[发明专利]一种具有两面锥镜的波前传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种波前传感器，特别是一种两面锥镜的波前传感器，属于自适应光学、波前探测等技术领域的关键器件。

背景技术

波前传感器是自适应系统中测量波前畸变的重要器件，根据测量信号与波面之间的联系可以分为两类：一类是通过测量波前斜率(即波前一阶导数)获得波前相位，较典型的有哈特曼波前传感器，剪切干涉仪等；另一类是测量波前曲率(即波前二阶导数)来获得波前相位，主要有曲率波前传感器。

最常用的哈特曼波前传感器使用微透镜阵列对入射光瞳进行分割，通过测量透镜阵列焦面上像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差求解波前斜率。另外一种光瞳分光的波前传感器利用N(N＞1)个棱面的棱锥将入射波面分束，进而测量波前畸变(1983年授权的美国专利US4399356“Optical wavefront sensing system”)。

这两类波前传感器都是一种分波前的波前传感器，其空间采样率由子孔径数目决定，每个子孔径需要若干个CCD像素以探测光斑中心，而增加子孔径数目将对光电成像元件的像素数提出更高的要求，而且光能利用率较低。

2002年授权的澳大利亚专利AU2003267457A1“Pyramid sensorfor determing the wave aberration of the human eye”利用金字塔形状的折射镜将会聚的入射光在焦平面分成4束，接着利用中继透镜成像到CCD图像探测器，通过比较同一方向光瞳像光强之差得到测量信号，然后利用线性重构矩阵复原待测波前，这种传感器被称为四棱锥波前传感器(PWFS)。它与前面两种分波前的波前传感器相比较，CCD每一像素相当于一个子孔径，具有采样率高且易于改变、光能利用率高等优点(A&A，350，L23-L26，1999，Opt.Commun，268，189-195，2006)。

PWFS的核心器件是一个金字塔形状的折射棱镜，简称四棱锥，其作用是在频谱面对入射波进行分束，因此对其表面粗糙度与棱边的平台宽度有严格的要求(SPIE，Vol.4007，423-430，2000)。虽然加工四棱锥的技术不断的改进，但目前生产合格四棱锥仍存在加工难度大，易于在屋脊棱边的尖端产生较宽平台，因而影响波前探测(Microelectronic Engineering67-68，566-573，2003；PhD Thesis，Joana Büchler costa.2005)。此外，使用无调制的PWFS测量波前差时，模式法复原波前所用的重构矩阵无解析解，需要现场进行测量(Appl.0pt，47，79-87，2008)。

发明内容

本发明的目的是利用具有两面锥镜的波前传感器克服了传统哈特曼波前传感器空间采样率低、光能利用率低，四棱锥波前传感器制作困难且线性重构矩阵需要在实际光路进行测量的缺点。

为达成所述目的，本发明提供的具有两面锥镜的波前传感器的技术解决方案是：具有两个两面锥镜、一个分束镜BS、四个透镜和两个CCD图像探测器，入射畸变波前经分束镜BS分成两束光线，每一路光都经过一个两面锥镜和两个透镜组成的4f缩束系统，两个两面锥镜的两个屋脊棱边相互正交摆放，并且它们的屋脊棱边分别与第一透镜或第三透镜的焦点重合，其中一个两面锥镜将入射畸变波前沿水平方向分光，另一个两面锥镜将入射畸变波前沿竖直方向分光，然后经第二透镜或第四透镜后，其光瞳共轭像被成像到各自CCD图像探测器；其中4f缩束系统的两个透镜共用一个焦平面，且两个透镜的焦距不等；CCD图像探测器与计算机相连，利用计算机读取光瞳像，并比较水平方向或竖直方向两个光瞳像的光强分布差异可以得到两个方向的测量信号，再利用波前复原算法重构波前相位。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明的具有两面锥镜的波前传感器，与哈特曼波前传感器相比，具有采样率高(相同的CCD靶面)，光能利用率高的优点。

(2)本发明的两面锥镜的波前传感器，所用的两面锥镜具有容易加工，棱边仅由两个平面形成，不易产生平台。

(3)本发明的两面锥镜的波前传感器，与四棱锥波前传感器相比，采用模式法复原波前的时候，重构矩阵可由解析式计算无需现场测量，拥有比四棱锥波前传感器更高的波前复原精度。

附图说明

图1为本发明两面锥镜的波前传感器的原理图；

图2a为第一CCD图像探测器获取的沿水平方向分光后的光瞳像光强示意图；

图2b为彗差沿水平方向的分光后在第一CCD图像探测器上的光瞳像分布图；