[发明专利]一种基于离焦光栅阵列的波前传感器

说明书

本发明公开了一种基于离焦光栅阵列的波前传感器，利用离焦光栅阵列，同时实现对待测光束的孔径分割和子孔径内±1级离焦光斑的生成，利用每个子孔径中的±1级离焦光斑图像可提取子孔径中波前斜率信息和高阶像差模式系数，实现对子孔径内波前的高分辨测量。与传统夏克‑哈特曼波前传感器相比，本发明可以提取子孔径内更多的细节分布信息，因而可以在同等子孔径条件下以更高精度复原波前，或在相同复原精度下以更少的子孔径数目完成波前复原，从而为弱光、高精度波前探测等领域提供了一种新的技术途径。

技术领域

本发明属于波前探测技术领域，尤其涉及一种基于离焦光栅阵列的波前传感器。

背景技术

波前探测一直是光学界研究热点之一，在天文观测、光学检测、医学成像、自适应光学等诸多领域都涉及到相位测量的问题。现有主流相位测量方法主要分为干涉法、直接测量法和基于强度分布的间接测量法三大类，每类方法都有其独特的优势，分别被应用于不同的场合。

离焦光栅实质上是一个离轴的菲涅尔波带片，具有普通光栅的棱镜作用，将入射波前在光栅的不同的衍射级上分束，同时具有菲涅尔波带片的透镜作用，在不同的衍射级上引入不同的透镜效应。最终使得输入波前有对称分布的±1级衍射光轴，且在±1级上具有大小相等，一正一负的焦距。

夏克-哈特曼波前传感器主要是通过微透镜阵列对波前进行分割采样，子波前经过微透镜阵列后被聚焦于光电探测器上，形成光斑阵列图，其测量精度与空间采样率存在固有矛盾，限制了夏克-哈特曼波前传感器的测量性能。曲率波前传感器是通过计算聚焦透镜前后光强的归一化之差，在光瞳内部与波前曲率成正比，但曲率波前传感器无法对高阶信息进行测量，限制了其发展。因此，目前亟需寻找一种探测精度高、鲁棒性好的低空间采样波前探测技术路线。

结合离焦光栅的特性、曲率波前传感器的原理及哈特曼波前传感器的结构，提出一种基于离焦光栅阵列波前传感器，在单个子孔径内引入离焦光栅对入射波前进行相位调制，在其焦面上获得±1级离焦光斑，结合曲率波前传感器的原理，得到单个波前的信息，最终根据复原矩阵和单个子孔径内的波前信息复原波前。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：夏克-哈特曼波前传感器测量精度和空间采样率的固有矛盾以及曲率波前传感器无法对波前的高阶信息进行探测的问题。在低空间采样条件下完成高精度波前复原，在同等子孔径条件下以更高精度复原更高阶的波前像差信息。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于离焦光栅阵列的波前传感器，所述波前传感器采用离焦光栅阵列对待测光束进行孔径分割和相位调制形成±1级衍射阵列，再利用微透镜阵列对±1级衍射阵列进行聚焦，形成±1级离焦光斑阵列；所述波前传感器主要包括离焦光栅阵列、微透镜阵列和光电探测器三部分；

所述离焦光栅阵列中的光栅为相位型离焦光栅，用于对待测光束进行孔径分割以形成若干子孔径并对子孔径内波前进行相位调制；设单个子孔径调制前的波前为φ_j(x,y)，j为子孔径编号，对子孔径内波前调制的相移函数为φ_m(x,y)，则对第j个子孔径调制后的波前φ'_j(x,y)为：

φ'_j(x,y)＝φ_j(x,y)+φ_m(x,y)

其中，x,y为离焦光栅的坐标；

所述微透镜阵列位于所述离焦光栅阵列之后，且与离焦光栅阵列一一对应，所述微透镜阵列对通过离焦光栅阵列调制后的光束进行聚焦，在其焦面上形成±1级离焦光斑阵列；

所述光电探测器位于微透镜阵列的焦面，探测每个子孔径内的±1级离焦光斑图像数据，所述离焦光斑图像数据用于利用曲率波前复原方法计算子孔径中的高阶像差信息和重建全口径的高分辨波前。

进一步的，所述离焦光栅阵列大于等于2×2。