一種波前傳感器及波前像差的探測(cè)方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種波前傳感器及波前像差的探測(cè)方法，所述波前傳感器包括第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部；所述波前傳感器采用所述六邊形拼接微鏡陣列替代現(xiàn)有技術(shù)中的角錐棱鏡，利用反射所述入射光線的方法依次獲得所述光瞳像，避免了當(dāng)入射光線為白光時(shí)出現(xiàn)的色散問(wèn)題，也不會(huì)由于角錐棱鏡的棱邊而帶來(lái)衍射效應(yīng)，從而降低了所述波前傳感器的探測(cè)誤差，提高了所述波前傳感器的探測(cè)精度。另外，所述探測(cè)部所需面積較小，不僅降低了所述波前傳感器的成本，而且提升了所述波前傳感器的靈敏度，降低了讀出時(shí)間。進(jìn)一步的，所述六邊形拼接微鏡陣列為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)零件，其加工要求和成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于角錐棱鏡的加工要求和成本。
【專利說(shuō)明】
一種波前傳感器及波前像差的探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本申請(qǐng)涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種波前傳感器及波前像差的 探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)校正波前像差，從而使光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到或者接近衍射極限 的像質(zhì)水平。近年來(lái)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于光學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，如地基天文觀測(cè)、 眼底成像、激光光束整形、激光武器和自由空間光通信系統(tǒng)等。
[0003] 波前傳感器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部件，主要用于實(shí)時(shí)探測(cè)所述自適應(yīng)光 學(xué)系統(tǒng)的波前像差。現(xiàn)有技術(shù)的波前傳感器主要基于波前斜率探測(cè)理論實(shí)現(xiàn)，其具體結(jié)構(gòu) 如圖1所示，包括:第一匯聚透鏡、第二匯聚透鏡、角錐棱鏡（附圖1中以四棱角錐棱鏡為例， 還可以為三棱角錐棱鏡或其他種類的角錐棱鏡)和探測(cè)器;其中，所述角錐棱鏡的頂點(diǎn)設(shè)置 于所述第一匯聚透鏡的焦點(diǎn)處;在所述波前傳感器的工作時(shí)，經(jīng)過(guò)所述第一匯聚透鏡匯聚 的入射光線經(jīng)過(guò)所述角錐棱鏡后成為多束分束光線，多束所述分束光線經(jīng)過(guò)所述第二匯聚 透鏡后在所述探測(cè)器表面形成多個(gè)光瞳像(附圖1中以4個(gè)光瞳像為例），所述多個(gè)光瞳像經(jīng) 過(guò)所述探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)（附圖1中的和14)可以用來(lái)計(jì)算所述入射光線的 波前斜率，進(jìn)而解算處所述入射光線的波前像差。
[0004] 但是現(xiàn)有技術(shù)中的波前傳感器存在如下問(wèn)題，包括：
[0005] 當(dāng)入射光線為白光時(shí)，白光在經(jīng)過(guò)所述角錐棱鏡時(shí)會(huì)出現(xiàn)色散的情況，導(dǎo)致波前 像差的探測(cè)出現(xiàn)誤差；
[0006] 所述角錐棱鏡的棱邊會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的衍射效應(yīng)，造成入射光線的能量損失以及成像 于所述探測(cè)器表面的多個(gè)光瞳像的光強(qiáng)分布不均勻，進(jìn)而帶來(lái)入射光線波前像差的探測(cè)誤 差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種波前傳感器及波前像差的探測(cè)方法，以 解決傳統(tǒng)的波前傳感器由于色散問(wèn)題或衍射效應(yīng)而出現(xiàn)探測(cè)誤差的問(wèn)題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：
[0009] -種波前傳感器，包括:第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部； 其中，
[0010] 所述六邊形拼接微鏡陣列由三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡拼接構(gòu)成，其拼接中心設(shè)置 于所述第一匯聚部的焦點(diǎn)，用于反射經(jīng)所述第一匯聚部匯聚的入射光線；
[0011]所述第二匯聚部用于匯聚經(jīng)所述六邊形拼接微鏡陣列反射的入射光線，使其成像 于所述探測(cè)部表面，獲得光瞳像；
[0012] 所述探測(cè)部用于探測(cè)所述光瞳像，獲得所述入射光線的波前信息。
[0013] 優(yōu)選的，所述六邊形微鏡為正六邊形微鏡；
[0014] 所述拼接中心為三個(gè)所述六邊形微鏡的共同端點(diǎn)。
[0015] 優(yōu)選的，所述波前傳感器還包括：
[0016] 與所述探測(cè)部連接的計(jì)算部，用于根據(jù)所述入射光線的波前信息計(jì)算波前像差。
[0017] 優(yōu)選的，所述第一匯聚部和第二匯聚部均為會(huì)聚透鏡。
[0018] 優(yōu)選的，所述探測(cè)部為電荷耦合元件探測(cè)器，用于將經(jīng)所述多邊形拼接微鏡陣列 反射的入射光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0019] -種波前像差的探測(cè)方法，應(yīng)用于上述任一實(shí)施例所述的波前傳感器，所述波前 傳感器包括第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部;所述波前像差的探測(cè) 方法包括：
[0020] 改變所述六邊形拼接微鏡陣列的可翻轉(zhuǎn)六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，所述翻轉(zhuǎn)狀態(tài)包 括反射面朝向所述第一匯聚部一側(cè)的第一狀態(tài)和反射面背離所述第一匯聚部一側(cè)的第二 狀態(tài)，使預(yù)設(shè)數(shù)量個(gè)所述六邊形微鏡處于第一狀態(tài)，剩余的所述六邊形微鏡處于第二狀態(tài)， 以獲得入射光線的第一波前信息;所述預(yù)設(shè)數(shù)量為1或2;
[0021] 改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第一狀態(tài)的所述六邊形微鏡為預(yù)設(shè)數(shù) 量，并使得每個(gè)所述六邊形微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息 和第二波前彳目息。
[0022] 優(yōu)選的，還包括：
[0023]根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息計(jì)算入射光線的波前像 差。
[0024]優(yōu)選的，所述根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息計(jì)算入射光 線的波前像差包括：
[0025]根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息獲得第一波前導(dǎo)數(shù)、第二 波前導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)；
[0026]根據(jù)所述第一波前導(dǎo)數(shù)、第二波前導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)計(jì)算入射光線的波前像 差。
[0027]優(yōu)選的，所述預(yù)設(shè)數(shù)量為2。
[0028] 優(yōu)選的，所述改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第一狀態(tài)的所述六邊形 微鏡為預(yù)設(shè)數(shù)量，并使得每個(gè)所述六邊形微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以獲得入射光線的 第二波前信息和第三波前信息包括：
[0029] 將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并改變另外兩個(gè) 所述六邊形微鏡的一個(gè)的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為第二狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息；
[0030] 將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并將未經(jīng)歷過(guò)第 二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)，以獲得入射光線的第三波前信息。
[0031] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種波前傳感器及波前像差的探 測(cè)方法，所述波前傳感器包括第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部;在 進(jìn)行波前像差的探測(cè)時(shí)，通過(guò)改變所述六邊形拼接微鏡陣列中的三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡 的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)即可依次在所述探測(cè)部表面獲得攜帶入射光線不同波前信息的光瞳像，所述探 測(cè)部通過(guò)探測(cè)所述光瞳像獲得所述入射光線的波前信息，利用所述波前信息即可計(jì)算得出 所述入射光線的波前像差，實(shí)現(xiàn)所述波前傳感器的波前像差探測(cè)功能。
[0032] 所述波前傳感器采用所述六邊形拼接微鏡陣列替代現(xiàn)有技術(shù)中的角錐棱鏡，利用 反射所述入射光線的方法依次獲得所述光瞳像，避免了當(dāng)入射光線為白光時(shí)出現(xiàn)的色散問(wèn) 題，也不會(huì)由于角錐棱鏡的棱邊而帶來(lái)衍射效應(yīng)，從而降低了所述波前傳感器的探測(cè)誤差， 提高了所述波前傳感器的探測(cè)精度。
[0033] 另外，在使用所述波前傳感器探測(cè)波前像差時(shí)，通過(guò)改變所述六邊形拼接微鏡陣 列中的三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)而在所述探測(cè)部表面依次獲得多個(gè)所述光瞳 像，而不需要在所述探測(cè)部表面同時(shí)獲得多個(gè)所述光瞳像，因此所述探測(cè)部所需面積較小， 而較小面積的探測(cè)部的靈敏度和讀出時(shí)間一般而言要優(yōu)于較大面積的探測(cè)部，不僅降低了 所述波前傳感器的成本，而且提升了所述波前傳感器的靈敏度，降低了所述波前傳感器的 讀出時(shí)間。
[0034] 進(jìn)一步的，所述六邊形拼接微鏡陣列為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)零件，其加工要求和成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于角錐棱鏡的加工要求和成本，進(jìn)一步降低了所述波前傳感器的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù) 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0036] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的一種波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖3為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的一種六邊形拼接微鏡陣列的表面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖4為本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例提供的一種波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖5為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的一種波前像差的探測(cè)方法的流程示意圖；
[0041] 圖6為本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例提供的一種波前像差的探測(cè)方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0043] 本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種波前傳感器，如圖2所示，包括：第一匯聚部、第二匯聚 部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部;其中，
[0044] 所述六邊形拼接微鏡陣列由三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡拼接構(gòu)成，其拼接中心設(shè)置 于所述第一匯聚部的焦點(diǎn)，用于反射經(jīng)所述第一匯聚部匯聚的入射光線；
[0045] 所述第二匯聚部用于匯聚經(jīng)所述六邊形拼接微鏡陣列反射的入射光線，使其成像 于所述探測(cè)部表面，獲得光瞳像；
[0046] 所述探測(cè)部用于探測(cè)所述光瞳像，獲得所述入射光線的波前信息。
[0047] 本申請(qǐng)實(shí)施例提供的所述波前傳感器在工作時(shí)，通過(guò)改變所述六邊形拼接微鏡陣 列的三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)依次在上述探測(cè)部表面獲得攜帶入射光線不同 波前信息的光瞳像。
[0048]具體地，所述翻轉(zhuǎn)狀態(tài)包括反射面朝向所述第一匯聚部一側(cè)的第一狀態(tài)和反射面 背離所述第一匯聚部一側(cè)的第二狀態(tài)，首先改變所述六邊形微機(jī)的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，使預(yù)設(shè)數(shù)量 個(gè)所述六邊形微鏡處于第一狀態(tài)，剩余的所述六邊形微鏡處于第二狀態(tài)，以獲得入射光線 的第一波前信息。所述預(yù)設(shè)數(shù)量為1或2;然后改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第 一狀態(tài)的所述六邊形微鏡為預(yù)設(shè)數(shù)量，并使得每個(gè)所述六邊形微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀 態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息和第三波前信息。
[0049]如圖3所示，所述六邊形拼接微鏡陣列由三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡構(gòu)成，這三個(gè)可 翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡的三條公共邊11、12和13的共同端點(diǎn)0即為所述拼接中心。
[0050] 在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)數(shù)量為2,即在對(duì)所述六邊形微鏡進(jìn)行翻 轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變之前，保持反射面朝向所述第一匯聚部的所述六邊形微鏡的數(shù)量為2個(gè)。
[0051] 在本實(shí)施例中，利用所述波前探測(cè)器進(jìn)行波前像差的探測(cè)時(shí)，首先改變所述六邊 形拼接微鏡陣列的可翻轉(zhuǎn)六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，使2個(gè)所述六邊形微鏡處于第一狀態(tài)，剩 余的所述六邊形微鏡處于第二狀態(tài)，以獲得入射光線的第一波前信息；
[0052] 然后將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并改變另外 兩個(gè)所述六邊形微鏡的一個(gè)的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為第二狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息； [0053]最后將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并將未經(jīng)歷 過(guò)第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)，以獲得入射光線的第三波前信 息。
[0054]在本實(shí)施例中，在同一時(shí)刻，僅有一個(gè)所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為第二狀態(tài)（即 僅有三分之一的入射光能量被舍棄），因而通過(guò)衍射光學(xué)分析可知，采用所述波前傳感器并 且應(yīng)用這種波前像差探測(cè)方法具有較弱的衍射效應(yīng)，從而可以使得所述探測(cè)部表面的光能 量的分布更加均勻，降低對(duì)入射光線波前像差的探測(cè)誤差，提高所述波前傳感器的探測(cè)精 度。
[0055] 所述波前傳感器采用所述六邊形拼接微鏡陣列替代現(xiàn)有技術(shù)中的角錐棱鏡，利用 反射所述入射光線的方法依次獲得所述光瞳像，避免了當(dāng)入射光線為白光時(shí)出現(xiàn)的色散問(wèn) 題，也不會(huì)由于角錐棱鏡的棱邊而帶來(lái)衍射效應(yīng)，從而降低了所述波前傳感器的探測(cè)誤差， 提高了所述波前傳感器的探測(cè)精度。
[0056] 通過(guò)上述對(duì)波前像差的探測(cè)流程可以發(fā)現(xiàn)，利用所述波前傳感器進(jìn)行波前像差的 探測(cè)時(shí)，同一時(shí)刻在所述探測(cè)部表面僅需要成一個(gè)光瞳像;而現(xiàn)有技術(shù)中的波前傳感器同 一時(shí)刻需要在探測(cè)器表面成多個(gè)光瞳像，不僅對(duì)第一會(huì)聚透鏡、第二匯聚透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì) 要求較高（需要在滿足大視場(chǎng)需求的同時(shí)，具有優(yōu)良的光學(xué)像質(zhì)），而且需要大面積的探測(cè) 器(不僅需要同時(shí)容納多個(gè)光瞳像，而且為了避免光瞳像之間的干涉效應(yīng)，還要保證光瞳像 之間的距離要保持在規(guī)定值以上），而一旦探測(cè)器的光學(xué)尺寸過(guò)大，會(huì)造成波前探測(cè)器響應(yīng) 靈敏度不均勻，讀出時(shí)間慢以及成本升高的問(wèn)題。因此本申請(qǐng)實(shí)施例提供的所述波前探測(cè) 器不僅降低了對(duì)所述第一匯聚部和第二匯聚部的光學(xué)性能的要求，而且降低了所需的探測(cè) 部的面積，在降低所述波前探測(cè)器的成本的基礎(chǔ)上，保證了所述波前探測(cè)器的波前像差探 測(cè)精度，并且改善了所述波前探測(cè)器相應(yīng)靈敏度以及讀出時(shí)間。
[0057] 進(jìn)一步的，現(xiàn)有技術(shù)中的波前傳感器的角錐棱鏡的每條棱邊寬度和自身頂點(diǎn)的加 工精度一般都需要小于5mi，加工精度要求較高，相較于所述六邊形拼接微鏡陣列的加工難 度大，且成本高。所述六邊形拼接微鏡陣列為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)零件，不需要單獨(dú)定制，從而大幅度 降低了所述波前傳感器的成本。
[0058]在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述六邊形微鏡為正六 邊形微鏡，所述拼接中心為三個(gè)所述六邊形微鏡的共同端點(diǎn)。
[0059] 但本申請(qǐng)對(duì)所述六邊形微鏡的具體種類并不做限定，在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中， 所述六邊形微鏡還可以為非正六邊形微鏡，只要保證所述拼接中心為三個(gè)所述六邊形微鏡 的共同端點(diǎn)即可，具體視實(shí)際情況而定。
[0060] 在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，所述波前傳感器 還包括：
[0061] 與所述探測(cè)部連接的計(jì)算部，用于根據(jù)所述入射光線的波前信息計(jì)算波前像差。
[0062] 在本實(shí)施例中，通過(guò)改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)獲得的三個(gè)光瞳面分別設(shè)為 第一光瞳面、第二光瞳面和第三光瞳面，通過(guò)所述探測(cè)部探測(cè)所述第一光瞳面、第二光瞳面 和第三光瞳面所代表的光強(qiáng)分布，分別記為1 1(1，7)、12(1，7)和13(1，7)(即所述第一波前信 息、第二波前信息和第三波前信息），其中（x，y)表示光瞳面坐標(biāo);通過(guò) (x，y)計(jì)算三個(gè)斜率參數(shù)D12、D2#PD13，其中：
[0066] 這三個(gè)斜率參數(shù)正比且正交于三個(gè)公共邊（圖3中的11、12和13)方向的三個(gè)波前 導(dǎo)數(shù)。因此可以通過(guò)這三個(gè)斜率參數(shù)獲得這三個(gè)波前導(dǎo)數(shù)，進(jìn)而通過(guò)這三個(gè)波前導(dǎo)數(shù)解算 入射光線的波前像差，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光線波前像差的探測(cè)和計(jì)算。
[0067]需要說(shuō)明的是，在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中，所述第一波前信息、第二波前信息和第 三波前信息還可以指利用Ii(x，y)、l2(x，y)和l3(x，y)計(jì)算帶來(lái)的三個(gè)斜率參數(shù)Di2、D23和 Dl3。本申請(qǐng)對(duì)此并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。
[0068] 在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例中，所述第一匯聚部和第二匯 聚部均為會(huì)聚透鏡。
[0069] 在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中，所述第一匯聚部和第二匯聚部還可以為具有會(huì)聚功能 的透鏡組或反射鏡組，本申請(qǐng)對(duì)此并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。
[0070] 在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的又一個(gè)實(shí)施例中，所述探測(cè)部為電荷耦合元 件C⑶探測(cè)器，用于將經(jīng)所述多邊形拼接微鏡陣列反射的入射光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0071] 在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中，所述探測(cè)部還可以為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS探測(cè) 器，本申請(qǐng)對(duì)所述探測(cè)部的具體類型并不做限定，只要具有光電轉(zhuǎn)換功能即可，具體視實(shí)際 情況而定。
[0072] 相應(yīng)的，本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了一種波前像差的探測(cè)方法，如圖5所示，包括：
[0073] S101:改變所述六邊形拼接微鏡陣列的可翻轉(zhuǎn)六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，所述翻轉(zhuǎn) 狀態(tài)包括反射面朝向所述第一匯聚部一側(cè)的第一狀態(tài)和反射面背離所述第一匯聚部一側(cè) 的第二狀態(tài)，使預(yù)設(shè)數(shù)量個(gè)所述六邊形微鏡處于第一狀態(tài)，剩余的所述六邊形微鏡處于第 二狀態(tài)，以獲得入射光線的第一波前信息;所述預(yù)設(shè)數(shù)量為1或2;
[0074] S102:改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第一狀態(tài)的所述六邊形微鏡為 預(yù)設(shè)數(shù)量，并使得每個(gè)所述六邊形微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波 前fg息和第二波前彳目息。
[0075]如圖3所示，所述六邊形拼接微鏡陣列由三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡構(gòu)成，這三個(gè)可 翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡的三條公共邊11、12和13的共同端點(diǎn)0即為所述拼接中心。
[0076] 在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)數(shù)量為2，即在 對(duì)所述六邊形微鏡進(jìn)行翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變之前，保持反射面朝向所述第一匯聚部的所述六邊 形微鏡的數(shù)量為2個(gè)。
[0077] 在本實(shí)施例中，所述改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第一狀態(tài)的所述 六邊形微鏡為預(yù)設(shè)數(shù)量，并使得每個(gè)所述六邊形微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以獲得入射 光線的第二波前信息和第三波前信息包括：
[0078] S1021:將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并改變另 外兩個(gè)所述六邊形微鏡的一個(gè)的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為第二狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息； [0079] S1022:將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并將未經(jīng) 歷過(guò)第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)，以獲得入射光線的第三波前 fg息。
[0080] 在本實(shí)施例中，在同一時(shí)刻，僅有一個(gè)所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為第二狀態(tài)（即 僅有三分之一的入射光能量被舍棄），因而通過(guò)衍射光學(xué)分析可知，采用所述波前傳感器并 且應(yīng)用這種波前像差探測(cè)方法具有較弱的衍射效應(yīng)，從而可以使得所述探測(cè)部表面的光能 量的分布更加均勻，降低對(duì)入射光線波前像差的探測(cè)誤差，提高所述波前傳感器的探測(cè)精 度。
[0081] 所述波前傳感器采用所述六邊形拼接微鏡陣列替代現(xiàn)有技術(shù)中的角錐棱鏡，利用 反射所述入射光線的方法依次獲得所述光瞳像，避免了當(dāng)入射光線為白光時(shí)出現(xiàn)的色散問(wèn) 題，也不會(huì)由于角錐棱鏡的棱邊而帶來(lái)衍射效應(yīng)，從而降低了所述波前傳感器的探測(cè)誤差， 提高了所述波前傳感器的探測(cè)精度。
[0082] 通過(guò)上述對(duì)波前像差的探測(cè)流程可以發(fā)現(xiàn)，利用所述波前傳感器進(jìn)行波前像差的 探測(cè)時(shí)，同一時(shí)刻在所述探測(cè)部表面僅需要成一個(gè)光瞳像;而現(xiàn)有技術(shù)中的波前傳感器同 一時(shí)刻需要在探測(cè)器表面成多個(gè)光瞳像，不僅對(duì)第一會(huì)聚透鏡、第二匯聚透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì) 要求較高（需要在滿足大視場(chǎng)需求的同時(shí)，具有優(yōu)良的光學(xué)像質(zhì)），而且需要大面積的探測(cè) 器，而一旦探測(cè)器的光學(xué)尺寸過(guò)大，會(huì)造成波前探測(cè)器響應(yīng)靈敏度不均勻，讀出時(shí)間慢以及 成本升高的問(wèn)題。因此本申請(qǐng)實(shí)施例提供的所述波前探測(cè)器不僅降低了對(duì)所述第一匯聚部 和第二匯聚部的光學(xué)性能的要求，而且降低了所需的探測(cè)部的面積，在降低所述波前探測(cè) 器的成本的基礎(chǔ)上，保證了所述波前探測(cè)器的波前像差探測(cè)精度，并且改善了所述波前探 測(cè)器相應(yīng)靈敏度以及讀出時(shí)間。
[0083] 進(jìn)一步的，現(xiàn)有技術(shù)中的波前傳感器的角錐棱鏡的每條棱邊寬度和自身頂點(diǎn)的加 工精度一般都需要小于5M1，加工精度要求較高，相較于所述六邊形拼接微鏡陣列的加工難 度大，且成本高。所述六邊形拼接微鏡陣列為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)零件，不需要單獨(dú)定制，從而大幅度 降低了所述波前傳感器的成本。
[0084]在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖6所示，所述波前像 差的探測(cè)方法還包括：
[0085] S103:根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息計(jì)算入射光線的波 前像差。
[0086]具體地，所述根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息計(jì)算入射光 線的波前像差包括：
[0087] S1031:根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息獲得第一波前導(dǎo) 數(shù)、第二波前導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)；
[0088] S1032:根據(jù)所述第一波前導(dǎo)數(shù)、第二波前導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)計(jì)算入射光線的波 前像差。
[0089]在本實(shí)施例中，通過(guò)改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)獲得的三個(gè)光瞳面分別設(shè)為 第一光瞳面、第二光瞳面和第三光瞳面，通過(guò)所述探測(cè)部探測(cè)所述第一光瞳面、第二光瞳面 和第三光瞳面所代表的光強(qiáng)分布，分別記為1 1(1，7)、12(1，7)和13(1，7)(即所述第一波前信 息、第二波前信息和第三波前信息），其中（x，y)表示光瞳面坐標(biāo);通過(guò) (x，y)計(jì)算三個(gè)斜率參數(shù)D 12、D2#PD13，其中：
[0093] 這三個(gè)斜率參數(shù)正比且正交于三個(gè)公共邊（圖3中的11、12和13)方向的三個(gè)波前 導(dǎo)數(shù)（即所述第一波前導(dǎo)數(shù)、第二波前導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)）。因此可以通過(guò)這三個(gè)斜率參 數(shù)獲得這三個(gè)波前導(dǎo)數(shù)，進(jìn)而通過(guò)這三個(gè)波前導(dǎo)數(shù)解算入射光線的波前像差，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射 光線波前像差的探測(cè)和計(jì)算。
[0094] 綜上所述，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種波前傳感器及波前像差的探測(cè)方法，所述波 前傳感器包括第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部;在進(jìn)行波前像差的 探測(cè)時(shí)，通過(guò)改變所述六邊形拼接微鏡陣列中的三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)即可 依次在上述探測(cè)部表面獲得攜帶入射光線不同波前信息的光瞳像，所述探測(cè)部通過(guò)探測(cè)所 述光瞳像獲得所述入射光線的波前信息，利用所述波前信息即可計(jì)算得出所述入射光線的 波前像差，實(shí)現(xiàn)所述波前傳感器的波前像差探測(cè)功能。
[0095] 所述波前傳感器采用所述六邊形拼接微鏡陣列替代現(xiàn)有技術(shù)中的角錐棱鏡，利用 反射所述入射光線的方法依次獲得所述光瞳像，避免了當(dāng)入射光線為白光時(shí)出現(xiàn)的色散問(wèn) 題，也不會(huì)由于角錐棱鏡的棱邊而帶來(lái)衍射效應(yīng)，從而降低了所述波前傳感器的探測(cè)誤差， 提高了所述波前傳感器的探測(cè)精度。
[0096] 另外，在使用所述波前傳感器探測(cè)波前像差時(shí)，通過(guò)改變所述六邊形拼接微鏡陣 列中的三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)而在所述探測(cè)部表面依次獲得多個(gè)所述光瞳 像，而不需要在所述探測(cè)部表面同時(shí)獲得多個(gè)所述光瞳像，因此所述探測(cè)部所需面積較小， 而較小面積的探測(cè)部的靈敏度和讀出時(shí)間一般而言要由于較大面積的探測(cè)部，不僅降低了 所述波前傳感器的成本，而且提升了所述波前傳感器的靈敏度，降低了所述波前傳感器的 讀出時(shí)間。
[0097] 進(jìn)一步的，所述六邊形拼接微鏡陣列為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)零件，其加工要求和成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于角錐棱鏡的加工要求和成本，進(jìn)一步降低了所述波前傳感器的成本。
[0098] 本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他 實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。
[0099] 對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一 致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種波前傳感器，其特征在于，包括:第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列 和探測(cè)部;其中， 所述六邊形拼接微鏡陣列由三個(gè)可翻轉(zhuǎn)的六邊形微鏡拼接構(gòu)成，其拼接中心設(shè)置于所 述第一匯聚部的焦點(diǎn)，用于反射經(jīng)所述第一匯聚部匯聚的入射光線； 所述第二匯聚部用于匯聚經(jīng)所述六邊形拼接微鏡陣列反射的入射光線，使其成像于所 述探測(cè)部表面，獲得光瞳像； 所述探測(cè)部用于探測(cè)所述光瞳像，獲得所述入射光線的波前信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波前傳感器，其特征在于，所述六邊形微鏡為正六邊形微鏡； 所述拼接中心為三個(gè)所述六邊形微鏡的共同端點(diǎn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波前傳感器，其特征在于，所述波前傳感器還包括： 與所述探測(cè)部連接的計(jì)算部，用于根據(jù)所述入射光線的波前信息計(jì)算波前像差。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的波前傳感器，其特征在于，所述第一匯聚部和第二匯 聚部均為會(huì)聚透鏡。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的波前傳感器，其特征在于，所述探測(cè)部為電荷耦合元 件探測(cè)器，用于將經(jīng)所述多邊形拼接微鏡陣列反射的入射光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。6. -種波前像差的探測(cè)方法，其特征在于，應(yīng)用于權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的波前傳感 器，所述波前傳感器包括第一匯聚部、第二匯聚部、六邊形拼接微鏡陣列和探測(cè)部;所述波 前像差的探測(cè)方法包括： 改變所述六邊形拼接微鏡陣列的可翻轉(zhuǎn)六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，所述翻轉(zhuǎn)狀態(tài)包括反 射面朝向所述第一匯聚部一側(cè)的第一狀態(tài)和反射面背離所述第一匯聚部一側(cè)的第二狀態(tài)， 使預(yù)設(shè)數(shù)量個(gè)所述六邊形微鏡處于第一狀態(tài)，剩余的所述六邊形微鏡處于第二狀態(tài)，以獲 得入射光線的第一波前信息;所述預(yù)設(shè)數(shù)量為1或2; 改變所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第一狀態(tài)的所述六邊形微鏡為預(yù)設(shè)數(shù)量， 并使得每個(gè)所述六邊形微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息和第 二波前ig息。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的波前像差的探測(cè)方法，其特征在于，還包括： 根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息計(jì)算入射光線的波前像差。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的波前像差的探測(cè)方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第一波前信 息、第二波前信息和第三波前信息計(jì)算入射光線的波前像差包括： 根據(jù)所述第一波前信息、第二波前信息和第三波前信息獲得第一波前導(dǎo)數(shù)、第二波前 導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)； 根據(jù)所述第一波前導(dǎo)數(shù)、第二波前導(dǎo)數(shù)和第三波前導(dǎo)數(shù)計(jì)算入射光線的波前像差。9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的波前像差的探測(cè)方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)數(shù)量為 2〇10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的波前像差的探測(cè)方法，其特征在于，所述改變所述六邊形微 鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持處于第一狀態(tài)的所述六邊形微鏡為預(yù)設(shè)數(shù)量，并使得每個(gè)所述六邊形 微鏡都經(jīng)歷所有的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息和第三波前信息包括： 將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并改變另外兩個(gè)所述 六邊形微鏡的一個(gè)的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為第二狀態(tài)，以獲得入射光線的第二波前信息； 將處于第二狀態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，并將未經(jīng)歷過(guò)第二狀 態(tài)的所述六邊形微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)，以獲得入射光線的第三波前信息。
【文檔編號(hào)】G01J9/00GK106052885SQ201610348767
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】王建立, 陳璐, 姚凱南
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所