专利名称：一种具有两面锥镜的波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波前传感器，特别是一种两面锥镜的波前传感器，属于自适应光 学、波前探测等技术领域的关键器件。
背景技术：
波前传感器是自适应系统中测量波前畸变的重要器件，根据测量信号与波面之间 的联系可以分为两类一类是通过测量波前斜率(即波前一阶导数)获得波前相位，较典型 的有哈特曼波前传感器，剪切干涉仪等；另一类是测量波前曲率(即波前二阶导数)来获得 波前相位，主要有曲率波前传感器。最常用的哈特曼波前传感器使用微透镜阵列对入射光瞳进行分割，通过测量透镜 阵列焦面上像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差求解波前斜率。另外一种光瞳分光的 波前传感器利用N(N> 1)个棱面的棱锥将入射波面分束，进而测量波前畸变(1983年授权 的美国专利 US4399356 "Optical wavefront sensing system”)。这两类波前传感器都是一种分波前的波前传感器，其空间采样率由子孔径数目决 定，每个子孔径需要若干个CCD像素以探测光斑中心，而增加子孔径数目将对光电成像元 件的像素数提出更高的要求，而且光能利用率较低。2002 年授权的澳大利亚专利 AU2003267457A1 "Pyramid sensorfor determing the wave aberration of the human eye”利用金字塔形状的折射镜将会聚的入射光在焦 平面分成4束，接着利用中继透镜成像到CCD图像探测器，通过比较同一方向光瞳像光强 之差得到测量信号，然后利用线性重构矩阵复原待测波前，这种传感器被称为四棱锥波前 传感器(PWFS)。它与前面两种分波前的波前传感器相比较，CCD每一像素相当于一个子孔 径，具有采样率高且易于改变、光能利用率高等优点(A&A，350，L23-L26，1999，Opt. Commun, 268，189-195，2006)。PWFS的核心器件是一个金字塔形状的折射棱镜，简称四棱锥，其作用是在频 谱面对入射波进行分束，因此对其表面粗糙度与棱边的平台宽度有严格的要求(SPIE， Vol. 4007，423-430，2000)。虽然加工四棱锥的技术不断的改进，但目前生产合格四 棱锥仍存在加工难度大，易于在屋脊棱边的尖端产生较宽平台，因而影响波前探测 (Microelectronic Engineering67_68，566-573，2003 ；PhD Thesis，Joana Biichler costa. 2005)。此外，使用无调制的PWFS测量波前差时，模式法复原波前所用的重构矩阵无 解析解，需要现场进行测量(Appl. Opt, 47, 79-87，2008)。

发明内容
本发明的目的是利用具有两面锥镜的波前传感器克服了传统哈特曼波前传感器 空间采样率低、光能利用率低，四棱锥波前传感器制作困难且线性重构矩阵需要在实际光 路进行测量的缺点。为达成所述目的，本发明提供的具有两面锥镜的波前传感器的技术解决方案是具有两个两面锥镜、一个分束镜BS、四个透镜和两个CCD图像探测器，入射畸变波前经分束 镜BS分成两束光线，每一路光都经过一个两面锥镜和两个透镜组成的4f缩束系统，两个 两面锥镜的两个屋脊棱边相互正交摆放，并且它们的屋脊棱边分别与第一透镜或第三透镜 的焦点重合，其中一个两面锥镜将入射畸变波前沿水平方向分光，另一个两面锥镜将入射 畸变波前沿竖直方向分光，然后经第二透镜或第四透镜后，其光瞳共轭像被成像到各自CCD 图像探测器；其中4f缩束系统的两个透镜共用一个焦平面，且两个透镜的焦距不等；C⑶图 像探测器与计算机相连，利用计算机读取光瞳像，并比较水平方向或竖直方向两个光瞳像 的光强分布差异可以得到两个方向的测量信号，再利用波前复原算法重构波前相位。本发明与现有技术相比有如下优点(1)本发明的具有两面锥镜的波前传感器，与哈特曼波前传感器相比，具有采样率 高(相同的CCD靶面)，光能利用率高的优点。(2)本发明的两面锥镜的波前传感器，所用的两面锥镜具有容易加工，棱边仅由两 个平面形成，不易产生平台。(3)本发明的两面锥镜的波前传感器，与四棱锥波前传感器相比，采用模式法复原 波前的时候，重构矩阵可由解析式计算无需现场测量，拥有比四棱锥波前传感器更高的波 前复原精度。


图1为本发明两面锥镜的波前传感器的原理图；图2a为第一 CCD图像探测器获取的沿水平方向分光后的光瞳像光强示意图；图2b为彗差沿水平方向的分光后在第一 CXD图像探测器上的光瞳像分布图；图3a为第二 CCD图像探测器获取的沿水平方向分光后的光瞳像光强示意图；图3b为彗差沿水平方向的分光后在第二 CXD图像探测器上的光瞳像分布图；图4a至图4c为本发明两面锥镜的波前传感器采用模式法对彗差波前复原的仿真 结果。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。如图1示出的本发明两面锥镜的波前传感器的原理图，本发明由两个两面锥镜、 一个分束镜BS、四个透镜和两个CCD图像探测器构成。入射畸变波前经分束镜BS分成两 束光线，每一路光都经过一个两面锥镜和两个透镜Lp L2 (或两个透镜L3、L4)组成的4f缩 束系统，两个两面锥镜的两个屋脊棱边相互正交摆放，并且它们的屋脊棱边分别与第一透 镜L1或第三透镜L3的焦点重合，其中一个两面锥镜将入射畸变波前沿水平方向分光，然后 经第二透镜L2，另一个两面锥镜将入射畸变波前沿竖直方向分光，然后经第四透镜L4后，其 光瞳共轭像被成像到各自CCD图像探测器。其中4f缩束系统的两个透镜共用一个焦平面， 且两个透镜的焦距不等；两个CCD图像探测器分别与计算机相连，利用计算机读取光瞳像， 并比较水平方向或竖直方向两个光瞳像的光强分布差异可以得到两个方向的测量信号，再 利用波前复原算法重构波前相位。
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所述分束镜BS具有任意分光比。所述两个两面锥镜包括第一两面锥镜1和第二两面锥镜2，所述屋脊棱边为第一 两面锥镜1具有第一屋脊棱边11和第二两面锥镜2具有第二屋脊棱边21，所述第一屋脊棱 11与所述第二屋脊棱21相互正交摆放，分别放置在第一透镜L1和第三透镜L3的焦平面， 并且第一屋脊棱边11和第二屋脊棱边21正对第一透镜L1和第三透镜L3焦点。所述四个透镜中第一透镜L1和第三透镜L3的焦距分别为，第二透镜L2和第四
透镜L4焦距分别为f2，f D决定光瞳像大小，其中，D为入射波前孔径。所述的两面锥镜为传统光学器件加工工艺制作的折射型两面锥镜；两面锥镜的底 MD
角《 = 2{n-\)f，M为相邻的光瞳像中心距离与光瞳像的比值，fi为第一透镜L1和第三透镜 L3的焦距，η为材料的折射率。所述相邻的光瞳像中心距离与光瞳像的比值为M > 2。所述两面锥镜的底面和屋脊面镀增透膜，面形r⑽<*，中间的棱宽小于
，所述两面锥镜的顶角接近180°，λ为波长。
10所述两个CCD图像探测器的像素大小相等，每个CCD图像探测器的靶面的最短长 度要大于(M + l”f ￡>。采用模式法进行波前复原时，待测畸变波前可以描述为 ^,·ν)= Ζ
/77 = 1
其中Zm(X，y)为第m阶的Zernike多项式，am为相应的系数，N表示所取的Zernike阶 数，(X，y)为待测畸变波前的坐标。所用响应矩阵由N个列向量构成，第m列向量由
‘=7严f-‘ Hz▲广梦 两个解析式给出，其 -PMλ (χ—-Ρ )λ \y~y)
中，P(X)和P(y)分别表示过探测点(X，y)垂直于坐标轴y和χ的直线与光瞳函数P边界 的交点，λ为波长，(χ'，y')表示坐标系(x，y)中任意点的坐标，所以无需现场测量。设两面锥镜波前传感器的入射光瞳处的光场为
2几Ex (x, y) = U0 exp i ——φ、χ, y) P5(1)
Λ _其中Utl和φ (χ, y)分别表示入射光场的振幅和相位，χ和y表示待测畸变的坐标， i表示虚部单位，P为光瞳函数，λ为波长，入射光场被分束镜BS分成两路，其透射率与反射 率之比等于a/b，两路光线分别经过两面锥镜和4f系统后，在CXD图像探测器的靶面上形成 的光瞳像，其中I1,12为第一 CCD图像探测器获取的待测畸变波前沿水平方向分光后形成的 光瞳像光强，其分布见图2a;图2b为彗差(第7阶Zernike模式，Z7)沿水平方向的分光后 在第一 CXD图像探测器上的光瞳像分布图；13和I4为第二 CXD图像探测器获取的待测畸变 波前沿竖直方向分光后形成的光瞳像光强，其分布见图3a ；图3b为彗差(第7阶Zernike 模式，Z7)沿水平方向的分光后在第二 CXD图像探测器上的光瞳像分布图。通过比较同一方
6向两个光瞳像之间的光强差异可以得到测量信号Sx和Sy，测量信号与畸变波前之间的关系 式为
权利要求
一种具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于具有两个两面锥镜、一个分束镜BS、四个透镜和两个CCD图像探测器，入射畸变波前经分束镜BS分成两束光线，每一路光都经过一个两面锥镜和两个透镜组成的4f缩束系统，两个两面锥镜的两个屋脊棱边相互正交摆放，并且它们的屋脊棱边分别与第一透镜或第三透镜的焦点重合，其中一个两面锥镜将入射畸变波前沿水平方向分光，另一个两面锥镜将入射畸变波前沿竖直方向分光，然后经第二透镜或第四透镜后，其光瞳共轭像被成像到各自CCD图像探测器；其中4f缩束系统的两个透镜共用一个焦平面，且两个透镜的焦距不等；CCD图像探测器与计算机相连，利用计算机读取光瞳像，并比较水平方向或竖直方向两个光瞳像的光强分布差异可以得到两个方向的测量信号，再利用波前复原算法重构波前相位。
2.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于所述分束镜具有任 意分光比。
3.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于所述两个两面锥镜 包括第一两面锥镜和第二两面锥镜，第一两面锥镜具有一第一屋脊棱边，第二两面锥镜具 有一第二屋脊棱边，第一屋脊棱与所述第二屋脊棱相互正交摆放，分别放置在第一透镜和 第三透镜的焦平面，并且第一屋脊棱边和第二屋脊棱边正对第一透镜和第三透镜焦点。
4.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于所述四个透镜中第一透镜和第三透镜的焦距分别为，第二透镜和第四透镜焦距分别为f2，
5.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于所述的两面锥镜为 传统光学器件加工工艺制作的折射型两面锥镜；两面锥镜的底角
6.根据权利要求5所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于所述相邻的光瞳像 中心距离与光瞳像的比值为M > 2。
7.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于两面锥镜的底面和屋脊面镀增透膜，面形MK A，中间的棱宽小于
8.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于两个CCD图像探测 器的像素大小相等，每个CXD图像探测器的靶面的最短长度要大于(M +1)*f D。
9.根据权利要求1所述具有两面锥镜的波前传感器，其特征在于采用模式法进行 波前复原时，待测畸变波前可以描述为炉(
全文摘要
本发明是一种具有两面锥镜的波前传感器，其由四个透镜、两个两面锥镜、一个分束镜和两个CCD图像探测器构成；入射畸变波前首先被分束镜分成两路，每一路光都经过一个两面锥镜和两个透镜组成的4f缩束系统，两个两面锥镜的屋脊棱边相互正交摆放，并且屋脊棱边分别与第一透镜或第三透镜的焦点重合，其中一个两面锥镜将入射畸变波前沿水平方向分光，另一个两面锥镜将入射畸变波前沿竖直方向分光，然后经第二透镜或第四透镜后，其光瞳共轭像被成像到各自CCD图像探测器；CCD图像探测器与计算机相连，利用计算机读取光瞳像，比较水平方向或竖直方向两个光瞳像的光强分布差异可以得到两个方向的测量信号，再利用波前复原算法重构波前相位。
文档编号G01J9/00GK101936780SQ20101025316
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月12日 优先权日2010年8月12日
发明者姜文汉, 王建新, 饶长辉 申请人:中国科学院光电技术研究所