[发明专利]一种100%匹配圆形、环形等光束孔径的微阵列光栅

说明书

技术领域

本发明涉及一种微阵列光栅，特别涉及一种能够100％匹配圆形、环形、甚至是任意形状光束孔径，而形成的光斑阵列呈方形规整排布的微阵列光栅。

背景技术

哈特曼波前传感器已广泛应用于自适应光学系统之中，它可以事先用一束高质量的参考光标定，而在现场测量时无需参考光，所以对环境的要求不像干涉仪那样敏感，因此它可以应用于光学元件质量控制、光束质量测量、人眼像差、角膜面形测量等方面。现有的哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列分割光束孔径，并将入射光聚焦到光电探测器(通常为CCD)的光敏靶面，或者通过一转像系统将微透镜的焦面光斑图象成像于光电探测器光敏靶面。上述哈特曼传感器可以参见“Adaptive Optics for Astronomy”D.M.Alloin and J.M.Mariotti.Kluwer Academic Publishers，1994.“HartmannSensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski，B.Martin Levine，Brain MoNeil. SPIE Vol.314，P398，1997。

这类哈特曼传感器的不足在于微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致导致影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高。为此，王海英、张雨东等曾提出过一种基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，见中国专利申请号03126430.1、200310100168.1、03126431.X。所述的基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列、透镜或透镜组和光电耦合器件(如CCD探测器)组成，其中透镜或透镜组紧靠微棱镜阵列，光电耦合器件位于透镜或透镜组焦面上。其优点在于提出了一种锯齿形相位光栅阵列结构，和一个透镜或透镜组组合实现光束孔径的均匀分割，避免了微透镜阵列技术中微透镜单元焦距不一致所带来的误差。

但是，在上述三个专利(中国专利申请号03126430.1、200310100168.1、03126431.X)中所提出的微棱镜哈特曼波前传感器，其子孔径形状和所能匹配的光束口径均为方形。这样，在光束孔径为圆形或环形的情况下(事实上，绝大多数光束孔径皆为圆形或环形)，导致与光束孔径不能做到完全匹配，损失有效的光束信息，并且，这种不匹配所带来的边缘衍射效应还会导致边界子孔径光斑质量恶化，影响其实际应用。同时，现有的光电探测器其光敏靶面、像素等均为矩形，又要求光斑阵列仍呈方形规整排布，以便于数据的读出与处理。这些问题将会直接影响该技术在工程实际应用方面的发展。

本发明正是在上述背景下产生，发明了一种能够100％匹配圆形、环形等光束孔径，同时光斑阵列可以成方形规整排布的微阵列光栅结构；并且，进一步提出了微阵列光栅的几种实现方案，尤其是其中的由同样两个一维锯齿形相位光栅阵列组合实现的方案。本发明有效地解决了上述三个专利(中国专利申请号03126430.1、200310100168.1、03126431.X)中发明的锯齿形相位光栅阵列结构与圆形光束孔径和方形光电探测器同时匹配的问题，并针对实际制作问题，提出了简化结构、提高制作效率的实施方案，弥补了上述专利中发明技术所存在的不足。

发明内容

本发明的技术解决问题之一：克服现有技术的不足，提供一种100％匹配圆形、环形等光束孔径的微阵列光栅制作方法，该方法能够100％匹配圆形、环形孔径，理论上甚至是任意形状光束孔径，而光斑阵列仍呈方形规整排布，解决了这种锯齿形相位光栅阵列技术无法实际应用的问题。

本发明的另一技术解决问题是：提供了能够有效降低微阵列片子设计和工艺制作复杂性的几种实际设计、制作方案，尤其是其中的由同样两个一维锯齿形相位光栅阵列组合实现的方案，解决了如何提高锯齿形相位光栅制作效率、批量制作实现的问题。

本发明的技术解决方案：一种100％匹配圆形、环形等光束孔径的微阵列光栅制作方法，其特征在于：

(1)首先进行孔径分割，即确定在整个光束孔径上要分出的子孔径数目N；

(2)确定子孔径数N之后，按照各个子孔径面积相等的原则进行划分；

(3)划分完子孔径后，预先设定预期要形成的光斑阵列分布，光斑阵列中共有N个光斑，这些预期形成的N个光斑阵列将与N个子孔径对应；

(4)最后根据对应关系设计每个子孔径内二维微阵列光栅的两个方向的空间周期或锯齿深度，其中子孔径内锯齿形相位光栅的周期Tx、Ty分别为：