[发明专利]基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器

说明书

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的传感器，尤其涉及一种基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器。

背景技术

在自适应光学、光学检测、光束诊断等应用领域，需要测量光束的波前。尤其是在自适应光学系统中，需要快速测量波前信息，用于波前的实时控制。波前传感器通常通过实时连续测定入瞳面上动态入射波前的相位畸变，为波前校正器实时提供控制信号，使光学系统达到接近衍射受限的像质水平。目前发展了许多种测量波前的波前传感器，如动态交变剪切干涉波前传感器、哈特曼波前传感器、相位反演波前传感器和曲率波前传感器等。

动态交变剪切干涉波前传感器于1976年首次在自适应光学系统中成功地应用于大气补偿成像，我国北京天文台的2.16米望远镜上的自适应光学系统也采用了这种技术。它的基本原理是利用旋转光栅衍射效应产生的波前横向剪切干涉测量波前的相位分布；但这种传感器光能利用率低，无法在脉冲信号下工作，稳定性差。

哈特曼波前传感器是目前应用最广的波前传感器；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；1995年7月20日出版的《应用光学》34卷21期第4186页的“哈特曼和剪切干涉波前传感器的基本性能比较”(“Fundamental performance comparison of aHartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor”4186 APPLIED OPTICS/Vol 34No21 20July 1995)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，微透镜阵列和CCD探测器由机械结构耦合于一体。它的基本原理是用微透镜阵列等孔径分割元件把入射孔径分割为若干小子孔径，利用二维阵列光电探测器(如面阵CCD相机)等测量各个子孔径上远场光斑的质心漂移量，得到波前斜率，然后用各种复原算法得到整孔径上的波前相位。虽然哈特曼波前传感器的工程化程度高，实时性好，但其子孔径分割造成光能利用率低，严重限制了其在暗弱信标条件下的应用。

相位反演波前传感器和曲率波前传感器都是基于成像的波前传感器；R.A.Gonsalves等在1979年提出一种相位反演波前传感器，该传感器需要同时记录一幅焦面上的光束远场图像和一幅离焦的图像，并这样连续记录多帧图像，利用多帧图像之间的差异，通过迭代的方法计算出光束波前。最早由F.Roddier提出的曲率波前传感器与上述的相位反演波前传感器不同，它利用焦点前后等距的两个离焦面上的远场图像与光束波前曲率间的关系，通过特定的方法计算出光束曲率，波前曲率是波前相位的二阶导数，根据波前曲率可以用特定的方法复原出波前相位。这两种波前传感器都利用了至少两幅图像，需要对入射光束分光后分别成像和探测。在天文自适应光学等应用领域，星体目标的入射光能量非常微弱，任何分光都将减少光能利用率，而且如果分光后的两个成像系统间存在差异(例如两个成像系统的性能不一致)，又会对波前探测结果带来附加误差。

李新阳等在中国专利申请号“200610089149.7”中提供了一种基于线性相位反演的波前测量方法，该方法仅仅根据单幅远场图像利用线性相位反演技术测量出入射光束波前。其基本理论推导如下：考虑一个典型的成像光学系统，入射光场经过聚焦镜头在远场焦平面上成像。φ(x，y)是入射孔径上的相位分布，I(u，v)是成像光学系统焦面上的光强分布，S(x，y)是成像系统的像差，通常是离焦、像散等类型。事先用一个理想无像差的参考光源对成像系统进行定标，得到仅存在S(x，y)时的远场强度分布I₀(u，v)作为定标图像。然后用同样的光学系统测量存在像差φ(x，y)时的远场强度分布I₁(u，v)。该方法已证明，远场焦面上的光强变化量ΔI(u，v)＝I1(u，v)-I₀(u，v)与入射相位分布φ(x，y)间存在线性关系。

这种线性关系可以用矩阵形式表示为：

ΔI＝H·Φ                    (1)

式中的H是(N²×M²)的线性矩阵。ΔI是ΔI(u，v)展开后的向量，Φ是φ(x，y)展开后的矩阵向量。当入射孔径和焦平面的对应关系确定后，H矩阵的元素可以根据成像系统的波长、焦距、CCD的象素大小、视场大小等参数事先确定。

波前畸变可以用一系列波前模式的线性叠加表示：