[发明专利]一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器

说明书

本发明公开了一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，在微透镜阵列子孔径内引入了随机二元相位调制，形成二元相位调制阵列，光束通过阵列型二元相位调制微透镜阵列被分割后聚焦于光电探测器上，形成特殊的光斑阵列图像，最终根据调制后的光斑阵列图的强度分布，采用相位恢复算法复原波前。本发明通过一种具有阵列型二元相位调制元件，对子孔径内光束实施特殊的相位调制，降低了探测精度对高密度子孔径空间采样的依赖，提高了低子孔径密度哈特曼波前传感器的探测精度，有望用于暗弱波前探测、高精度波前探测等领域。

技术领域

本发明属于波前探测技术领域，尤其涉及一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器。

背景技术

波前探测技术是一种重要的光学信息测量手段，已经广泛地应用于天文探测、激光光束质量检测、医学成像、自适应光学等诸多领域。现有的波前探测技术主要有剪切干涉波前传感技术、哈特曼波前传感技术、曲率波前传感技术和相位恢复法等。这些波前传感技术根据不同测量方式和自身独特的优势被用于不同的应用场景。其中，哈特曼波前传感器以结构简单、能够同时测量x、y两个方向的斜率、光能利用率高等优势成为目前应用最为广泛的波前探测技术之一。

典型的哈特曼波前传感器参见中国专利申请公开说明书(申请号CN98112210.8，公开号CN245904)公开的一种光学波前传感器，其实现方式是：采用微透镜阵列分割待测光束的波前，然后根据CCD上各子孔径光斑质心位置的偏移量来估算对应子波前的斜率，最后利用相应算法重构波前相位(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.)。但哈特曼波前传感器的探测精度受微透镜阵列或子孔径采样率的限制，尤其当被测目标为暗弱信标时，需要采用低采样率的微透镜阵列才能保证获得较准确的远场信息，就传统哈特曼波前传感器而言，降低波前采样率意味着降低传感器对高阶像差的探测能力，从而导致探测精度精度下降。因此，目前亟需一种新的哈特曼传感器器结构以提高其在低空间采样率下的探测性能，实现对暗弱信标的高精度波前探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提高哈特曼波前传感器在低空间采样率条件下的探测性能，实现对暗弱波前的高精度波前探测。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，采用特殊的阵列型二元相位调制元件调制入射光束，主要由二元相位调制微透镜阵列和光电探测器组成。光电探测器置于二元相位调制微透镜阵列的焦平面处；光束经过二元相位调制微透镜阵列后被分割聚焦到光电探测器上，形成特殊的光斑阵列图像，最后采用相位恢复算法从光斑阵列图像中复原波前。

进一步地，所述的阵列型二元相位调制元件可以是直接在微透镜阵列中刻蚀阵列型二元相位，也可以是阵列型二元相位调制元件与微透镜阵列的组合，阵列型二元相位调制元件置于微透镜阵列前或者贴附于微透镜阵列上，且阵列型二元相位调制元件的子孔径与微透镜阵列的子孔径一一对应。

进一步地，所述的阵列型二元相位调制元件在每个子孔径内引入的相位调制是非连续的、非中心对称的二元相位，则整个阵列型二元相位调制由下式表述：

式中(x,y)为阵列型二元相位调制元件的空间坐标，a、b分别为阵列型二元相位调制元件在x、y方向上的尺寸，为每个子孔径内引入的非连续的、非中心对称的二元相位调制，为梳状函数，为矩形函数。

进一步地，所述的一种基于阵列型二元相位调制的哈特曼波前传感器，阵列型二元相位调制元件的透过率函数为：

式中f为微透镜阵列的焦距，式中a、b分别为随机二元相位调制微透镜阵列在x、y方向上的尺寸，k＝2π/λ为波数,λ为波长。