[发明专利]基于衍射光栅阵列的哈特曼波前传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学动态波前传感器，特别涉及一种基于衍射光栅阵列的高精度和测量动态范围可调整的哈特曼波前传感器，属于光学检测领域。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种有效的光学动态波前检测仪器。它广泛应用于高功率激光、高重频脉冲激光的波前像差和光束质量综合检测，特别是在自适应光学系统之中。它事先采用理想参考波前定标，而在现场测量时不需要参考光波，所以对环境的要求没有波面干涉仪那样高，因此它对于高功率激光系统，尤其是高重频脉冲激光畸变波前像差的实时动态检测来说是一个十分有效的工具。哈特曼波前传感器工作的基本原理是利用波前孔径分割元件和聚焦光学元件将入射波前分割为子波前孔径，如夏克-哈特曼阵列，并将其聚焦于光电探测器的光敏靶面；或者是通过光学成像系统将各子波前孔径的焦平面光斑成像于光电探测器的光敏靶面，形成光斑点阵列，最后通过计算机对光电探测器接收到的光斑信息进行处理，计算出子波前孔径会聚光点的重心与标定重心在x、y方向上的偏移量，再由子波前孔径的焦距和偏移量大小求得各子波前孔径的波前斜率信息，最后由波前斜率信息重构待测激光光束波前分布。

传统的哈特曼波前传感器通常采用微透镜子孔径阵列与CCD光电探测器固定耦合结构。中国发明专利，其授权公告号CN11189774C公开了一种哈特曼光学波前传感器，即为前面所述结构，它由微透镜子孔径阵列和CCD探测器通过机械系统固定耦合在一起构成。但是这种哈特曼波前传感器的空间分辨率由微透镜阵列的子孔径数确定，其缺陷在于：它的测量精度、空间分辨率以及测量动态范围等关键参数只能由哈特曼的结构参数唯一确定，而不能根据测量的需要进行相应调整。

而在实际的光学测量与激光光束质量检测应用中，对哈特曼波前传感器的要求不仅要有大的测量动态范围，而且要有高的测量精度，以适应不同光学元件面形误差的变化幅值，或者是以适应不同类型的激光光束波前像差以及光束质量的检测。如中国专利号为ZL 02123756.5的专利，公开了一种测量动态范围和测量精度可调的哈特曼波前传感器，在波面分割取样阵列的前面或后面，或光学匹配系统中与波面分割取样阵列的共轭位置加入测量子孔径选通控制元件，通过控制测量子孔径的采样通光子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，以达到调整哈特曼的测量动态范围的目的。该专利的缺陷在于：测量子孔径选通控制元件不仅使得哈特曼波前传感器的结构更加复杂，而且通过控制测量子孔径的选通来控制波面分割取样阵列的采样周期，在提高哈特曼波前传感器测量动态范围的同时，也降低了其测量精度。又有文献：Large-dynamic-range Shack-Hartmann wavefront sensor for highly aberrated eyes.(Journal of Biomedical Optics，Vol.11(3)：030502-1-3030502-3，作者：Geunyoung Yoon，Seth Pantanelli，Lana J.Nagy)提出通过在波前分割孔径之前加入一可控制的通光掩膜以提高哈特曼测量动态范围，但是其在提高测量动态范围的同时却又降低了哈特曼波前传感器的测量精度。还有文献：Measurement and compensation of optical aberrations using a single spatial light modulator.(OPTICS EXPRESS，Vol.15，No.23，pp.15287-15292，作者：Justo Arines，Vicente Durán，Zbigniew Jaroszewicz等)提出通过在分割波前子孔径之前加入一液晶空间光调制器以实现可移动的掩膜功能，从而提高哈特曼的测量动态范围，但是这种作法同样面临降低哈特曼波前传感器测量精度的缺陷。

发明内容

本发明的目的正是为了克服现有哈特曼波前传感器中，其测量动态范围与测量精度之间存在矛盾的问题，而提供一种结构简单、应用与适应性强、基于衍射光栅阵列的测量动态范围可调整又同时能够保持高测量精度的哈特曼波前传感器。