專利名稱：一種反射棱錐波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及用于波前質(zhì)量測(cè)量的一種反射棱錐波前傳感器。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)光學(xué)利用光電子器件對(duì)光波的波前質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、計(jì)算和校正，使光學(xué) 系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)外界條件的變化，始終保持良好的工作狀態(tài)。隨著自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 其應(yīng)用范圍從早期的軍事應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到工業(yè)和民用應(yīng)用領(lǐng)域，例如在慣性約束核聚變 (ICF)、眼底病變的醫(yī)療診斷和光通信領(lǐng)域等。
自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正波前像差首先需要對(duì)入射波前質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，波前傳感器 是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)入射波前像差準(zhǔn)確測(cè)量的的關(guān)鍵部分。最常用的哈特曼傳感器通 過微透鏡陣列將入射波面分成多個(gè)子波面，需要多單元微透鏡陣列，微透鏡子孔徑數(shù)目 的增多對(duì)電光成像元件的分辨率提出更高的要求。1983年授權(quán)的美國專利4399356 "Optical wavefront sensing system"利用N(N〉1)個(gè)棱面的棱錐將入射波面分束，進(jìn) 而測(cè)量波前畸變的大小。1996年意大利的Roberto Ragazzoni (Journal of modern optics 1996,43(2) :289-293)首次利用透射四棱錐將入射波面折射分成四個(gè)子光束，透過中繼 成像透鏡在光電探測(cè)器上形成四個(gè)子光瞳像，子光瞳像的強(qiáng)度差異分布計(jì)算入射波前質(zhì) 量。實(shí)際應(yīng)用中透射四棱錐的底面角非常小， 一般在1。左右，光學(xué)加工如此小角度的玻 璃棱錐存在相當(dāng)?shù)睦щy，尤其玻璃研磨過程無法保證棱錐的棱面之間良好的尖銳性，在 棱錐頂端造成"平臺(tái)"。"平臺(tái)" 一方面使光能損失，同時(shí)引起強(qiáng)烈的衍射效應(yīng)，測(cè)量 精度降低。而且玻璃.棱錐對(duì)入射光有色散效應(yīng)，限制了該系統(tǒng)正常工作的光譜寬度。專 利US4399356的N個(gè)反射棱面將入射波前分束，分成的N個(gè)子光束被相應(yīng)的N個(gè)探測(cè)陣 列接收。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的中繼成像系統(tǒng)和光電探測(cè)器數(shù)目多，成本高，另外元 件的調(diào)整難度增大，不適合小型自適應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用。
自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用范圍和場合的擴(kuò)大，需要構(gòu)建小型和微型自適應(yīng)光學(xué)系，體積小、 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于調(diào)整、同時(shí)測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、可在寬譜帶條件下工
作的波前傳感器成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有利用棱錐進(jìn)行波前測(cè)量的波前傳感器的技術(shù)不足，提供一種探測(cè)精度高、工作譜帶寬，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整難度低、可以滿足小型微型 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)要求的反射棱錐波前傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案， 一種反射棱錐波前傳感器，包括第一反射鏡、第二反射鏡、 第三反射鏡、第四反射鏡、反射棱錐、2x2微透鏡陣列、光電探測(cè)器、聚焦透鏡；所述 2x2微透鏡陣列置于反射棱錐和光電探測(cè)器之間，所述第一反射鏡、第二反射鏡、第三 反射鏡和第四反射鏡分別位于反射棱錐四個(gè)棱面的外側(cè)，四個(gè)反射鏡的鏡面與底面的夾 角等于反射棱錐的底面夾角，且四個(gè)反射鏡與反射棱錐的棱面平行；所述反射棱錐的棱 錐頂點(diǎn)位于聚焦透鏡的焦平面位置，反射棱錐的四個(gè)棱面為反射面，透過聚焦透鏡的光 束聚焦在反射棱錐的頂點(diǎn)后被四個(gè)反射棱面反射至對(duì)應(yīng)的第一反射鏡、第二反射鏡、第 三反射鏡和第四反射鏡；第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡的垂直高 度大于反射棱錐頂點(diǎn)到底面的垂直高度；入射波前經(jīng)聚焦透鏡落在反射棱錐的頂點(diǎn)被分 成四個(gè)子光束反射，再依次經(jīng)第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡反射， 沿入射波前初始方向向后傳播，通過2x2微透鏡陣列成像至光電探測(cè)器，在光電探測(cè)器 四個(gè)象限上形成四個(gè)子光瞳像。
在所述的聚焦透鏡(8)前放置合束鏡(9)，從激光平行光源(10)出射的參考光經(jīng) 合束鏡(9)與入射光合成一束光，然后再經(jīng)聚焦透鏡(8)匯聚在反射棱錐(5)的頂 點(diǎn)。
所述的在反射棱錐(5)底面加上棱錐動(dòng)牽調(diào)制器11，驅(qū)動(dòng)反射棱錐(5)的頂點(diǎn)做 上下掃描。
所述第一反射鏡(l)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)的鏡面反射 率大于99%，鏡面的均方根誤差rms值小于十分之一波長。
所述2x2微透鏡陣列(6)的各微透鏡的焦距相等；從反射棱錐(5)頂點(diǎn)經(jīng)反射鏡到 2x2微透鏡陣列(6)的光程等于2x2微透鏡陣列(6)的焦距。
所述光電探測(cè)器(7)與2x2微透鏡陣列(6)的距離等于微透鏡焦距。
所述反射棱錐(5)為正四棱錐，各棱面反射率相等且大于99%;棱面的均方根rms值 小于十分之一波長。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于-
(1) 本發(fā)明利用與棱錐棱面平行放置的反射鏡將經(jīng)過棱鏡頂點(diǎn)后的子光束反射至 棱鏡后方，只需一個(gè)中繼成像透鏡系統(tǒng)和一個(gè)光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于調(diào) 整。
(2) 本發(fā)明反射棱錐沒有透射棱錐的色散效應(yīng)和"平頂"造成的光強(qiáng)損失和衍射效應(yīng)；另外通過反射鏡與及射棱錐的間距的改變，子光瞳像怖位置調(diào)整，保證于光瞳像 不發(fā)生重合，測(cè)量精度高，且對(duì)反射棱錐的底面角沒有特殊的要求。
(3)本發(fā)明采用反射式棱錐，不存在透射光學(xué)元件所特有的色散特性，棱錐面對(duì) 不同波長的入射光的反射角度相同，可以工作在多波長條件下，工作譜帶寬。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖2為本發(fā)明中加入合束鏡的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖3為圖1的截面形式；
圖4為本發(fā)聽中四個(gè)反射鏡與反射棱錐的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明中反射棱錐實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制的結(jié)構(gòu)示意圖；
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明技術(shù)解決方案，具體包括第一反射鏡1、第二反射鏡2、第三 反射鏡3、第四反射鏡4、反射棱錐5、 2x2微透鏡陣列6、光電探測(cè)器7、聚焦透鏡8。 2x2微透鏡陣列6置于反射棱錐5和光電探測(cè)器7之間；第一反射鏡l、第二反射鏡2、 第三反射鏡3和第四反射鏡4分別位于反射棱錐5的四個(gè)棱面的外側(cè)，四個(gè)反射鏡的鏡 面與底面的夾角等于反射棱錐5的底面夾角，且四個(gè)反射鏡與反射棱錐5的棱面平行； 所述反射棱錐5的棱錐頂點(diǎn)位于聚焦透鏡(8)的焦平面位置，反射棱錐5的四個(gè)棱面為 反射面，透過聚焦透鏡8的光束聚焦在反射棱錐5的頂點(diǎn)后被四個(gè)反射棱面反射至對(duì)應(yīng) 的第一反射鏡(l)、第二反射鏡2、第三反射鏡3、第四反射鏡4;第一反射鏡l、第二 反射鏡2、第三反射鏡3和第四反射鏡4的垂直高度大于反射棱錐5頂點(diǎn)到底面的垂直 高度；入射波前經(jīng)聚焦透鏡8落在反射棱錐5的頂點(diǎn)被分成四個(gè)子光束反射，再依次經(jīng) 第一反射鏡l、第二反射鏡2、第三反射鏡3、第四反射鏡4反射，沿入射波前初始方向 向后傳播，通過2x2微透鏡陣列6成像至光電探測(cè)器7，在光電探測(cè)器7四個(gè)象限上形 成四個(gè)子光瞳像，子瞳像的光強(qiáng)分布差異包含了波前傾斜信息，進(jìn)而可以恢復(fù)出波前畸 變相位信息。
為了描述上的方便，同時(shí)又不失結(jié)論的一般性，以棱錐的一維形式來說明本發(fā)明實(shí) 現(xiàn)波前探測(cè)的具體實(shí)施方法。圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖1的截面形式，圖中第一反射鏡 1和第三反射鏡3分別與反射棱錐5的上下兩個(gè)棱面平行；入射波面經(jīng)過聚焦透鏡8以 后聚焦在反射棱錐5的頂點(diǎn)上，由于棱錐的光束偏離作用，使得入射光被反射棱錐5分 成兩個(gè)子光束a、 b，第一子光束a入射至第三反射鏡3被反射，第二子光束b入射至第 一反射鏡l被反射；第三反射鏡3、第一反射鏡1分別與反射棱錐5的上下兩個(gè)棱面平行，根據(jù)幾何光學(xué)原理，兩個(gè)子光束a、 b被第三反射鏡3和第一反射鏡1反射后的光
線行進(jìn)方向與光束聚焦在反射棱錐5頂點(diǎn)前的方向相同，反射棱錐5和兩個(gè)反射鏡組合
起來的作用相當(dāng)于將入射聚焦光束翻轉(zhuǎn)并平移，同時(shí)反射光束的延長線的焦點(diǎn)前移。兩
個(gè)子光束a、 b經(jīng)第三反射鏡3和第一反射鏡1入射至2x2微透鏡陣列6分別成像，到
達(dá)位于2x2微透鏡陣列6后焦面位置的光電探測(cè)器7,從而在光電探測(cè)器7對(duì)應(yīng)的象限
上形成兩個(gè)子光瞳像。
如果入射波前為理想平面波，瞳面上P點(diǎn)被反射棱錐5的上下兩個(gè)棱面反射，再經(jīng)
第一反射鏡l、第三反射鏡3、 2x2微透鏡陣列6，從而在光電探測(cè)器上會(huì)有該點(diǎn)的兩個(gè)
子光瞳像，如圖3中的T1，兩個(gè)子瞳像的強(qiáng)度相等。當(dāng)在入射波前加入擾動(dòng)，則P點(diǎn)的
出射光線受到擾動(dòng)的影響，反射棱錐5上下兩個(gè)棱面的反射的光強(qiáng)不再相等，結(jié)果兩個(gè)
子瞳像的光強(qiáng)發(fā)生變化，見T2，通過處理兩個(gè)子瞳像的強(qiáng)度差異分布，計(jì)算波前擾動(dòng)的
大小。當(dāng)擾動(dòng)增強(qiáng)，反射棱錐5只有下面棱面對(duì)入射光反射，其中一個(gè)子瞳像亮度增強(qiáng)，
而另一個(gè)子瞳像成為暗點(diǎn)，見T3，僅能反映波前擾動(dòng)的方向，不能進(jìn)行定量計(jì)算。要擴(kuò)
大本發(fā)明的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，如圖5所示在反射棱錐5底面加上棱錐動(dòng)態(tài)調(diào)制器11，驅(qū)動(dòng)
反射棱錐5的頂點(diǎn)做上下掃描，在掃描過程中，P點(diǎn)的擾動(dòng)波前會(huì)依次掃描通過反射棱
錐5的上下反射面，這樣保證上下兩個(gè)子光瞳面都會(huì)有一定數(shù)量的光子被探測(cè)，即在兩
個(gè)子光瞳面上都可以探測(cè)到光強(qiáng)分布，避免一個(gè)子光瞳像亮，另一子光瞳像全黑，利用
光線經(jīng)過反射棱錐5上下表面的時(shí)間與子瞳像光強(qiáng)差的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算波前擾動(dòng)的傾斜
信息。定義P點(diǎn)出射光線在上、下兩個(gè)光瞳面的光強(qiáng)分布為I(Pl)和1(P2),假設(shè)單位時(shí)
間內(nèi)光電探測(cè)器7接收的光子數(shù)量是恒定的，則波前擾動(dòng)的沿上下方向(x方向)斜率變
化可表示為公式(1):
/CP1)-/(P2) 血 °°"0 ./(尸1) + /(尸2)... (1)
其中u。為反射棱錐5的最大調(diào)制范圍。
將上述結(jié)果推廣到整個(gè)反射棱錐(5)， P點(diǎn)入射光線經(jīng)過反射棱錐(5)四個(gè)棱錐面的
分束反射，在光電探測(cè)器7上的光強(qiáng)分布可以表示為I(Pl)、 KP2)、 1(P3)和1(P4)，
對(duì)應(yīng)的波前擾動(dòng)相位在x， y兩個(gè)方向上的斜率表達(dá)式為
d『(x,力 /(Pl) + /(P4) - /(尸2) - /(尸3) ~^~ X & ' + /(尸2) + /(戶3) + /(/M)
,《"/(尸1) + /(尸2)-/(尸3)-/(尸4).................……..(2)
~~^~ °° "o' + /(i52) + /(戶3) + /(Z54)利用公式(2)計(jì)算波前畸變的斜率分布，進(jìn)而采用區(qū)域法或模式法對(duì)波前相位分布進(jìn)行 重構(gòu)。
由于棱錐動(dòng)態(tài)調(diào)制器11使反射棱錐5成為一個(gè)可動(dòng)元件，系統(tǒng)的復(fù)雜度比較高。 實(shí)際應(yīng)用中，也可以采用靜態(tài)調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)大，可以采用在光路中插 入一個(gè)漫射元件來增大入射波面在反射棱錐5頂點(diǎn)形成的衍射斑的尺寸，從而也可以使 光線能夠在棱錐的每個(gè)側(cè)面分束，實(shí)現(xiàn)與棱錐動(dòng)態(tài)調(diào)制器11對(duì)反射棱錐5的動(dòng)態(tài)調(diào)制 相同的作用效果。
本發(fā)明還可以采用圖2的實(shí)現(xiàn)方式，在聚焦透鏡8前放置合束鏡9，合束鏡9的作 用可以將入射波面和參考波面合成一束光，然后再經(jīng)聚焦透鏡8匯聚在反射棱錐5的頂 點(diǎn)。從參考波面的平行光源10出射的參考波面為理想平面波，沒有像差，平面波經(jīng)過 反射棱錐5、四個(gè)反射鏡，2x2微透鏡陣列6、光電探測(cè)器7得到的4個(gè)子光瞳像可以作 為畸變波面行程的子光瞳像的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)波前傳感器進(jìn)行標(biāo)定，可以用來測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)本身 調(diào)整誤差和制作誤差對(duì)波面質(zhì)量的影響；同時(shí)參考波面行程的子光瞳像作為畸變波面形 成的子光瞳像的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，可以減少光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整的精度要求，光路調(diào)整的工作量降低。
本發(fā)明技術(shù)解決方案中的第一反射鏡1、第二反射鏡2、第三反射鏡3和第四反射 鏡4的鏡面反射率大于9將，鏡面的rms(均方根)值小于十分之一波長；第一反射鏡1、 第二反射鏡2、第三反射鏡3和第四反射鏡4與反射棱錐5各底邊之間為鏤空或透光介 質(zhì)，透過率大于99%。 2x2微透鏡陣列6的各微透鏡的焦距相等；從反射棱錐5頂點(diǎn)經(jīng) 反射鏡到2x2微透鏡陣列6的光程等于2x2微透鏡陣列6的焦距。2x2微透鏡陣列6是 一個(gè)口徑為微透鏡口徑2倍的單個(gè)透鏡。光電探測(cè)器7與2x2微透鏡陣列6的距離等于 微透鏡焦距。光電探測(cè)器7采用CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)。合束鏡9對(duì)入射波面的透過率 為99%以上。激光平行光源IO為平面光，且光源的輸出功率可調(diào)。
本發(fā)明利用反射鏡、反射棱錐、2x2微透鏡陣列的有機(jī)組合，解決目前透射棱錐波 前傳感器存在的色散、衍射效應(yīng)問題，組成一個(gè)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)整，可適用 于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)波前進(jìn)行測(cè)量的波前傳感器。
以上的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容， 而且通過以上實(shí)施例本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容，實(shí)施例 中未作詳細(xì)描述的屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于包括第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)、第四反射鏡(4)、反射棱錐(5)、2×2微透鏡陣列(6)、光電探測(cè)器(7)、聚焦透鏡(8)；所述2×2微透鏡陣列(6)置于反射棱錐(5)和光電探測(cè)器(7)之間，所述第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)分別位于反射棱錐(5)四個(gè)棱面的外側(cè)，四個(gè)反射鏡的鏡面與底面的夾角等于反射棱錐(5)的底面夾角，且四個(gè)反射鏡與反射棱錐(5)的棱面平行；所述反射棱錐(5)的棱錐頂點(diǎn)位于聚焦透鏡(8)的焦平面位置，反射棱錐(5)的四個(gè)棱面為反射面，透過聚焦透鏡(8)的光束聚焦在反射棱錐(5)的頂點(diǎn)后被四個(gè)反射棱面反射至對(duì)應(yīng)的第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)；第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)的垂直高度大于反射棱錐(5)頂點(diǎn)到底面的垂直高度；入射波前經(jīng)聚焦透鏡(8)落在反射棱錐(5)的頂點(diǎn)被分成四個(gè)子光束反射，再依次經(jīng)第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)、第四反射鏡(4)反射，沿入射波前初始方向向后傳播，通過2×2微透鏡陣列(6)成像至光電探測(cè)器(7)，在光電探測(cè)器(7)四個(gè)象限上形成四個(gè)子光瞳像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于在所述的聚焦透鏡 (8)前放置合束鏡(9)，從激光平行光源(10)出射的參考光經(jīng)合束鏡(9)與入射光合成一束光，然后再經(jīng)聚焦透鏡(8)匯聚在反射棱錐(5)的頂點(diǎn)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述的在反射 棱錐(5)底面加上棱錐動(dòng)態(tài)調(diào)制器11，驅(qū)動(dòng)反射棱錐(5)的頂點(diǎn)做上下掃描。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述第 一反射鏡(l)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)的鏡面反射率大于99%，鏡 面的均方根誤差rms值小于十分之一波長。
5、 裉據(jù)權(quán)利要求l-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述2x2 微透鏡陣列(6)的各微透鏡的焦距相等；從反射棱錐(5)頂點(diǎn)經(jīng)反射鏡到2x2微透鏡陣列(6) 的光程等于2x2微透鏡陣列(6)的焦距。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述光 電探測(cè)器(7)與2x2微透鏡陣列(6)的距離等于微透鏡焦距。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述反 射棱錐(5)為正四棱錐，各棱面反射率相等且大于99%;棱面的均方根rms值小于十分之一 波長。
全文摘要
一種反射棱錐波前傳感器，四個(gè)反射鏡與反射棱錐配合對(duì)入射光分束反射、2×2微透鏡陣列對(duì)反射子光束中繼成像，在光電探測(cè)器的四個(gè)象限上形成四個(gè)子光瞳像，通過四個(gè)子光瞳像的光強(qiáng)分布差異計(jì)算出波前斜率信息，進(jìn)而重構(gòu)波前畸變相位分布。本發(fā)明光能利用率高，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、無色散和衍射效應(yīng)，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)整，可適用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)波前進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G01J9/00GK101614593SQ20091008909
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者軍 姚, 歡 楊, 蔡冬梅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所