CN1267709C - 环形偏心式哈特曼夏克波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，属于光学***的动态探测元件。本发明提供一种对环形光斑进行完全波前测量的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，包括环形偏心式微透镜阵列和CCD探测器。微透镜阵列的每个子透镜映射到CCD探测器靶面上对应的像素区域内所包含的像素不少于2×2，子孔径的光学轴心位置位于像素区域的中心。本发明能对常见的环形光斑进行完整的波前测量，可应用于自适应光学***，且具有波前误差获取方便、速度快、适用波长范围大等优点。

Description

环形偏心式哈特曼夏克波前传感器

技术领域

本发明涉及一种哈特曼夏克波前传感器，属于光学***的动态探测元件。

哈特曼夏克波前传感器基于改进的哈特曼测试法。哈特曼夏克波前传感器采用孔径分割元件将入射波前分割为子孔径，并会聚成子光斑，子光斑成像于CCD探测器靶面；通过计算机对CCD探测器的信号进行处理，获得入射波前的波面误差信号。哈特曼夏克波前传感器具有波前误差获取方便、速度快、适用波长范围大等其它波前传感器不能比拟的优点，常作为自适应光学***的动态波前探测元件。

背景技术

现有的哈特曼波前传感器通常采用微透镜阵列-CCD探测器结构。2000年国际光学工程学会出版的《高分辨率波前控制：方法，装置和应用II》SPIE文集4124卷第148页的“用哈特曼夏克波前探测器测量ICF放大器激光波前”(“Laser wave-front measurement of ICF amplifiers usingHartmann-Shack wave-front sensor”148 High-resolution WavefrontControl：Methods，Devices，and Applications II/Proceedings ofSPIE/Vol.4124)一文公开的一种哈特曼波前传感器，由微透镜阵列和CCD探测器构成，微透镜阵列的子孔径是正方形，光学轴心位置位于正方形中心。这种传感器的优点是成像光斑在CCD像面上排列规整，便于CCD探测器输出数据的计算处理；但是，由于由这种微透镜阵列构成的哈特曼夏克波前传感器对常见的圆形、环形光斑边缘部分波前不能完整测量，影响了哈特曼夏克探测器对上述光束，特别是环形光束的波前误差的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种即可以对环形光斑进行完全测量，又保持现有哈特曼夏克传感器CCD探测器输出数据便于计算处理的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：由多个子透镜(3)组成的微透镜阵列(1)按环形排布；每个子透镜(3)映射到CCD探测器(2)靶面上对应的像素(4)区域为n×m；每个子透镜(3)的光学轴心(5)位置不是以子透镜的几何中心来确定，而是以每个子透镜(3)映射到CCD探测器(2)靶面上对应像素(4)n×m区域的中心定位，即子透镜(3)的光学轴心(5)位于CCD探测器(2)靶面上对应像素(4)(n×m)区域的中心。

本发明的目的也可通过以下技术措施实现：微透镜阵列(1)的每个子透镜(3)映射到CCD探测器(2)靶面上对应的像素(4)区域(n×m)，n＝1～N，m＝1～M，须满足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥2的整数。

本发明的目的还可通过以下技术措施实现：微透镜阵列(1)可以是偏心式二元光学菲涅尔微透镜阵列，也可以是偏心式连续表面微透镜阵列。

本发明与现有技术相比有如下优点：本发明所公开的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，将微透镜阵列的子孔径排布成环形，各子孔径的光学轴心位置的确定以映射到CCD探测器靶面上对应像素n×m区域的中心为准，是像素n×m区域的中心，保证了哈特曼夏克传感器即可以完整测量常见环形光斑波前，又继承了现有技术对CCD探测器输出数据便于计算处理的优点，提高了哈特曼夏克传感器对环形光斑的探测精度，可用于自适应光学***。

附图说明

图1为本发明实施例环形偏心式微透镜阵列环形布局示意图。1为微透镜阵列，3为子透镜。

图2为本发明实施例CCD探测器靶面上子孔径对应像素n×m区域排布示意图。2为CCD探测器。

图3为本发明实施例环形偏心式微透镜阵列布局与CCD探测器对应像素区域对位示意图。3为子透镜，4为靶面上对应的像素，5为光学轴心。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明实施例的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，包括二元光学菲涅尔微透镜阵列(1)和CCD探测器(2)，环形偏心式微透镜阵列布局与CCD探测器对应像素区域对位关系如图3。

微透镜阵列(1)由36个偏心式二元光学菲涅尔子透镜(3)组成。子透镜(3)将被测孔径分割为多个子孔径。每个子透镜(3)对应一个子孔径。每个子透镜3映射到CCD探测器2的靶面上对应的像素(4)区域n×m，n＝1～N，m＝1～M，须满足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥2的整数。每个子透镜(3)的光学轴心(5)位置均位于CCD探测器(2)的靶面上对应的像素n×m区域的中心。

实施例中的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，其微透镜阵列(1)的子透镜(3)排布按外环20个，内环16个排布，每个子孔径在CCD探测器(2)靶面上共有4×4像素。

当环形光斑入射到环形偏心式哈特曼波前传感器时，波前被微透镜阵列(1)分割成近似平面的小区域。这些子波前分别经子透镜(3)会聚到各自相应的CCD探测器(2)靶面的像素(4)区域上，形成光斑阵列。光斑的中心位置(x_i，y_i)由下式计算：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},$ ①

①式中，x_i，y_i分别是像素(4)在x，y方向的坐标。其中像素4(n，m)，m＝1～M，n＝1～N为子透镜(3)映射到CCD探测器(2)的靶面上对应的像素，I_nm为第(n，m)个像素输出的光斑强度值。

通过①式可以计算所有光斑的位置，然后，根据②式：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{x_i-x_0}{\mathrm{\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{y_i-y_0}{\mathrm{\λf}}$ ②

求出波前斜率g_xi，g_yi，实现哈特曼波前传感器对畸变波前的探测功能。

Claims (2)

1.一种由微透镜阵列(1)、CCD探测器(2)、子透镜(3)构成的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，其特征在于：由多个子透镜(3)组成的微透镜阵列(1)按环形排布；每个子透镜(3)映射到CCD探测器(2)靶面上对应的像素区域(4)为n×m，n＝1～N，m＝1～M，须满足min(N×M)≮(2×2)，min(N，M)≥2；每个子透镜(3)的光学轴心(5)位置不是以子透镜的几何中心确定，而是以每个子透镜(3)映射到CCD探测器(2)靶面上对应像素区域(4)n×m区域的中心定位，即子透镜(3)的光学轴心(5)位于CCD探测器(2)靶面上对应像素区域(4)n×m区域的中心。

2.根据权利要求1所述的环形偏心式哈特曼夏克波前传感器，其特征在于：微透镜阵列(1)是偏心式二元光学菲涅尔微透镜阵列，或偏心式连续表面微透镜阵列。