[发明专利]一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置

权利要求书

1.一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：该装置由波片(1)、波片旋转机构(2)、检偏器(3)、微透镜阵列(4)、光强探测器(5)、数据处理器(6)组成，含目标光和背景杂散光在内的入射光进入波片(1)和检偏器(3)共同组成的偏振调制器中，对入射光的偏振态进行调制；经过偏振调制后的入射光继续向前传播，并进入微透镜阵列(4)中，并被分割为M×N个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像与光强探测器(5)的光敏面上，获得对应子区域的成像强度分布I(m,n)；

其中，波片(1)安装于波片旋转机构(2)上，其可以随波片旋转机构(2)共同转动，且转动至不同位置，偏振调制器对入射光偏振调制状态也不同；

其中，M和N分别为微透镜阵列的行数和列数，I(m,n)为序号为(m,n)的微透镜对应光强探测器(5)区域探测到强度分布；

在不同调制状态下的入射光经波片(1)、检偏器(3)、微透镜阵列(4)，最终到达光强探测器(5)后的光强分布被记录下来，并输出至数据处理器(6)中，数据处理过程如下：

单个子孔径区域可以看成一个偏振成像微系统，在不同调制状态下测量得到的光强分别记为I(m,n,1)，I(m,n,2)，…，I(m,n,N),1,2,…,N为偏振调制状态序号，波片(1)和检偏器(3)共同组成的偏振调制器对入射光束偏振态的调制作用由下式表示：

其中，S_in和Sⁱ_out分别表示入射光偏振态和偏振调制后的初设光束偏振态，M_P(θ)为检偏方向与水平方向夹角为θ的检偏器(3)穆勒矩阵，M_R(α_i,δ)为快轴方向与水平方向夹角为α_i、延迟量为δ的波片(1)穆勒矩阵，i为单次测量中偏振调制序号，S_in、Sⁱ_out、M_P(θ)及M_R(α_i,δ)表达式如下：

由于光强探测器(5)能够探测光束强度信息，因此联立公式(1)～(4)后可得到如下入射光偏振态求解的线性方程：

其中，

利用(5)式求解入射光的偏振态后，可以进一步获取入射光的偏振度信息DoP、偏振相位角信息AoP，如下式所示：

至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式，利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数，记为P，应用质心算法或互相关算法即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。

2.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：该装置不改变哈特曼-夏克波前探测的基本原理，但将波前探测信标从传统强度维度变换到偏振维度，从而将传统强度维度不能区分的目标光与背景杂散光在偏振维度进行区分，提升信背比和探测精度。

3.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：偏振调制器由波片和检偏器组成，其中波片主要用于引入不同偏振相位，其采用1/4波片或其他波片，制作材料采用天然晶体，或者采用液晶人工材料；检偏器主要用于输出线偏振光，其采用线栅型或者采用晶体材料制作。

4.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：波片需要进行多次旋转形成对入射光的多次调制，其参数选择需要使公式(5)系数矩阵满秩，测量次数至少为4次，更多测量引入的数据冗余有利于抑制系统噪声，提升测量精度。

5.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：其应用于不同哈特曼-夏克波前探测场景，探测对象是点目标，或者是扩展目标。