为关键技术之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有棱锥波前传感器的技术不足，提供一种结构紧凑、体积小巧、探测精度高、工作谱带宽、调整难度低的波前传感器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种衍射棱锥波前传感器，包括衍射棱锥、成像透镜、光电探测器和聚焦透镜；所述聚焦透镜、衍射棱锥、成像透镜和光电探测器依次放置，所述衍射棱锥的棱锥顶点位于聚焦透镜的焦平面位置，衍射棱锥为圆形底面具有四个棱面的锥体，棱锥顶点位于圆形底面圆心的正上方，四个棱面对称分布，每个棱面由微光学加工技术加工成多台阶相位光栅，衍射棱锥的四个棱面为衍射面，入射波经聚焦透镜落在衍射棱锥的顶点被分成四个子光束衍射，通过成像透镜成像至光电探测器，在光电探测器四个象限上形成四个子光瞳像。

在所述的聚焦透镜前放置合束镜，从激光平行光源出射的参考光经合束镜与入射光合成一束光，然后再经聚焦透镜汇聚在衍射棱锥的顶点。

在所述的衍射棱锥的底面加上棱锥动态调制器，驱动衍射棱锥的顶点做上下扫描，棱锥动态调制器可以根据需要选择安装。

所述衍射棱锥的棱锥顶点到成像透镜的光程等于成像透镜的焦距。

所述光电探测器与成像透镜的距离等于成像透镜的焦距。

所述衍射棱锥棱面的多台阶相位光栅的相位结构用2π或2π的整数倍进行量化。

所述衍射棱锥采用折射率n为1.51的玻璃，根据实际测量的需要，也可选用其它折射率的透明材料。

所述光电探测器为CCD相机或CMOS相机。

本发明与现有技术相比的优点在于：

一、本发明衍射棱锥采用利用微光学加工技术，能够解决现有的传统玻璃加工工艺不易解决的技术问题，解决四棱锥的顶点不够尖，棱不够窄的问题，把平顶效应和棱边效应降低到最小程度；