[发明专利]一种基于光栅的相位差波前传感器

摘要

一种基于光栅的相位差波前传感器，由光栅，透镜，分光镜，CCD成像探测器和计算机等器件组成。含有波前畸变的平行光束垂直辐照于光栅表面，经光栅透射后光束被分成强度不等、相位相同的多束光，经透镜成像于CCD光敏面上。根据两个或多个光栅衍射光斑并利用相应的算法，可以更为准确地计算出光斑的光强分布。计算机根据焦面和离焦面光强分布可复原得到待测的波前畸变信息。本发明能够使用CCD成像探测器采集到通常情况无法测量的光强分布的高频成分，有效地提高了相位差法波前传感器的检测精度，在光学检测、自适应光学、高分辨率成像等领域优势明显。

主权项

一种基于光栅的相位差波前传感器，其特征在于包括：光栅G，透镜L，分光镜BS，CCD成像探测器CCD1和CCD2、计算机系统C；光栅放置于透镜前，含有波前畸变的平行光束垂直辐照于光栅G表面，经光栅G透射后光束被调制为强度不等、相位一致的多束光，随后光束经透镜L聚焦和分光镜BS分光后，被分为两部分，一部分经过分光镜BS后，透射光束沿原方向继续向前传播，并最终成像于位于透镜焦平面位置处的成像探测器CCD1的光敏面上；另一部分经分光镜BS反射的光束，成像于位于透镜L后某一特定离焦位置处的成像探测器CCD2的光敏面上，并设该离焦位置处的离焦距离的大小为d；成像探测器CCD1和CCD2分别测量得到位于透镜焦平面位置和具有一定离焦距离的平面上的光强分布，将衍射光栅的0级衍射光斑与1级衍射光斑强度之比记为η，假定0级衍射光斑具有较高的分光比，则η＞1；对于1级衍射光斑而言，由于其所包含的能量较弱，选取性能参数合适的成像探测器，即能够使得1级衍射光斑的峰值以及光斑能量较强的中心部分的光强分布能够被成像器探测器CCD1准确地探测到，同时，0级衍射光斑能量较强的中心部分的光强分布在图像中已达到饱和状态，而0级衍射光斑能量较弱的周围部分的光强分布能够被成像探测器CCD1准确地探测到；适当调整光强的大小，选取光栅的分光比，成像探测器CCD1即能同时测量到0级和1级衍射光斑，且准确测量的区域具有互补性，从而通过相应的算法推算出真实的焦面光强分布信息；利用成像探测器CCD1探测到1级衍射光斑中能量较强区域的光强分布，根据光栅的分光比，则能够推算出0级衍射光斑中饱和区域内的实际光强分布；成像探测器CCD1的噪声对焦面位置处光强分布信息的影响较小，能够更加准确地测量到像面上那些容易被噪声淹没的离光斑中心较远且光强能量较弱的高频信息；同时，将成像探测器CCD2放置于具有一定离焦量的离焦面位置处，即能同时测量到离焦面的0级和1级衍射光斑，且准确测量的区域具有互补性，从而能够推算出真实的离焦面光强分布信息；利用成像探测器CCD2能够准确探测到1级衍射光斑中能量较强区域的光强分布，根据光栅的分光比，则能计算得到离焦面位置处光斑中心区域的光强分布信息，将计算得到的光强分布取代CCD2图像中0级衍射光斑中的饱和区域，综合0级衍射光斑中周围区域的光强分布信息，从而获得更准确地离焦面位置处的光强分布信息；根据成像探测器CCD1采集到的0级以及1级衍射光斑计算得到的焦面光强分布记为I，而根据成像探测器CCD2采集到的0级以及1级衍射光斑计算得到的离焦面光强分布记为I_def，由迭代算法复原得到畸变波前的信息。