CN1245904A - 光学波前传感器 - Google Patents

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Abstract

光学波前传感器,属于对哈特曼—夏克波前传感器结构的改进。其特征是由具有子孔径分割的聚焦阵列和位敏传感器阵列组成,聚焦阵列将光学***光瞳分割成子孔径阵列,并将入射光束会聚到置于其焦面的位敏传感器阵列各对应的单元上。其响应速度快、信息处理量小、数据为并行输出,光学调整简便,使得采样延迟时间大为下降,大大提高了波前传感器的采样速率,同时也简化了算法,降低了对后续计算机的要求,增加了适用性。

Description

光学波前传感器
本发明是一种光学波前传感器，属于对哈特曼——夏克波前传感器结构的改进。
哈特曼——夏克(Hartmann-Shack)波前误差测量法，最初是用于检测大口径天文望远镜光学质量的。基于此测量原理，用(微)透镜阵列和CCD相机及计算机相结合，而制成的动态哈特曼——夏克波前传感器，首先在自适应光学***中得到了广泛应用，其后又被应用于流场动态测量。哈特曼——夏克波前传感器，以(微)透镜阵列将光瞳分割成子孔径阵列，并将入射光会聚到CCD相机的靶面；计算机从CCD相机输出信号，算出子孔径会聚光点重心与标定重心在x，y方向上的偏移量，由子孔径的焦距和偏移量求出子孔径的波前斜率，再由波前斜率重构出波前。动态哈特曼——夏克波前传感器所具有的波前误差获取方便、速度快、对测量光源相干度要求低、结构紧凑等优点，是其他波前传感器所无法比拟的。现有的哈特曼——夏克波前传感器，都使用CCD相机作为光电探测器。CCD相机的局限性在于：其一，它的各象素信号是以串行方式输出的；其二，要经过计算机求取重心的算法，才能获得各子孔径的误差信息。因此从原理上限制了采用CCD的哈特曼波前传感器的采样频率提高和采样延迟时间的降低，从而影响了这种传感器在实时控制***(如湍流补偿自适应光学***)和高时间分辨率的测量***中(如气动学效应测量)的应用。文献：“Weont characterization with aminiaturized Shack-Hartmann Sensor.”(OptikVol.101，No.4，1996，pp.151-156，作者C.Du，K.Zurl，J.Schwjder.)对这种传感器进行了详细介绍。
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，而提供一种采样时间短、采样速度高，易于在实时控制***中应用的光学波前传感器。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：由具有子孔径分割的聚焦阵列和位敏传感器阵列组成光学波前传感器，具有子孔径分割的聚焦阵列将光学***光瞳分割成子孔径阵列，并会聚到置于其焦面的位敏传感器阵列各对应的单元上。
本发明的目的还可以通过以下措施来达到：置于子孔径阵列焦面上的位敏传感器阵列是一维阵列或是二维阵列；位敏传感器可以是一维位敏传感器，也可以是二维位敏传感器；具有子孔径分割的聚焦阵列是透镜阵列。
附图说明：
图1为实施例1结构图；
图2为实施例1结构图的A视图；
图3为实施例2结构图；
图4为实施例2结构图的A视图；
图5为实施例3结构图
图6为实施例4结构图
图7为实施例4结构图的B视图；
下面本发明将结合附图作进一步说明：
光学波前传感器，由透镜阵列(1)和位敏传感器阵列(2)组成。
如图1和图2所示，实施例1，光学波前传感器，由透镜阵列(1)和位敏传感器一维阵列(2)组成。
如图3和图4所示，实施例2，光学波前传感器，由透镜阵列(1)和位敏传感器二维阵列(2)组成。
透镜阵列(1)将光学***的光瞳分割成许多子孔径，透镜阵列上的各子孔径透镜，将各子孔径的入射光会聚于置于其焦面的位敏传感器阵列(2)各对应的单元上。所用的位敏传感器(PSD-PositionSensitive Detectors)是一种利用光电子效应、且输出光电流强度与光点在位敏传感器敏感面上与输出电极间距离成反比的光电探测器。对于每个测量方向，根据位敏传感(PSD)各电极输出光电流强度和简单的线性比例关系，可以获得光点位置数据。
单个位敏传感器器件能测量单个光点的位置，由多个位敏传感器器件组成的阵列，或者集成化的位敏传感器线阵和面阵，就可以满足子孔径阵列的光点位置测量需要。
如图5所示，采用一维位敏传感器(即仅对一个方向的光点位移敏感传感器)阵列时，用分束器(3)将入射光分成光束(4)和光束(5)，使光束(4)通路上，置于透镜阵列(1)焦面的一维位敏传感器阵列(2)位移敏感方向；和光束(5)通路上，置于透镜阵列(1)焦面的一维位敏传感器阵列(2)位移敏感方向，在空间方向上互相垂直(正交)，这样就可以同时获得两互相垂直(正交)方向上光点位置信息，即用两个一维位敏传感器就可以代替一个二维位敏传感器的使用。图5中的透镜阵列(1)和位敏传感器阵列(2)可以是如图2所示的一维的阵列；也可以是如图4所示的二维阵列。
如图3和图4所示，采用二维位敏传感器(即对两个正交方向的光点位置敏感的位敏感传感器)阵列时，将二维位敏传感器阵列(2)置于透镜阵列(1)焦面，并使位敏感传感器阵列的各单元与透镜阵列的各子孔径一一对应，就可同时测得到正交方向光点位置的信息。
如图6和图7所示，位敏传感器阵列(2)可用分立的位敏传感器器件拼合而成，选用日本Hamamatsu公司生产的S1743型二维位敏传感器PSD分立器件64个，在一块金属(如LY-12)上加工出S1743-PSD的安装孔，计8×8个，每个孔的另一端安装φ16、D/f＝1/5的透镜，所有PSD均位于8×8透镜阵列的焦面上，这就组成了一个具有8×8个子孔径阵列和8×8位敏传感阵列的光学波前传感器。
位敏传感器阵列(2)可以是微电子制造技术制作的集成器件，即集成化的一维线阵或者二维面阵，透镜阵列(1)同样可以采用微电子制造技术制作的微透镜阵列，这样就构成了结构非常紧凑的光学波前传感器。
本发明相比已有技术具有如下优点：
采用位敏传感器阵列作为各子孔径斜率探测器，因其响应速度快(～100ps)、信息处理量小、数据为并行输出，光学调整也较为简便，使得采样延迟时间大大下降，从而大大提高了光学波前传感器的采样速率，同时也简化了算法，降低了对后续计算机的要求，增加了适用性。

Claims (4)

1.光学波前传感器包括具有子孔径分割的聚焦阵列和位于聚焦阵列焦面初的探测器，其特征在于由具有子孔径分割的聚焦阵列(1)和位敏传感器阵列(2)组成，具有子孔径分割的聚焦阵列(1)将光学***光瞳分割成子孔径阵列，并将入射光束会聚到置于其焦面的位敏传感器阵列(2)各对应的单元上。
2.如权利要求1所述的光学波前传感器，其特征在于置于子孔径阵列焦面的位敏传感器阵列(2)是一维阵列或是二维阵列。
3.如权利要求1所述的光学波前传感器，其特征在于构成位敏传感器阵列(2)可以是一维位敏传感器也可以是二维位敏传感器。
4.如权利要求1所述的光学波前传感器，其特征在于采用一维位敏传感器阵列时，用分束器(3)，将入射光分成光束(4)和光束(5)，使光束(4)通路上，置于透镜阵列(1)焦面的一维位敏传感器阵列(2)位移敏感方向；和光束(5)通路上，置于透镜阵列(1)焦面的一维位敏传感器阵列(2)位移敏感方向，在空间方向上互相是垂直的。
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