专利名称：大口径准直系统波前质量检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测装置及方法，属于光学检测领域。
背景技术：
从激光器出射的光束往往具有一定的发散角。为了利用聚焦镜以获得高功率密度的光斑，在投影系统和聚焦系统中，采用扩束系统减小激光束的发散角，提高其平行度。实际使用时，由于误差传播等的影响，平行光束波前质量将会变化。为了保证高功率密度的光斑，必须对准直系统平行光束波前质量进行检测。目前，检验平行光束波前质量的方法有很多种，大致分为自准直法、剪切干涉法、 塔尔伯特自成像法以及夏克哈特曼法。夏克哈特曼法采用夏克哈特曼传感器检验平行光束波前质量。夏克哈特曼传感器是一种抗干扰性强、结构简单的波前传感器。如图1所示，其由微透镜阵列和光电探测器组成，光电探测器位于微透镜阵列的焦面上。光电探测器一般采用CCD ；微透镜阵列由若干个等焦距的小凸透镜排列而成，微透镜阵列将待探测波前划分为若干个小单元区域，每一个小透镜也称为子孔径，微透镜边长为d，对其接收的波前聚焦成像，每个子孔径对应光电探测器上某一区域的像素，该区域称为一个探测区域。光源照亮待测准直系统，待测准直系统产生的波前投射到夏克哈特曼传感器上，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测波前分割采样并聚焦到光电探测器上，每个探测区域上形成光斑，然后通过数据处理恢复出待测相位分布。目前，数据处理主要分为两步1.提取倾斜量；2.利用波前重构算法重构出待测相位分布，波前重构算法一般分为模式法和区域法。采用夏克哈特曼法进行准直系统波前检测具有如下缺陷从硬件角度考虑，现有的夏克哈特曼传感器需要考虑加工成本，其微透镜阵列的尺寸一般较小，无法直接用于大口径准直系统波前质量的检测；从算法角度考虑，现有应用于夏克哈特曼传感器的波前重构算法独立使用模式法和区域法，没有充分发挥两者的优点，重构精度不高。

发明内容
有鉴于此，本发明针对现有波前重构算法独立使用模式法和区域法的不足，提出了一种混合模式的准直系统波前质量检测方法，能够提高重构精度，为大口径准直系统提供高精度的波前质量检测；本发明还针对现有夏克哈特曼法检测准直系统无法直接用于大口径准直系统波前质量的检测的不足，提出一种适用于大口径准直系统波前质量检测装置，而且该装置应用了上述混合模式的重构方法，能够提高重构精度。本发明是这样实现的一种准直系统波前质量检测方法，包括
步骤一、光源发出的光经过待测准直系统后形成待测准直波前，并投射到夏克哈特曼传感器，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，光电探测器采集光斑数据；步骤二、根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率Stest;步骤三、采用混合模式的波前重构算法重构出待测准直系统的波前相位分布；具体包括(1)利用波前重构算法中的模式法，将所述检测波前斜率Stest代入模式法重构公式中求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为Wnwdal，该Wnwdal 为滤除了中频像差和高频像差、仅对应低频相差的波前相位；(2)将步骤(1)求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为sm。dal，该Snrodal滤除了中频像差和高频像差；(3)计算各子孔径的Stest与^wdal之差，得到斜率，该斜率对应中频像差和高频像差；(4)利用波前重构算法中的区域法，将所述斜率代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为Wlrft，该Wlrft为对应中频像差和高频像差的波前相位；(5)针对各子孔径，将Wnrodal和Wlrft叠加，得到各子孔径的对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位；步骤四、计算步骤( 所得波前相位的均方根误差和峰谷值以判定待测准直系统的光束质量。一种基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测装置，包括光源、待测准直系统、扩束比小于1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器和计算单元；微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；扩束系统由两个抛物面反射镜组成，第一抛物面反射镜面向待测准直系统的出射面，第二抛物面反射镜面向微透镜阵列的入射面；第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜共焦设置且焦距分别为f/，f2'，f2' <f/，f2' /f/的值为扩束系统的扩束比；光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过扩束系统中两个共焦抛物面反射镜的反射后投射到夏克哈特曼传感器；夏克哈特曼传感器将其光电探测器探测到的光斑数据送入计算单元；计算单元具体包括检测波前斜率计算模块、模式法重构模块、区域法重构模块、 求差模块、叠加模块和质量评判模块；所述检测波前斜率计算模块，用于根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率Stest，发送给模式法重构模块和求差模块；所述模式法重构模块，用于将所述检测波前斜率Stest代入模式法重构公式中，求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为Wnwdal ；将求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为Snrodal并发送给求差模块；Wnwdal进一步发送给叠加模块；所述求差模块，用于计算各子孔径的Stest与Snrodal之差，得到斜率发送给区域法重构模块；
所述区域法重构模块，用于将所述斜率代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为Wlrft并发送给叠加模块；所述叠加模块，用于将Wnwdal和Wlrft叠加，得到各子孔径对应低频相差、中频相差、 高频相差的波前相位W，发送给质量评判模块；所述质量评判模块，用于计算所接收W的均方根误差和峰谷值，以评判待测准直系统的光束质量。有益效果(1)本发明提出一种混合模式的波前重构算法，将单独使用的模式法和区域法结合。相对于单独使用的模式法和区域法，混合模式的波前重构算法重构精度更高，更实用。(2)本发明采用反射式扩束系统(扩束比< 1)把待测波前耦合到夏克哈特曼传感器，容易实现大口径准直系统波前质量检测。反射式扩束系统(扩束比< 1)的优点是有较大的视场，且采用抛物面可以精确矫正位置色差和三级球差，而且实际的两个共焦抛物面都有慧差，但整个系统的净慧差是零。可见，抛物面反射镜可以精确矫正像差，这一特性使该系统可以做成任意要求的扩束比以用于任意大口径待测准直系统的缩束。此外，利用现代先进的光学加工技术制造大离轴抛物面反射镜的成本大大降低。


图1为夏克哈特曼传感器的结构示意图。图2为本发明基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测原理图；图3为本发明中反射式扩束系统(扩束比< 1)工作原理示意图；图4为本发明中波前重构算法几何关系示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种大口径准直系统波前质量检测装置，其基本思想是采用扩束比< 1的扩束系统把大口径待测波前耦合到夏克哈特曼传感器，采用计算机对夏克哈特曼传感器形成的光斑阵列进行解算，得到待测准直系统波前质量信息。其中，本发明所采用的扩束系统不是折射式扩束系统，而是反射式扩束系统(扩束比< 1)，其采用两个抛物面反射镜实现波前口径的缩小。可见，本发明使用反射式扩束系统，其有较大的视场，且采用抛物面可以精确矫正位置色差和三级球差，而且实际的两个共焦抛物面都有慧差，但整个系统的净慧差是零。可见，抛物面反射镜可以精确矫正像差，这一特性使该系统可以做成任意要求的扩束比以用于任意大口径待测准直系统的缩束。此外，利用现代先进的光学加工技术制造大离轴抛物面反射镜的成本大大降低。下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。如图2所示，为本发明中的基于夏克哈特曼传感器的准直系统波前质量检测装置，包括光源1，待测准直系统2，扩束系统3，微透镜阵列4，(XD探测器5，计算机6。其中， 微透镜阵列4，光电探测器5构成夏克哈特曼传感器。扩束系统3为两个共焦抛物面反射镜。由光源1发出的光，经过待测准直系统2，经由扩束系统3耦合到夏克哈特曼传感器，被微透镜阵列4分割采样并聚焦到光电探测器5形成光斑阵列，光电探测器5将采集的光斑数据送入计算机6，经计算机6处理，得到待测准直系统波前质量信息。如图3所示，为本发明扩束系统3的光路图，该扩束系统3由反射镜301和反射镜 302组成。反射镜301和反射镜302均为抛物面反射镜，二者共焦设置，其共同焦点为303 ； 二者的光轴为光轴304。反射镜301和反射镜302的焦距分别为f/ , f2'，两反射镜的焦距比决定了扩束系统的扩束比为f2' /f/，本发明中f2' <f/，从而扩束比<1，实现将大口径准直波前耦合到微透镜阵列4。如图4所示，夏克哈特曼传感器主要由微透镜阵列4和光电探测器5组成，其中光电探测器5位于微透镜阵列4的焦面上。夏克哈特曼传感器的工作原理入射光束经微透镜阵列4分割采样，在微透镜阵列4的焦面上形成一个光斑阵列。当具有一定波前畸变的波前入射时，各个微透镜上的局部波前倾斜引起微透镜阵列焦面上的光斑位置发生偏移。光电探测器件5接收到的光斑信号通过计算机6分两步处理第一步根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率。本步骤中，首先采用质心算法计算光电探测器件上各探测区域探测到的光斑的质心位置(χ。，y0)。如公式(1)所示
权利要求
1.一种准直系统波前质量检测方法，其特征在于，包括步骤一、光源发出的光经过待测准直系统后形成待测准直波前，并投射到夏克哈特曼传感器，夏克哈特曼传感器利用其微透镜阵列对待测准直波前分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，光电探测器采集光斑数据；步骤二、根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率Stest ；步骤三、采用混合模式的波前重构算法重构出待测准直系统的波前相位分布；具体包括(1)利用波前重构算法中的模式法，将所述检测波前斜率Stest代入模式法重构公式中求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为Wnwdal，该Wnrodal为滤除了中频像差和高频像差、仅对应低频相差的波前相位；(2)将步骤(1)求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为Snwdal，该Snrodal滤除了中频像差和高频像差；(3)计算各子孔径的Stest与Snrodal之差，得到斜率，该斜率对应中频像差和高频像差；(4)利用波前重构算法中的区域法，将所述斜率代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为Wlrft，该Wlrft为对应中频像差和高频像差的波前相位；(5)针对各子孔径，将Wnrodal和Wlrft叠加，得到各子孔径的对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位；步骤四、计算步骤( 所得波前相位的均方根误差和峰谷值以判定待测准直系统的光束质量。
2.一种基于夏克哈特曼传感器的大口径准直系统波前质量检测装置，其特征在于，包括光源、待测准直系统、扩束比小于1的扩束系统、微透镜阵列、光电探测器和计算单元； 微透镜阵列和光电探测器构成夏克哈特曼传感器；扩束系统由两个抛物面反射镜组成，第一抛物面反射镜面向待测准直系统的出射面， 第二抛物面反射镜面向微透镜阵列的入射面；第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜共焦设置且焦距分别为f/，f2'，f2' <f/，f2' /f/的值为扩束系统的扩束比；光源发出的光经过待测准直系统形成待测准直波前，待测准直波前先后通过扩束系统中两个共焦抛物面反射镜的反射后投射到夏克哈特曼传感器；夏克哈特曼传感器将其光电探测器探测到的光斑数据送入计算单元；计算单元具体包括检测波前斜率计算模块、模式法重构模块、区域法重构模块、求差模块、叠加模块和质量评判模块；所述检测波前斜率计算模块，用于根据光电探测器采集的光斑数据，获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率，称为检测波前斜率Stest,发送给模式法重构模块和求差模块；所述模式法重构模块，用于将所述检测波前斜率Stest代入模式法重构公式中，求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位，记为Wnwdal ；将求得的展开系数再次代入模式法重构公式，反向求解一组各子孔径的波前斜率，记为^wdal并发送给求差模块； Wmodal进一步发送给叠加模块；所述求差模块，用于计算各子孔径的Stest与Snrodal之差，得到斜率发送给区域法重构模块；所述区域法重构模块，用于将所述斜率代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位，记为Wlrft并发送给叠加模块；所述叠加模块，用于将Wnwdal和Wlrft叠加，得到各子孔径对应低频相差、中频相差、高频相差的波前相位W，发送给质量评判模块；所述质量评判模块，用于计算所接收W的均方根误差和峰谷值，以评判待测准直系统的光束质量。
全文摘要
本发明公开了一种准直系统波前质量检测方法，以及一种适用于大口径准直系统波前质量检测装置。所述方法中，根据光电探测器采集数据获取微透镜阵列上各子孔径的波前斜率Stest；利用波前重构算法中的模式法，将Stest代入模式法重构公式中求解泽尼克多项式的展开系数，以及各子孔径的离散点波前相位Wmodal；将展开系数代入模式法重构公式，求解一组各子孔径的波前斜率Smodal；计算各子孔径的Stest与Smodal之差得到斜率Sleft；利用波前重构算法中的区域法，将Sleft代入区域法重构公式中求解各子孔径的离散点波前相位Wleft；将Wmodal和Wleft叠加得到波前相位，进而判定待测准直系统的光束质量。使用本发明能够提高重构精度。
文档编号G01M11/02GK102252832SQ20111017288
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘克, 李艳秋, 王建峰 申请人:北京理工大学