[发明专利]一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光波前传感装置，具体涉及一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置，属于光学测量技术领域。

背景技术

光波前传感通常使用光学测量的方法获得波面位相信息。常用的方法包括光干涉、模式型波前传感、区域型波前传感等。光干涉通常利用两光束或多光束干涉，对待测光波面位相进行调制，利用探测器(如CCD等)采集的干涉条纹强度信息，计算出光波前位相信息。常用的光干涉方法包括牛顿干涉、菲佐干涉、泰曼-格林干涉、点衍射干涉、剪切干涉、法布里-珀罗干涉等。模式型波前传感通常利用探测器采集一幅或多幅光的传播方向上不同位置光场强度分布，并将待测波面在数学上分解为一系列正交多项式的组合，利用光场强度分布计算出波面位相信息。常用的模式型波前传感技术包括曲率传感、相位变更等。区域型波前传感通常使用分波面的方法，将整个待测波面分割为多个子孔径，通过测量各个子孔径内波面的一阶导数(波前斜率)，计算出波面位相。常用的区域型波前传感技术包括哈特曼、夏克-哈特曼、刀口法、角锥棱镜法等。

夏克-哈特曼是目前最为常用的波前传感技术，它利用微透镜阵列将待测波前分割为多个子孔径，在微透镜阵列的焦平面使用光电探测器探测每个子孔径内光斑的相对横向偏移量，从而计算出各个子孔径内的波前斜率，最后通过波前重构算法得到待测波面的相位。但是，夏克-哈特曼传感器在原理上将单个子孔径内的波面视为平面波，因此它仅利用了波前斜率信息，在波面采样点(子孔径)数量一定的情况下，难以对空间频率较高的高阶像差进行精密测量。在波前传感技术中，波面采样点数量受限于光电探测器的空间分辨率和像元尺寸。因此，在波面采样点数量难以进一步增多的情况下，尽可能提高单个采样点所包含的波面信息，同时探测单个子孔径内波前的斜率和曲率，将有望提高波面高阶像差的检测精度。

近年来，研究人员提出了一系列斜率和曲率混合型的波前传感技术。由于该传感技术同时测量得到波前的斜率和曲率值，相对于单一的斜率型波前传感技术能够得到更多的波前信息，从而能够实现高阶像差的精密测量，是高精度波前传感技术的一个发展方向。

2000年，Paterson和Dainty(Opt Lett,2000,25(23):1687-1689)提出利用色散透镜阵列代替夏克-哈特曼传感器中普通透镜阵列的斜率和曲率混合型波前传感技术。该传感技术能够测量得到色散透镜所分割的各个子孔径波面x和y方向上的斜率值，以及拉普拉斯曲率值。2009年，Barwick(Opt Lett,2009,34(11):1690-1692)对Paterson和Dainty的传感技术做了进一步改进，用人工神经网络算法获得了各个子孔径波面x和y方向上的斜率、曲率以及混合曲率值(波前在x和y方向上的混合偏导数)，从而得到了波前的全部一阶和二阶信息。2008年，Zou和Rolland(J Opt Soc Am A,2008,25(9):2331-2337)提出了基于夏克-哈特曼传感器的微分曲率传感器，同样可以测量出各个子孔径波面在x和y方向上的斜率、曲率以及混合曲率值。2006年，Barbero等人(Opt Lett,2006,31(12):1845-1847)提出了另一种基于夏克-哈特曼的斜率和曲率混合型波前传感技术，可测量得到各个子孔径内的斜率值和拉普拉斯曲率值。

传统的区域型波前传感技术，如哈特曼或夏克-哈特曼传感器，在原理上将单个子孔径内的波面视为平面波，因此它仅利用了波前斜率信息。在波前传感技术中，波面采样点(子孔径)数量受限于光电探测器的空间分辨率和像元尺寸。在子孔径数量一定的情况下，难以对空间频率较高的高阶像差进行准确测量。

发明内容

本发明的目的是为了实现光波波面位相信息的测量，提出一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置。该装置融合了光干涉、模式型和区域型波前传感，能够获得各个子孔径内以波面x和y方向上斜率、曲率以及混合曲率值(即波前的全部一阶和二阶信息)表征的波面位相分布，从而实现高阶像差的精确测量。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于四光束干涉的混合型波前传感装置，包括分波面元件、光电传感器、存储器和运算器；其中

分波面元件上的每个子孔径内设有四个通光圆孔A、B、C和D，其中通光圆孔A的圆心位于子孔径的中心上，通光圆孔B、C和D的圆心间隔120°均布在通光圆孔A的同心圆上；

光电传感器用于接收入射光波经分波面元件后所形成光场的干涉图样，并将干涉图样的强度信息量化为数字图像，保存在存储器中；