專利名稱：一種基于光柵的相位差波前傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于相位差的波前傳感器，特別是一種基于光柵的相位差波前傳感器。
背景技術(shù)：
相位差波前傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、對光源無特殊要求以及測量精度較高，作為一種波前傳感器被應用于自適應光學領域。Gonsalves R A在“Wavefront sensing by phase retrieval，，，in Applications of Digital Image Processing III, Proc. SPIE, vol. 207, 1979 禾口 "Phase retrieval and diversity in adaptive optics，，Opt Eng, Vol. 21, 829-832，1982兩篇文章中提出在待測波前中添加已知大小的離焦像差，準確測量得到焦面光強分布和多幅位于不同離焦面的光強分布，基于最小二乘估計提出采用GS迭代算法準確復原出入射光束中的畸變波前，并將相位差波前檢測方法應用于擴展光源的相位檢測， 同時可改善因像差引起的模糊圖像。傳統(tǒng)相位差波前傳感器根據(jù)焦面和離焦面光強分布圖像，采用迭代算法復原得到待測相位信息。當入射光束為含有波前畸變的單色平行光束時，焦面光斑的能量分散，高階衍射分量的光強較弱。由于CCD成像探測器的輸出圖像存在一定噪聲，同時CCD成像探測器存在一個較為敏感的光強范圍，因此當光斑的光強較弱時，受輸出圖像信噪比以及CCD 成像探測器敏感度的影響，CCD無法獲取級數(shù)較高的衍射斑光強分布信息，復原像差的高頻信息將丟失，檢測精度就會受到一定影響。若待測畸變波前既包含有大幅度、緩變的低空間頻率光學像差，同時還包含有因光學元件加工引起的高空間頻率像差，此畸變波前將導致焦面位置、離焦面位置光斑的能量分布較為分散，高級衍射分量分布復雜且光強較弱，光強分布圖像精確采集的難度較大。目前常見的CCD成像探測器探測的動態(tài)范圍較小，當透鏡焦面位置處光斑光強較弱時，探測得到的光強分布信息受噪聲影響較嚴重，當焦面光斑光強較強時，CCD成像探測器輸出圖像極易飽和，探測得到的光強分布誤差較大，從而導致傳統(tǒng)的相位差波前檢測方法無法準確復原出待測波前畸變信息。目前，國內(nèi)外的研究工作者已經(jīng)對相位差波前檢測方法進行了 30年的研究，研究工作主要集中在改善算法性能和解決實際應用的問題等幾個方面。本發(fā)明提出了一種基于光柵的相位差波前傳感器，能夠在一定程度上擴展CCD成像探測器的動態(tài)范圍，提高信噪比，從而獲得在通常情況下很難采集到的光強分布信息，而這些信息直接關系到相位差波前傳感器的探測能力。相對于傳統(tǒng)的PD波前傳感器，光柵型相位差波前傳感器提高了原有 CC D探測器的動態(tài)范圍，能夠獲得焦面和離焦光強分布中相對較高階的衍射信息，使得待測畸變波前的檢測精度有了明顯的提高，對自適應光學的發(fā)展具有重要意義。本發(fā)明的采用了光柵與相位差波前傳感器相結(jié)合，有效擴展了 CCD成像探測器的動態(tài)范圍、改善了輸出圖像的信噪比，使得CCD成像探測器輸出圖像所含噪聲對于波前復原結(jié)果的影響減小。相對于傳統(tǒng)的相位差波前傳感器的檢測精度，光柵型相位差波前傳感器對待測波前的復原精度大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于光柵的相位差波前傳感器，包括光柵G，透鏡L，分光鏡BS，CXD成像探測器CXDl和(XD2、計算機系統(tǒng)C ；光柵放置于透鏡前，含有波前畸變的平行光束垂直輻照于光柵G表面，經(jīng)光柵G透射后光束被調(diào)制為強度不等、相位一致的多束光，隨后光束經(jīng)透鏡L聚焦和分光鏡BS分光后，被分為兩部分，一部分經(jīng)過分光鏡 BS后，透射光束沿原方向繼續(xù)向前傳播，并最終成像于位于透鏡焦平面位置處的成像探測器CXDl的光敏面上；另一部分經(jīng)分光鏡BS反射的光束，成像于位于透鏡L后某一特定離焦位置處的成像探測器CCD2的光敏面上，并設該離焦位置處的離焦距離的大小為d ；成像探測器CXDl和(XD2分別測量得到位于透鏡焦平面位置和具有一定離焦距離的平面上的光強分布，將衍射光柵的0級衍射光斑與1級衍射光斑強度之比記為η，假定0級衍射光斑具有較高的分光比，則n > 1 ；對于1級衍射光斑而言，由于其所包含的能量較弱，選取性能參數(shù)合適的成像探測器，即可使得1級衍射光斑的峰值以及光斑能量較強的中心部分的光強分布能夠被成像器探測器CCDl準確地探測到，同時，0級衍射光斑能量較強的中心部分的光強分布在圖像中已達到飽和狀態(tài)，而0級衍射光斑能量較弱的周圍部分的光強分布能夠被成像探測器CCDl準確地探測到；適當調(diào)整光強的大小，選取光柵的分光比，成像探測器CCDl即能同時測量到0級和1級衍射光斑，且準確測量的區(qū)域具有互補性，從而通過相應的算法推算出真實的焦面光強分布信息；利用成像探測器CCDl探測到1級衍射光斑中能量較強區(qū)域的光強分布，根據(jù)光柵的分光比，則能夠推算出0級衍射光斑中飽和區(qū)域內(nèi)的實際光強分布；成像探測器CCDl的噪聲對焦面位置處光強分布信息的影響較小，能夠更加準確地測量到像面上那些容易被噪聲淹沒的離光斑中心較遠且光強能量較弱的高頻信息； 同時，將成像探測器CCD2放置于具有一定離焦量的離焦面位置處，即能同時測量到離焦面的0級和1級衍射光斑，且準確測量的區(qū)域具有互補性，從而能夠推算出真實的離焦面光強分布信息；利用成像探測器CCD2能夠準確探測到1級衍射光斑中能量較強區(qū)域的光強分布，根據(jù)光柵的分光比，則能計算得到離焦面位置處光斑中心區(qū)域的光強分布信息，將計算得到的光強分布取代CCD2圖像中0級衍射光斑中的飽和區(qū)域，綜合0級衍射光斑中周圍區(qū)域的光強分布信息，從而可以獲得更為準確地離焦面位置處的光強分布信息。根據(jù)成像探測器CCDl采集到的0級以及1級衍射光斑計算得到的焦面光強分布記為I，而根據(jù)成像探測器CCD2采集到的0級以及1級衍射光斑計算得到的離焦面光強分布記為I_def，由迭代算法復原得到畸變波前的信息。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述的衍射光柵分光取決于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，光柵的結(jié)構(gòu)能夠按某一比例進行分光，但不改變相位分布；光柵的結(jié)構(gòu)為正弦型振幅光柵或余弦型振幅光柵。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述的CCD成像探測器用于探測0級和1級衍射光斑， 或任意級次的衍射光斑，只要滿足能完整測量不少于兩個衍射級次光斑的光強分布信息即可。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述的CCD成像探測器測量多個衍射級次的衍射光斑光強分布，這些衍射級次具有不同的分光比，最終根據(jù)測量得到的多個衍射光斑的光強分布以相應的算法推算得到所需的焦面和離焦面光強分布。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述的基于光柵的相位差波前傳感器中，采用分光鏡將入射光分成兩束，并采用兩個CXD成像探測器，即CXDl和(XD2分別測量透鏡的焦平面位置以及具有一定離焦量的離焦平面位置上的光強分布；或者采用一個CCD成像探測器分別對透鏡的焦平面以及相應的離焦平面的光強分布進行測量。本發(fā)明有相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點(1)相對于傳統(tǒng)相位差波前傳感器的光路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在傳統(tǒng)光路中增加了一個振幅光柵，在不明顯增加系統(tǒng)復雜性的前提下，提高了相位差法對畸變波前的檢測能力。(2)采用本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)，只需在光路中增加一個光柵。光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以根據(jù)實際需要來設計，并且可以根據(jù)實際情況的變化來靈活更換，在使用上較為靈活、方便。 同時，該方法各單元技術(shù)均較為成熟，因此在應用上也較為可靠。(3)相對于傳統(tǒng)相位差波前傳感器的光路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)能夠準確地的采集到焦面位置和離焦面位置光斑的光強分布信息。由于相位差波前傳感器是是一種根據(jù)光強圖像復原待測波前相位分布的間接波前檢測方法，因此本發(fā)明的光路能夠?qū)^高空間頻率的波前畸變進行更為準確的測量，在某些特殊應用領域，如光學系統(tǒng)靜態(tài)畸變波前、激光光束波前診斷、人眼像差測量、天文觀測等，具有較大的潛在應用價值。(4)在ICF裝置中，系統(tǒng)的靜態(tài)畸變波前既包含有大幅度的低空間頻率像差，又含有高空間頻率像差，焦面位置和離焦面位置的光斑能量分布較為分散，畸變波前的檢測難度較大。采用本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)，由于大大增強了對探測光斑的細節(jié)分辨能力，因而能夠準確地探測到由空間頻率較高的畸變波前所引起的彌散光強分布，從而為更準確地檢測光學系統(tǒng)靜態(tài)畸變波前提供了有效的手段和可靠的方法。這一點在傳統(tǒng)相位差波前傳感器的應用中，由于其在細節(jié)分辨能力上的欠缺，是無法完成的?？傊?，本發(fā)明在傳統(tǒng)相位差波前傳感器的基礎上，增加了一個起到分光作用的振幅型衍射光柵，保證了在不明顯增加系統(tǒng)復雜性的前提下，提高相位差法對畸變波前的探測能力。這種方法在結(jié)構(gòu)上和使用上都較為靈活，各單元技術(shù)相對較為成熟，應用起來較為方便。在某些特殊應用場合，本發(fā)明提出的光路結(jié)構(gòu)，由于具有更高的細節(jié)分辨能力，因此能夠完成對高空間頻率以及大動態(tài)范圍的波前畸變的測量，在光學系統(tǒng)靜態(tài)畸變波前檢測等領域具有較大的應用價值。


圖1為光柵型相位差波前檢測技術(shù)的原理示意圖。圖2為相位差復原算法的流程圖。圖3為光柵型相位差波前傳感器采集的理想光束的光強分布圖樣。其中，圖3(a) 為焦面位置處的光強分布，圖3(b)為離焦面位置處的光強分布。圖4為光柵型相位差波前傳感器采集的含有像散光束的光強分布圖樣。其中，圖 4(a)為焦面位置處的光強分布，圖4(b)為離焦面位置處的光強分布。
具體實施例方式如圖1所示，光柵型相位差波前傳感器包括光柵G，透鏡L，分光鏡BS，CXD成像探測器CCDl和CCD2，和計算機C。其中光柵G用于將入射光束分為強度不等、相位一致的多束光；透鏡L主要用于會聚經(jīng)光柵G調(diào)制后的光束；分光鏡BS使會聚光束分別成像于CCDl 和CCD2光敏面的不同探測區(qū)；并使用成像探測器CCDl和CCD2分別采集焦面和離焦面光強分布；最后，計算機系統(tǒng)C主要用于采集CCD成像探測器CCDl和CCD2輸出的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)探測到的位于焦平面位置以及相應離焦平面位置處的衍射光斑光強分布信息推算得到實際的焦面和離焦面的光強分布，即將成像與不同區(qū)域的光斑按照光柵的分光比合成一個新的光斑，根據(jù)合成得到的新的焦面光強分布I和離焦面光強分布I_def，，并利用相應的波前相位復原算法，獲得光學系統(tǒng)的靜態(tài)畸變波前信息?；儾ㄇ斑M入光柵型相位差波前傳感器，光束垂直輻照于光柵G表面，經(jīng)光柵G透射后畸變光束被調(diào)制為強度不等、相位分布相同的多束光。根據(jù)光柵的基本原理可知，理論上CXD成像探測器能夠觀測到多個衍射光斑，分別記為...，-1級，0級，1級，...，其中沿入射傳播方向的光束為0級衍射光束，這些不同級次的衍射光斑具有相同的波前相位分布，但各自的光強分布受到光柵的調(diào)制。各級衍射光束經(jīng)透鏡L成像于CCD光敏面，在焦平面位置處和離焦面位置處將形成一組形狀相同但光強大小不同的光斑陣列。光柵衍射作用產(chǎn)生的多束光經(jīng)分光鏡BS分光后被分為兩部分，一部分經(jīng)過分光鏡BS后，透射光束沿原方向繼續(xù)向前傳播，并最終成像于位于透鏡焦平面位置處的成像探測器CCDl的光敏面上；另一部分經(jīng)分光鏡BS反射的光束，成像于位于透鏡L后某一特定離焦位置處的成像探測器 CCD2的光敏面上，并設該離焦位置處的離焦距離的大小為d。根據(jù)衍射光柵G對不同衍射級次光束的分光比，調(diào)節(jié)光源光強的衰減幅度，使得不同衍射級次的光強分布從飽和狀態(tài)至不飽和狀態(tài)逐級變化，使得不同衍射級次的光斑有不同的準確探測區(qū)域，最終實現(xiàn)對光斑光強分布的細節(jié)進行完整測量。設光柵G對0級衍射光斑和1級衍射光斑的分光比為η， 該值大小與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)有關，可以根據(jù)實際的需求進行設計。在實際系統(tǒng)中，可以根據(jù)光柵對不同衍射級次光斑的分光比η，應用相應的算法，將成像探測器CCDl或CCD2采集到的不同衍射級次的光斑，按照分光比η進行圖像拼接，從而獲得焦面和離焦面單個成像光斑的光強分布。具體做法是將成像探測器CCDl拍攝的焦面光強分布圖像中的士 1級衍射光斑的光強分布相加，再乘以系數(shù)η/2得到新的光強分布信息，記為II，并將0級衍射光斑的光強分布IO的飽和部分用Il相應位置的光強分布信息替代，得到合成的焦面光強分布 I。原本超過成像探測器CCDl探測范圍的光強分布信息，就能夠從經(jīng)光柵分束后的衍射光斑中推算出來了，從而有效地擴展了成像探測器CCDl對光強分布測量的動態(tài)范圍，同時也大大降低了由于成像探測器CCDl光強敏感度、輸出圖像的噪聲分布等因素對相位差波前傳感器檢測精度的影響。同樣的方法可以根據(jù)CCD2的光強分布圖像獲得合成的離焦面光強分布I_def。設待測畸變光束的振幅分布為ρ (r)，含有畸變的波前相位記為Φ，根據(jù)傅里葉光學原理成像公式可知，待測相位φ與焦面光強分布I、離焦面光強分布I_def之間的數(shù)學關系如下公式(1)中(^d為成像探測器(XD2所在位置處(距離透鏡L焦面位置距離為d)的離焦像差的相位分布，}表示傅里葉變換，i為虛數(shù)單位，ρ (r)為光瞳面振幅分布函數(shù)，I 和I_def分別表示焦平面處和離焦平面處光強分布函數(shù)。的光柵型相位差波前傳感器根據(jù)成像公式(1)以及合成的焦面光強分布I和離焦面光強分布I_def，由迭代算法可復原得到待測波前的信息。具體算法流程圖如圖2所示。圖2中FT和I-FT分別表示傅里葉變換以及傅里葉逆變換，I和Id分別表示焦面和離焦面的光強分布；為成像探測器CCD2所在位置處(距離透鏡L焦面位置距離為d) 的離焦像差的相位分布。算法迭代從左上方出發(fā)，當k = 1時，相位分布選用初始值Φο，通常可設為零或隨機分布值。流程圖詳細描述了算法的第k次迭代過程，其中為第k次迭代的相位分布，|Uk|和Φ15*別表示經(jīng)傅里葉變換后焦面位置的光場振幅分布和相位分布，
和Φ=分別表示離焦面位置的光場振幅分布和相位分布，, /和分別表示基于
焦面和離焦面光強分布函數(shù)進行傅里葉逆變換得到的光瞳面的振幅分布和相位分布。迭代算法跳出的判斷依據(jù)為傅里葉變換得到的像面振幅分布與實測振幅分布之差，若兩者之差 E小于預先設定的閾值M，則迭代停止，即為待測畸變波前。本發(fā)明中，首先，光柵G將入射光束分為強度不等、波前相位分布相同的多束光。 然后，透鏡L和分光鏡BS將經(jīng)光柵G分光后的光束分別成像于焦平面位置和具有一定離焦距離的離焦平面位置，并使用成像探測器CXDl和(XD2分別采集這兩個平面的衍射光斑的光強分布信息。最后，計算機系統(tǒng)C根據(jù)探測到的位于焦平面位置以及相應離焦平面位置處的衍射光斑光強分布信息推算得到實際的焦面和離焦面的光強分布，并利用相應的波前相位復原算法獲得待測畸變波前的相位信息。在相位差算法中，焦面光強分布以及相應離焦面光強分布的準確測量，是波前相位能夠被精確反演的關鍵所在。采用基于光柵的相位差光路結(jié)構(gòu)，不僅能夠準確地測量光斑中心的光強分布，對傳統(tǒng)相機難以測量的高頻光強分布也能夠準確探測，從而極大地改善了相位差波前傳感器對待測波前的空間高頻信息的復原能力和檢測精度。圖3 (a)和圖3 (b)為無畸變波前時，CXD成像探測器CXDl和(XD2采集到的焦面光斑分布和離焦面光斑分布，圖4(a)和圖4(b)為入射光束含有RMS值為0. 15個波長大小的像散時，CCD成像探測器CCDl和CCD2采集到的焦面光斑分布和離焦面光斑分布。圖3， 圖4圖像中的三個光斑分別為經(jīng)光柵衍射后的0級和士 1級衍射光強分布，其中C⑶成像探測器輸出圖像的中心衍射圖樣為0級衍射光強分布，左右兩側(cè)的衍射圖樣為士 1級衍射光強分布。
權(quán)利要求
1.一種基于光柵的相位差波前傳感器，其特征在于包括光柵G，透鏡L，分光鏡BS，(XD 成像探測器CXDl和(XD2、計算機系統(tǒng)C ；光柵放置于透鏡前，含有波前畸變的平行光束垂直輻照于光柵G表面，經(jīng)光柵G透射后光束被調(diào)制為強度不等、相位一致的多束光，隨后光束經(jīng)透鏡L聚焦和分光鏡BS分光后，被分為兩部分，一部分經(jīng)過分光鏡BS后，透射光束沿原方向繼續(xù)向前傳播，并最終成像于位于透鏡焦平面位置處的成像探測器CCDl的光敏面上；另一部分經(jīng)分光鏡BS反射的光束，成像于位于透鏡L后某一特定離焦位置處的成像探測器(XD2的光敏面上，并設該離焦位置處的離焦距離的大小為d ；成像探測器CXDl和(XD2 分別測量得到位于透鏡焦平面位置和具有一定離焦距離的平面上的光強分布，將衍射光柵的0級衍射光斑與1級衍射光斑強度之比記為η，假定0級衍射光斑具有較高的分光比， 則η > 1 ；對于1級衍射光斑而言，由于其所包含的能量較弱，選取性能參數(shù)合適的成像探測器，即能夠使得1級衍射光斑的峰值以及光斑能量較強的中心部分的光強分布能夠被成像器探測器CCDl準確地探測到，同時，0級衍射光斑能量較強的中心部分的光強分布在圖像中已達到飽和狀態(tài)，而0級衍射光斑能量較弱的周圍部分的光強分布能夠被成像探測器 CXDl準確地探測到；適當調(diào)整光強的大小，選取光柵的分光比，成像探測器CXDl即能同時測量到0級和1級衍射光斑，且準確測量的區(qū)域具有互補性，從而通過相應的算法推算出真實的焦面光強分布信息；利用成像探測器CCDl探測到1級衍射光斑中能量較強區(qū)域的光強分布，根據(jù)光柵的分光比，則能夠推算出0級衍射光斑中飽和區(qū)域內(nèi)的實際光強分布；成像探測器CCDl的噪聲對焦面位置處光強分布信息的影響較小，能夠更加準確地測量到像面上那些容易被噪聲淹沒的離光斑中心較遠且光強能量較弱的高頻信息；同時，將成像探測器CCD2放置于具有一定離焦量的離焦面位置處，即能同時測量到離焦面的0級和1級衍射光斑，且準確測量的區(qū)域具有互補性，從而能夠推算出真實的離焦面光強分布信息；利用成像探測器CCD2能夠準確探測到1級衍射光斑中能量較強區(qū)域的光強分布，根據(jù)光柵的分光比，則能計算得到離焦面位置處光斑中心區(qū)域的光強分布信息，將計算得到的光強分布取代CCD2圖像中0級衍射光斑中的飽和區(qū)域，綜合0級衍射光斑中周圍區(qū)域的光強分布信息，從而獲得更準確地離焦面位置處的光強分布信息；根據(jù)成像探測器CCDl采集到的0級以及1級衍射光斑計算得到的焦面光強分布記為 I，而根據(jù)成像探測器CCD2采集到的0級以及1級衍射光斑計算得到的離焦面光強分布記為I_def，由迭代算法復原得到畸變波前的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的相位差波前傳感器，其特征在于所述的衍射光柵分光取決于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，光柵的結(jié)構(gòu)能夠按某一比例進行分光，但不改變相位分布； 光柵的結(jié)構(gòu)為正弦型振幅光柵或余弦型振幅光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的相位差波前傳感器，其特征在于所述的CCD成像探測器用于探測0級和1級衍射光斑，或任意級次的衍射光斑，只要滿足能完整測量不少于兩個衍射級次光斑的光強分布信息即可。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的相位差波前傳感器，其特征在于所述的CCD成像探測器測量多個衍射級次的衍射光斑光強分布，這些衍射級次具有不同的分光比，最終根據(jù)測量得到的多個衍射光斑的光強分布以相應的算法推算得到所需的焦面和離焦面光強分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的相位差波前傳感器，其特征在于所述的基于光柵的相位差波前傳感器中，采用分光鏡將入射光分成兩束，并采用兩個CCD成像探測器，即 CXDl和(XD2分別測量透鏡的焦平面位置以及具有一定離焦量的離焦平面位置上的光強分布；或者采用一個CCD成像探測器分別對透鏡的焦平面以及相應的離焦平面的光強分布進行測量。
全文摘要
一種基于光柵的相位差波前傳感器，由光柵，透鏡，分光鏡，CCD成像探測器和計算機等器件組成。含有波前畸變的平行光束垂直輻照于光柵表面，經(jīng)光柵透射后光束被分成強度不等、相位相同的多束光，經(jīng)透鏡成像于CCD光敏面上。根據(jù)兩個或多個光柵衍射光斑并利用相應的算法，可以更為準確地計算出光斑的光強分布。計算機根據(jù)焦面和離焦面光強分布可復原得到待測的波前畸變信息。本發(fā)明能夠使用CCD成像探測器采集到通常情況無法測量的光強分布的高頻成分，有效地提高了相位差法波前傳感器的檢測精度，在光學檢測、自適應光學、高分辨率成像等領域優(yōu)勢明顯。
文檔編號G01J9/00GK102331303SQ20111022310
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者羅群, 顧乃庭, 饒長輝, 黃林海 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所