CN101285735B - 一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器 - Google Patents

Abstract

一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器，它可以测量具有大的倾斜的波面信息；其特征在于：与普通的哈特曼传感器相比，所述哈特曼传感器在缩束***之后、微透镜之前加入了分光***，该分光***将部分信号光导出主光路；这部分光最终经过一个聚焦透镜聚焦到放到该透镜焦点处的光电探测器上，通过分析该焦斑的偏移情况可以得到入射波面的整体倾斜信息，将这部分信息与哈特曼传感器上得到波面信息相叠加就可以得到整个波面信息。本发明在普通哈特曼传感器的基础上加入一个匹配的分光路就实现了在不影响哈特曼测量精度的前提下测量大倾斜波面信息的功能；并且本发明结构简单，与普通哈特曼传感器相比成本增加很少。

Description

一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器

技术领域

本发明涉及一种用于哈特曼传感器***，特别涉及一种有大动态范围的哈特曼传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器是是一种能够检测波面形状的仪器，它在自适应光学、光学镜面检测、医疗仪器和天体目标成像中得到了广泛的应用。传统的哈特曼传感器通常由缩束***、微透镜阵列、光电探测器以及波前处理机组成。动态范围是设计和使用哈特曼传感器的一个非常重要的特征参数，哈特曼传感器的动态范围可以解释为，不使经过微透镜阵列聚焦后的焦点跨出它所对应的子孔径时所能测量的最大局部波前斜率。通常状况下可以通过降低哈特曼的子孔径数目、使用短焦距的微透镜阵列和使用大靶面的光电探测器。但是，降低哈特曼子孔径数目和使用短焦距微透镜阵列都将降低哈特曼传感器的测量精度，使用大靶面的光电探测器将大大增加传感器的成本。同时，使用大靶面的光电探测器的方法对于提高动态范围作用有限。所以，在实际设计哈特曼传感器时，往往以牺牲测量精度来获得大动态范围的哈特曼传感器。

由于以上问题的存在，如何设计出低成本、高精度、大动态范围的哈特曼传感器一直是哈特曼传感器研究领域的一个重要课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术在测量精度和动态范围上不能同时兼顾的不足，以传统哈特曼为基础，提供一种高精度，对倾斜有大动态范围的哈特曼传感器；它能够在不影响测量精度的前提下测量具有相当大倾斜的畸变波面信息为需要测量大倾斜波前信息的领域提供方便、廉价的哈特曼传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器，包含有由前透镜和后透镜组成的缩束***，和微透镜阵列，第一光电探测器；在由前透镜和后透镜组成的缩束***之后微透镜阵列之前的位置处，添加一个用于测量入射波面的整体平均倾斜的由分光镜、反射镜、聚焦透镜和第二光电探测器组成的分***；其中第二光电探测器置于聚焦透镜的焦点处；第一光电探测器位于微透镜阵列焦点平面处；外界的被测光束被所述缩束***缩束后，被分光镜分为两束，一束经过微透镜阵列到达第一光电探测器，被第一光电探测器以光斑点阵的形式采集；另一束进入分***经过反射镜后被聚焦透镜聚焦到第二光电探测器上，被第二光电探测器以远场光斑的形式采集到；经过分光镜分光后的两束光分别达到第一光电探测器和第二光电探测器上的光程相等；所述分***测量所述被测光束的波面的整体倾斜，在第一光电探测器获得的信息的基础上叠加上所述被测光束的波面的整体倾斜信息就得到所述被测光束的波面的整体信息。

所述分光镜采用分光棱镜来代替。

通过计算所述分***中第二光电探测器上的远场光斑移动量获得第一光电探测器的标定图像的平移量。

本发明的工作原理：与普通的哈特曼传感器相同，本专利涉及的哈特曼传感器的使用同样需要进行使用前的标定。但是由于有分***的加入，所以本发明的标定将是对哈特曼传感器中的两个部分同时进行标定。平行光经由前透镜、后透镜组成的缩束***缩束后被分光镜分束，一部分光最终被第二光电探测器以远场光斑的形式采集到，另外一部分进入哈特曼传感器被第一光电探测器以光斑点阵的形式采集。由于波面的整体倾斜将导致第一光电探测器和第二光电探测器上的光斑整体的朝着同一个方向偏移，并且第一光电探测器上光斑的移动量与第二光电探测器上的光斑移动量有着线性的对应关系。通过第二光电探测器上采集的光斑相对于标定光斑的光斑质心移动量可以计算出第一光电探测器上光斑阵列的整体偏移量Δ。将标定图像信号沿着第二光电探测器上光斑的移动方向移动距离Δ，以移动后的图像作为标定图像重新计算畸变波前的光斑的偏移量，而后将移动距离Δ叠加到偏移量上来得到新的偏移量。以该移动量来计算波前斜率、复原波面。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明所涉及的哈特曼传感器与普通的哈特曼传感器相比，在硬件上添加了一个用于检测入射波面整体平均倾斜的分***。在信息处理上，与普通哈特曼传感器多了一个用于标定的图像整体平移的一个过程；保证在基本不增加成本的情况下扩大哈特曼传感器的动态范围；而且哈特曼传感器的测量精度与扩大动态范围之前没有改变。

附图说明

图1为本发明的通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器结构示意图；

图2为波前倾斜在哈特曼动态范围之内示意图；

图3为波前倾斜超出哈特曼动态范围示意图；

图4为分***分离出波面整体倾斜示意图；

图5为标定点阵图像平移示意图；

图中，1.前透镜，2.后透镜，3.分光镜，4.微透镜阵列，5.第一光电探测器，6.反射镜，7.聚焦透镜，8.第二光电探测器，9.哈特曼传感器的核心部件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本实施例的一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器，在现有的哈特曼传感器的前透镜1和后透镜2组成的缩束***之后和微透镜阵列4之前的位置上添加一个用于测量入射波面的整体平均倾斜的分***，其中分***又由分光镜3、反射镜6、聚焦透镜7和第二光电探测器8组成，第二光电探测器8置于聚焦透镜7的焦点处；第一光电探测器5置于微透镜阵列4后焦点平面处，光束经过分光镜3分束后，一束经过微透镜阵列4到达第一光电探测器5，另一束经过反射镜6后被聚焦透镜7聚焦到第二光电探测器8上，为了保证两个光电探测器探测到的是同一个波面的信息，经过分光镜3分光后的两束光到达对应的光电探测器上的光程是相等的；所述的分光镜3还可以用分光棱镜来代替。

哈特曼传感器在使用之前，首先必须要标定***本身的误差。

如图2所示，为哈特曼传感器的标定和测量过程及其光电探测器靶面上光斑分布情况。其中只画出了哈特曼传感器的核心部件-微透镜阵列4和放置在微透镜阵列焦点平面处的第一光电探测器。哈特曼传感器利用微透镜阵列4对入射的信号波前进行子孔径分割，每个子孔径内光信号聚焦在其后的第一光电探测器5上，利用第一光电探测器5靶面上能量的分布情况进行质心位置计算；

图2左中虚线所示为入射方向垂直于微透镜阵列4的平面时的光线传播情况，这实际上就是标定哈特曼传感器的过程。由该波面形成的点阵被第一光电探测器5采集后的光斑分布情况可由图2右看出，其中方框表示每个微透镜分割出的子孔径，图中符号

表示标定波面形成的点阵。标定完成后使用专用的质心计算方法就算出标定光斑各个光斑的质心。图2左中实线所示为畸变波前(图中使用倾斜来代替)入射时光线的传播情况。由该波面形成的点阵被光电探测器采集后的光斑分布情况可由图2右看出，图中符号

表示由畸变波前形成的点阵分布情况。通过计算两个点阵之间的偏移情况，就可以复原出畸变波前的波面了。

哈特曼波前传感器在标定和测量过程中都要计算光斑的质心位置，哈特曼波前传感器主要是根据下面的公式(1)来计算光斑质心的位置(x_i，y_i)：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是光电探测器光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据下面的公式(2)计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}---\left(2\right)$

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，如图2所示(图中实线所示为畸变波前实际聚焦的位置，虚线所示为标准平面波前的光线聚焦情况)，光斑中心偏移到(x_i，y_i)。利用由上式计算得到的每个子孔径上被测波面的斜率值，最后再通过模式法或区域法来复原波前。

上述方法使用的前提是实际测量波面的局部倾斜不至于超出哈特曼传感器的动态范围。如图3左的情况(其中的符号定义与图2中的相同)，由于波前斜率太大微透镜聚焦后的焦斑跨越了对应的自孔径而进入了其他的子孔径，这种情况下明显超出了哈特曼的动态范围，按照一般的方法计算出的波面信息显然是错误的。

考虑到波前的整体倾斜会导致整个光斑阵列的整体平移，本发明通过加入一个用于检测整个波面远场焦斑的平移情况的分***波面整体倾斜情况分离出来，从而提高了哈特曼的动态范围。如图4中，当倾斜波面进入***后哈特曼传感器和分***的远场焦斑将沿着相同的方向移动，并且由于入射到微透镜阵列4和聚焦透镜7的波面有相同的整体斜率，所以两者光斑的移动量存在着由器件参数确定的唯一的对应关系。由此，波面的整体倾斜可以由分***测量得到。

由以上实施方式可知，由于本发明仅仅是在原来哈特曼的基础上加入了一块分光镜3，一块反射镜6，一个聚焦透镜7和一个普通的光电探测器8，这些器件相对于哈特曼传感器上的其它器件来说比重很小，对成本几乎没有增加。对于哈特曼传感器的测量精度来说，最重要的影响因素是光斑质心的探测精度，在本发明中仅仅加入了一个分***，对影响质心探测精度的因素没有做任何的改变，所以本发明的探测精度保留了原有的探测精度。

本发明所涉及哈特曼传感器工作过程如下：

第一：根据实际设计的哈特曼***计算出倾斜波前入射后导致第一光电探测器5焦面上的远场焦斑移动量向量(ΔX，ΔY)与第二光电探测器8上远场焦斑移动量向量(ΔM，ΔN)之间的对应系数K。根据光学知识可知，

ΔX＝K*ΔM，ΔY＝K*ΔN。

第二：用标准平面波标定哈特曼传感器，分别记录下第一光电探测器5、第二光电探测器8上的光斑信息，并且分别计算出对应的质心位置。

第三：实际测量带有倾斜的波面，第一光电探测器5、第二个光电探测器8同时曝光采集入射波前的信息。

第四：先计算第二光电探测器8上采集的光斑移动量向量(ΔM，ΔN)，根据公式计算出对应的第一光电探测器5上的光斑移动向量(ΔX，ΔY)。而后将标定图像及其子孔径范围按照向量(ΔX，ΔY)的方向分别沿X、Y方向移动ΔX、ΔY，而后以新的子孔径区域计算质心位置；如图5所示，其中

表示由畸变波前形成的点阵，虚线所示表示原始标定图像形成的子孔径区域及其标定图像，实线所示表示根据整体倾斜将标定图像平移后的情况。图示可以清晰地看出，由于倾斜导致的光斑跨子孔径的情况可以通过标定图像平移的方式很好的将各个焦点对应到对应的子孔径内。

第五：波面复原，计算质心的公式仍由公式(1)计算，在计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi时要将平移标定图像的过程考虑进去，其公式变为：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}+\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\λf}}=\frac{\mathrm{\ΔX}+x_i-x_o}{\mathrm{\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}+\mathrm{\ΔY}}{\mathrm{\λf}}=\frac{\mathrm{\ΔY}+y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}---\left(3\right)$

由得到的斜率矩阵，而后通过模式法或区域法复原出被测量波面。

Claims (3)

1.一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器，包含有由前透镜(1)和后透镜(2)组成的缩束***，和微透镜阵列(4)，第一光电探测器(5)；其特征在于：在由前透镜(1)和后透镜(2)组成的缩束***之后微透镜阵列(4)之前的位置处，添加一个用于测量入射波面的整体平均倾斜的由分光镜(3)、反射镜(6)、聚焦透镜(7)和第二光电探测器(8)组成的分***；其中第二光电探测器(8)置于聚焦透镜(7)的焦点处；第一光电探测器(5)位于微透镜阵列(4)焦点平面处；外界的被测光束被所述缩束***缩束后，被分光镜(3)分为两束，一束经过微透镜阵列(4)到达第一光电探测器(5)，被第一光电探测器(5)以光斑点阵的形式采集；另一束进入分***经过反射镜(6)后被聚焦透镜(7)聚焦到第二光电探测器(8)上，被第二光电探测器(8)以远场光斑的形式采集到；经过分光镜(3)分光后的两束光分别达到第一光电探测器(5)和第二光电探测器(8)上的光程相等；所述分***测量所述被测光束的波面的整体倾斜，在第一光电探测器(5)获得的信息的基础上叠加上所述被测光束的波面的整体倾斜信息就得到所述被测光束的波面的整体信息。

2.根据权利要求1所述的一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器，其特征在于：分光镜(3)采用分光棱镜来代替。

3.根据权利要求1所述的一种通过分离波面整体倾斜扩大动态范围的哈特曼传感器，其特征在于：通过计算所述分***中第二光电探测器(8)上的远场光斑移动量获得第一光电探测器(5)的标定图像的平移量。

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