一种波前传感器

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                              技术领域\n本发明涉及一种波前传感器，尤其涉及一种新结构的哈特曼波前传感器。哈特曼波 前传感器是一种动态波前检测仪器。哈特曼波前传感器采用孔径分割元件和聚焦元件将 入射波前分割为子孔径，再将其聚焦于CCD探测器光敏靶面，形成光斑阵列，通过计算 机对CCD探测器接收的光斑信号进行处理，获得入射波前的波面误差信号。\n                              背景技术\n现有的哈特曼波前传感器通常采用微透镜阵列与CCD探测器耦合的结构。1995年7 月20日美国光学协会出版的《应用光学》期刊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”一文公开的一种哈特曼波前传感器，即采用这种结构， 由微透镜阵列和CCD探测器通过机械机构耦合在一起构成。(参考文献：Byron M.Welsh， Brent L.Ellerbroek，Micheal C.Roggemann，Timothy L.Pennington“Fundamental performance comparison of a Hartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor”20 July 1995 APPLIED OPTICS Vol.34，No.21 4186-4195) 这种哈特曼波前传感器的缺陷在于：结构复杂、体积较大、牢固程度相对较差；尤其在 有振动的情况下工作时，微透镜阵列和CCD探测器之间容易产生相对位移，精度易受影 响；由于存在耦合机构，其安装、调试非常困难。\n                              发明内容\n本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种结构简单、稳定，精度不易受振 动影响的集成式哈特曼波前传感器。\n本发明的目的可通过以下技术措施实现：哈特曼波前传感器由微透镜阵列和背照式 CCD探测器组成，微透镜阵列的焦平面和背照式CCD探测器的光敏靶面重合，所述哈特曼 波前传感器是由背照式CCD探测器和在其上制作成的微透镜阵列构成的集成芯片，集成 芯片的正面是由多个子透镜组成的一维或二维的微透镜阵列，其反面是背照式CCD探测 器的光敏靶面；微透镜阵列和子透镜具有各种形状，子透镜映射到CCD探测器的光敏靶 面上对应的像素区域中包含n×m个像素，其中，有n＝1～N，m＝1～M，并须满足min(N×M) ≮(2×2)。\n本发明的目的可以通过以下技术措施实现：哈特曼波前传感器的微透镜阵列可以是 二元菲涅尔微透镜阵列，也可以是连续表面微透镜阵列，亦可以是梯度折射率微透镜阵 列。\n本发明的目的还可通过以下技术措施实现：哈特曼波前传感器梯度折射率微透镜阵 列的子透镜是圆柱体，每个子透镜的折射率从圆柱体的截面圆形的中心向边缘呈梯度变 化。\n本发明与现有技术相比有如下优点：本发明所公开的集成式哈特曼波前传感器，采 用微光学技术或二元光学技术直接将微透镜阵列制作在背照式CCD探测器上，构成哈特 曼波前传感器集成芯片。微透镜阵列与背照式CCD探测器集成于一体，二者之间的相对 位置完全固定，结构简单，稳定性高，精度不易受到振动影响，能在恶劣条件下正常工 作；同时由于微透镜阵列与背照式CCD探测器之间不需要耦合结构，避免了复杂的耦合 技术。这种集成式哈特曼波前传感器，其微透镜阵列以及所包含的子透镜可根据需要制 作成各种形状，能适应入射波前的不同形状；且有波前误差获取方便、速度快、适用波 长范围大等优点，可广泛应用于自适应光学系统。\n                              附图说明\n图1为本发明实施例一集成式哈特曼波前传感器的结构示意图。\n图2为图1的左视图。\n图3为图1的右视图。\n图4为本发明实施例一的集成式哈特曼波前传感器的原理示意图。\n图5为本发明实施例二集成式哈特曼波前传感器的结构示意图。\n图6为图5的左视图。\n图7为图5的右视图。\n图8为本发明实施例三集成式哈特曼波前传感器的结构示意图。\n图9为图8的右视图。\n图10为实施例三梯度折射率微透镜阵列的子透镜轴向截面的坐标。\n图11为实施例三梯度折射率微透镜阵列的子透镜的折射率分布曲线。\n                              具体实施方式\n下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n如图1所示，本发明实施例一的集成式哈特曼波前传感器包括二元菲涅尔微透镜阵 列1和背照式CCD探测器2。背照式CCD探测器2是一种光电转换器件，由光敏单元、透 明电极等通过集成电路工艺在一块基片上制作而成，其光敏单元的光敏靶面3位于基片 的背面。通过微光学技术或二元光学技术将微透镜阵列1制作于背照式CCD探测器2的 基片上，成为哈特曼波前传感器集成芯片，微透镜阵列1和背照式CCD探测器2的光敏 靶面3分别位于集成芯片的两个侧面，集成芯片的背面是CCD探测器2的光敏靶面3，其 正面是由多个子透镜4组成的一维或二维的微透镜阵列1。设计制作时精确确定微透镜阵 列1和CCD探测器2之间的相对位置，保证微透镜阵列1的焦平面和CCD探测器2的光 敏靶面3重合。\n如图2所示，二元菲涅尔微透镜阵列1是由二个子透镜4组成的一维阵列。子透镜4 是微光学技术或二元光学技术制作的台阶型的二元菲涅尔微透镜。于透镜4的焦平面是 微透镜阵列1的焦平面。如图3所示，背照式CCD探测器2的光敏靶面3上共有八个像 素5，与入射波前的全孔径相对应。二元菲涅尔微透镜阵列1包含的二个子透镜4将入射 波前全孔径分割为二个子孔径。每个子透镜4映射到CCD探测器2的光敏靶面3上，其 所对应的像素区域中包含(2×2)个像素5。\n如图4所示，当任意波前入射到集成式哈特曼波前传感器时，被微透镜阵列1分割 成若干子波前。被分割的子波前分别经子透镜4会聚，在背照式CCD探测器2的光敏靶 面3上形成子孔径光斑；子孔径光斑组成光斑阵列。光斑的中心位置(xi，yi)由①式计 算：\n$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{nm}}},y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{nm}}},---\left(1\right)$\n式中，xnm，ynm分别为第(n，m)个像素5在X、Y方向的坐标，子透镜4映射到CCD探 测器的光敏靶面上，其所对应的像素区域中包含n×m个像素5，其中，有n＝1～N，m＝1～M， (实施例一中，n＝N＝2，m＝M＝2)，Inm为第(n，m)个像素5输出的光斑强度值。\n通过①式可以计算所有光斑的位置。然后，根据②式求出波前斜率gxi，gyi：\n$g_{\mathrm{xi}}=\frac{x_i-x_0}{\mathrm{\lambda f}},g_{\mathrm{yi}}=\frac{y_i-y_0}{\mathrm{\lambda f}}---\left(2\right)$\n(式中，(x0，y0)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特 曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(xi，yi))，实现哈特曼波前传感器对畸变波 前的探测功能。\n如图5所示，实施例二的集成式哈特曼波前传感器，是包括连续表面微透镜阵列6 和背照式CCD探测器7的集成芯片。连续表面微透镜阵列6与背照式CCD探测器7的光 敏靶面8分别位于集成芯片的正面和背面，二者之间的相对位置靠加工保证。如图6所 示，连续表面微透镜阵列6是由七个子透镜9组成的二维阵列，形状为圆形。子透镜9 是六边形的连续表面微透镜，其焦平面也是连续表面微透镜阵列6的焦平面，与CCD探 测器7的光敏靶面8重合。如图7所示，背照式CCD探测器7的光敏靶面8上共有二十 八个像素10。七个子透镜9将入射波前的全孔径分割为七个子孔径。每个子透镜9映射 到CCD探测器7的光敏靶面8上，其所对应的像素区域中包含(2×2)个像素10。\n入射波前经过连续表面微透镜阵列6被分割、会聚在CCD探测器7的光敏靶面8上， 形成光斑阵列。通过同实施例一所述的公式①计算所有光斑的位置(xi，yi)。然后，根 据实施例一所述的公式②求出波前斜率gxi，gyi，实现哈特曼波前传感器的探测功能。\n如图8所示，本发明实施例三的集成式哈特曼波前传感器，是由梯度折射率微透镜 阵列11和背照式CCD探测器12组成的集成芯片。集成芯片的正面和背面分别是梯度折 射率微透镜阵列11和背照式CCD探测器12的光敏靶面13。梯度折射率微透镜阵列11 的焦平面和CCD探测器12的光敏靶面13重合。梯度折射率微透镜阵列11由四个子透镜 14排列成2行×2列的矩阵组成。子透镜14将入射波前的全孔径分割为四个子孔径。如 图9所示，背照式CCD探测器12的光敏靶面13上共有十六个像素15。每个子透镜14 映射到CCD探测器12的光敏靶面13上，其所对应的像素区域中包含(2×2)个像素15。\n如图8所示，梯度折射率微透镜阵列11的子透镜14为掺入其它物质的梯度折射率 微透镜。入射波前经过梯度折射率微透镜阵列11时被分割为子波前，子波前因子透镜14 的折射率呈梯度变化而会聚到背照式CCD探测器12的光敏靶面13上。实施例三中，梯 度折射率子透镜14是圆柱体(亦可以是其它形状)，圆柱体垂直于光轴的截面是半径为r 的圆形(图10表示子透镜14轴向截面的坐标，17为截面圆形的半径r)，每个子透镜14 的折射率n从截面圆形的中心向边缘呈梯度变化，其折射率分布曲线如图11所示(图11 中纵坐标表示子透镜14的折射率n，横坐标表示子透镜14截面圆形的半径r)。\n入射波前经过梯度折射率微透镜阵列11分割会聚后，在CCD探测器12的光敏靶面 13上形成光斑阵列。通过同实施例一所述的公式①计算所有光斑的位置(xi，yi)。然后， 根据实施例一所述的公式②求出波前斜率gxi，gyi，实现哈特曼波前传感器对畸变波 前的探测功能。