[发明专利]二维波前传感系统及其数据处理方法

说明书

本公开提供的二维波前传感系统，包括待测畸变波前、两个光学滤波片、成像单元和偏振光电探测单元；两光学滤波片具有相近或相同的光学响应，要求s或p偏振入射光的振幅透过率在设定的入射角度范围内正比于入射角度，p或s偏振入射光的振幅透过率设定的入射角度范围内随入射角度的变化保持为常数，两光学滤波片的其中一个光学滤波片和xz平面之间的夹角与另一个光学滤波片和yz平面之间的夹角相同；成像单元用于将位于成像单元物面处的待测畸变波前成像到位于成像单元像面处的偏振光电探测单元；偏振光电探测单元用于探测入射光经过两光学滤波片和成像单元后的x和y方向偏振光强。本公开可实现高空间分辨率和大动态测量范围的二维波前传感。

技术领域

本公开可被应用于自适应光学和定量相位成像等领域，具体涉及一种对二维光波前进行相位增强可视化和实时测量的方法及系统。

背景技术

波前传感在天文自适应光学、激光通信、激光惯性约束核聚变、生物定量相位显微成像等领域有着广泛的应用。传统波前相位传感的实现方法主要有：Shack-Hartmann(夏克-哈特曼)波前传感器、数字全息定量相位成像、基于微纳结构的波前传感技术和基于光学滤波器件的波前传感技术等。

其中Shack-Hartmann波前传感器由于高鲁棒性因而拥有最高的市场占有率。但其空间分辨率较低，无法被应用到高空间分辨率场景比如相位显微成像。虽然基于干涉方法的数字全息相位成像能够有高的空间分辨率，但对环境微扰敏感。近年来，通过微纳结构和成像传感器的结合能够实现稳定和高空间分辨率的波前传感，但是其加工需要两者的精确对准，并且光学串扰和低量子效率会降低探测灵敏度。除此之外，基于不对称的角度响应的光学滤波器件实现波前传感的方案被广泛研究。一方面，该方案具有和成像传感器一样的空间分辨率和高的鲁棒性；另一方面，其有更大的灵活设计性，便于与各种成像系统集成。但是，该方案仅限于一维的波前探测。

通过多层薄膜构成的角度敏感和偏振敏感的光学滤波片将两个正交方向的相位梯度分别投影到两个偏振通道的光强变化，并且可由偏振相机单次拍摄得到光强变化。从而可以实现全光相位可视化和二维实时波前测量，有望应用在各类波前测量和相位成像领域。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开第一方面实施例基于角度敏感和偏振敏感的光学滤波片，提出一种具有高空间分辨率和大动态测量范围的实时二维波前传感系统，包括沿光传播方向设置的待测畸变波前、第一光学滤波片、成像单元、第二光学滤波片和偏振光电探测单元，构建由x轴、y轴和z轴构成的右手坐标系，其中，将光传播方向定义为z轴，将所述待测畸变波前所在平面定义为xy平面；

所述第一光学滤波片和所述第二光学滤波片，具有相近或相同的光学响应，即要求s或p偏振入射光的振幅透过率在[θ₁,θ₂]的入射角度范围内正比于入射角度，p或s偏振入射光的振幅透过率在[θ₁,θ₂]的入射角度范围内随入射角度的变化保持为常数，θ₁,θ₂∈[0°,90°]，所述第一光学滤波片和所述第二光学滤波片的其中一个光学滤波片和xz平面之间的夹角与另一个光学滤波片和yz平面之间的夹角相同，均为(θ₁+θ₂)/2；

所述成像单元，设置于所述待测畸变波前和所述偏振光电探测单元之间，用于将位于所述成像单元物面处的所述待测畸变波前成像到位于所述成像单元像面处的所述偏振光电探测单元；

所述偏振光电探测单元，用于探测入射光经过由所述第一光学滤波片、所述成像单元和和所述第二光学滤波片构成的成像系统后的x和y方向偏振光强。

在一些实施例中，所述第一光学滤波片和所述第二光学滤波片均分别包括透明基底以及形成于所述透明基底之上依次交替层叠的第一薄膜和第二薄膜，且制成所述第一薄膜和所述第二薄膜的材料具有折射率差。