專利名稱：一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于相位差的波前傳感器，特別是一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器。
背景技術：
相位差波前傳感器因其結構簡單、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。國內外的研究工作者已經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。目前常用的相位差波前傳感器的光學結構主要有以下幾種(I)Richard L. Kendrick， D. S. Acton 禾口 A. L. Duncan 在"Phase diversity wavefront sensor for imaging systems"APPLIED OPTICS,Vol. 33,6533-6546,1994 一文中使用相位差波前傳感器測量光學系統像差，在實驗過程中使用利用棱鏡分光經將兩幅圖像分別成像于位于焦面和離焦面位置的兩個CCD成像探測器。雖然此方案的光路簡單，但是需要兩個CCD成像探測器，增加了系統的成本。當待測波前畸變為由實時變化的大氣湍流引起的這類動態像差時，為確保在大氣相干時間內所采集的焦面和離焦面圖像為同時刻的目標相，還需要附加控制電路來實現兩個CCD成像探測器同步采集圖像，導致了相位差波前傳感器在結構上的復雜性。(2) Mats G. Lofdah I, Richard L. Kendrick, Alex Harwi t, Keith E.Mitchell 禾口 Alan L.Duncan在"A Phase Diversity Experiment to Measure Piston Misalignment on the Segmented Primary Mirror of the Keck II Telescope，，in Space Telescopes and Instruments V，Proc. SPIE, vol. 3356，1-12,1998 一文中使用相位差波前傳感器測量 Keck II望遠鏡拼接主鏡的平移誤差，文中利用一個分光棱鏡和一個全反棱鏡組合使得兩幅圖像成像于一個CCD成像探測器。入射光束經分光棱鏡分光后，透射光束按原方向成像于CCD 光敏面上，反射光束經全反棱鏡反射后也成像于CXD光敏面上。透射光束和反射光束之間的光程不同，調整CCD光敏面的位置則可同時采集到焦面圖像和離焦面圖像，改變分光棱鏡和全反棱鏡之間位置關系即可改變兩幅圖像之間的離焦量。此光學結構雖然滿足了圖像采集的同步性需求，但是受限于CCD光敏面的大小，無法滿足較大離焦量的需求，棱鏡尺寸較小，加工難度極大。(3)P M. Blanchard,D J. Fisher,S C. Woods禾口A H. Greenaway在"Phase diversitywavefront sensing with a distorted diffraction", APPLIED OPTICS, Vol 39, 6649-6655，2000 一文中提出在相位差波前檢測光路中一塊離焦光柵，入射光束經離焦光柵透射后產生具有不同焦距的多級衍射光束，使用一個CCD成像探測器就可以獲得離焦量對稱的多幅圖像。離焦量大小取決于入射光的波長和光柵的周期。此方案對CCD光敏面尺寸的要求較高，光柵的加工難度較大，各級衍射光束容易相互干擾。
發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，采用了組合棱鏡與相位差波前傳感器相結合，簡化了相位差波前傳感器的光學結構，降低了分光器件的加工難度，改善了相位差波前傳感器對動態畸變波前的檢測能力， 有效地擴展了相位差波前傳感器的應用范圍。本發明采用的技術方案是一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，包括透鏡、 組合棱鏡、成像探測器CXD和計算機；組合棱鏡由第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2，第一直角三角反射棱鏡S3和第二直角三角反射鏡S4組成；首先含有畸變波前的平行光束垂直輻照于透鏡表面，經透鏡聚焦后，平行光束變為匯聚光束，匯聚光束垂直入射與組合棱鏡中的第一分光棱鏡Sl的前表面，入射光束被第一分光棱鏡Sl分為兩束光，透射光束按原方向繼續傳播，經第二分光棱鏡S2后，第二分光棱鏡S2的透射光束T按原方向繼續傳播，透射光束T最終成像于成像探測器CXD光敏面；第一分光棱鏡Sl的反射光束，沿垂直于透射光束的方向傳播，經第一直角三角反射棱鏡S3后，再經由第二直角三角反射棱鏡S4反射進入第二分光棱鏡S2，經第二分光棱鏡S2分光后，第二分光棱鏡S2的反射光束R沿最初入射光束的方向傳播，反射光束R平行于透射光束T，光束R最終也成像于成像探測器CCD光敏面，由于透射光束T與反射光束R經組合棱鏡后所走的光程不一樣，兩者之間存在一個固定的光程差δ ’ δ =a+b，a和b分別為第一直角三角反射棱鏡S3和第二直角三角反射鏡 S4直角邊邊長；然后，調整成像探測器CCD的位置，使透射光束T在成像探測器CCD光敏面所成的像為焦面圖像I，由于透射光束T和反射光束R之間存在光程差δ，因此反射光束R 在成像探測器CCD光敏面所成的像為離焦圖像I_def，離焦量大小等于光程差δ ；最后計算機根據成像探測器CCD采集到的焦面圖像和離焦圖像，采用相位差復原算法，獲得待測畸變波前的相位分布以及未知的目標光強信息。所述組合棱鏡中第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2的分光比為& &，第一直角三角反射棱鏡S3和第一直角三角反射棱鏡S4為全反射棱鏡。所述的焦圖像和離焦面圖像的光強比取決于第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2 的分光比。所述的焦面圖像的中心和離焦圖像的中心之間的距離取決于第一分光棱鏡Sl的直角邊邊長a和第二分光棱鏡S2的直角邊邊長b之差。所述的焦面圖像和離焦圖像位于同于成像探測器CCD光敏面的不同區域，兩幅圖
像不得重疊。本發明與現有技術具有的優點如下(1)本發明采用了組合棱鏡與相位差波前傳感器相結合，簡化了相位差波前傳感器的光學結構，降低了分光器件的加工難度，改善了相位差波前傳感器對動態畸變波前的檢測能力，有效地擴展了相位差波前傳感器的應用范圍。(2)相對于傳統相位差波前傳感器的光路結構，本發明在傳統光路中增加了一組棱鏡，在不明顯增加器件加工難度的前提下，大大簡化了相位差波前傳感器的光路結構，降低了成本，同時提高了相位差法對動態畸變波前的檢測能力。(3)采用本發明的光路結構，只需在光路中增加一組棱鏡，即可使用一個CCD成像探測器采集焦面圖像和離焦圖像。組合棱鏡由兩個分光棱鏡和兩個反射棱鏡組成，各棱鏡的結構參數可以根據實際需要來設計，并且可以根據實際情況的變化來靈活更換，在使用上較為靈活、方便。由于棱鏡尺寸不受限于成像探測器CCD光敏面的尺寸大小，因此加工難度不大，裝配和光路調整簡單。同時，該方法各單元技術均較為成熟，因此在應用上也較為可靠。(4)相對于傳統相位差波前傳感器的光路結構，本發明的光路結構能夠同步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，因此本發明的光路能夠對較快速變化的動態畸變波前進行更為準確的測量，在某些特殊應用領域，如大氣湍流校正、激光光束波前診斷、天文觀測等，具有較大的潛在應用價值。總之，本發明的光學結構簡單，使得成像探測器CCD能夠同時采集到焦面和離焦面光強分布圖像，確保了兩幅圖像的同步性和實時性，有效地提高了相位差法波前傳感器對動態像差的檢測精度以及對擴展目標的復原能力，在光學檢測、自適應光學、高分辨率成像等領域優勢明顯。
圖1為本發明基于組合棱鏡的相位差波前傳感器結構示意圖；圖2為本發明組合棱鏡的結構示意圖；圖3為本發明中組合棱鏡的分光示意圖；圖4為本發明中CCD成像探測器采集到的焦面圖像和離焦圖像。
具體實施例方式如圖1、2所示，本發明基于組合棱鏡的相位差波前傳感器包括透鏡1、組合棱鏡 2、成像探測器CXD 3和計算機4。組合棱鏡2由第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2，第一直角三角反射棱鏡S3和第二直角三角反射鏡S4組成；首先，含有畸變波前的平行光束垂直輻照于透鏡1表面，經透鏡1聚焦后，平行光束變為匯聚光束，匯聚光束垂直入射與組合棱鏡2中的第一分光棱鏡Sl的前表面，入射光束被第一分光棱鏡Sl分為兩束光，透射光束按原方向繼續傳播，經第二分光棱鏡S2后，第二分光棱鏡S2的透射光束T按原方向繼續傳播，透射光束T最終成像于成像探測器CXD 3光敏面；第一分光棱鏡Sl的反射光束，沿垂直于透射光束的方向傳播，經第一直角三角反射棱鏡S3后，再經由第二直角三角反射棱鏡S4 反射進入第二分光棱鏡S2，經第二分光棱鏡S2分光后，第二分光棱鏡S2的反射光束R沿最初入射光束的方向傳播，反射光束R平行于透射光束T，光束R最終也成像于成像探測器 (XD3光敏面，由于透射光束T與反射光束R經組合棱鏡2后所走的光程不一樣，兩者之間存在一個固定的光程差δ。該光程差δ隨第一直角三角反射棱鏡S3和第二直角三角反射鏡S4的尺寸a和b變化，δ = a+b，a和b分別為第一直角三角反射棱鏡S3和第二直角三角反射鏡S4直角邊邊長；然后，調整成像探測器(XD3的位置，使透射光束T在成像探測器(XD3光敏面所成的像為焦面圖像I，由于透射光束T和反射光束R之間存在光程差δ， 因此反射光束R在成像探測器CCD3光敏面所成的像為離焦圖像I_def，離焦量大小等于光程差δ ；最后計算機4根據成像探測器CCD3采集到的焦面圖像和離焦圖像，采用相應的相位差復原算法，即可獲得待測畸變波前的相位分布以及未知的目標光強信息。本發明中計算機4的計算過程如下設待測目標的光強分布為ο (r)，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…根據傅里葉光學原理成像公式可知，o(r)，p與像面光強分布之間的數學關系如下
權利要求
1.一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，其特征在于包括透鏡(1)、組合棱鏡O)、 成像探測器CCD C3)和計算機；組合棱鏡O)由第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2，第一直角三角反射棱鏡S3和第二直角三角反射鏡S4組成；首先含有畸變波前的平行光束垂直輻照于透鏡(1)表面，經透鏡(1)聚焦后，平行光束變為匯聚光束，匯聚光束垂直入射與組合棱鏡( 中的第一分光棱鏡Sl的前表面，入射光束被第一分光棱鏡Sl分為兩束光，透射光束按原方向繼續傳播，經第二分光棱鏡S2后，第二分光棱鏡S2的透射光束T按原方向繼續傳播，透射光束T最終成像于成像探測器CCDC3)光敏面；第一分光棱鏡Sl的反射光束，沿垂直于透射光束的方向傳播，經第一直角三角反射棱鏡S3后，再經由第二直角三角反射棱鏡S4反射進入第二分光棱鏡S2，經第二分光棱鏡S2分光后，第二分光棱鏡S2的反射光束R沿最初入射光束的方向傳播，反射光束R平行于透射光束T，光束R最終也成像于成像探測器(XD3光敏面，由于透射光束T與反射光束R經組合棱鏡( 后所走的光程不一樣，兩者之間存在一個固定的光程差S，δ =a+b，a和b分別為第一直角三角反射棱鏡S3 和第二直角三角反射鏡S4直角邊邊長；然后，調整成像探測器CCD(3)的位置，使透射光束 T在成像探測器CXD C3)光敏面所成的像為焦面圖像I，由于透射光束T和反射光束R之間存在光程差S，反射光束R在成像探測器CXDC3)光敏面所成的像為離焦圖像I_def，離焦量大小等于光程差δ ；最后計算機(4)根據成像探測器CCDC3)采集到的焦面圖像和離焦圖像，采用相位差復原算法，獲得待測畸變波前的相位分布以及未知的目標光強信息。
2.根據權利要求1所述的基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，其特征在于所述組合棱鏡O)中第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2的分光比為& &，第一直角三角反射棱鏡S3和第一直角三角反射棱鏡S4為全反射棱鏡。
3.根據權利要求1所述的基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，其特征在于所述的焦圖像和離焦面圖像的光強比取決于第一分光棱鏡Sl和第二分光棱鏡S2的分光比。
4.根據權利要求1所述的基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，其特征在于所述的焦面圖像的中心和離焦圖像的中心之間的距離取決于第一分光棱鏡Sl的直角邊邊長a和第二分光棱鏡S2的直角邊邊長b之差。
5.根據權利要求1所述的基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，其特征在于所述的焦面圖像和離焦圖像位于同于成像探測器CCDC3)光敏面的不同區域，兩幅圖像不得重疊。
全文摘要
一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，由透鏡，組合棱鏡，CCD成像探測器和計算機系統組成；含有波前畸變的平行光束經透鏡聚焦后，垂直輻照于組合棱鏡的前表面，經組合棱鏡后，入射光束被分為兩束光，組合棱鏡的出射的兩束光成像于CCD光敏面上，兩束光之間存在一個固定光程差。本發明的光學結構簡單，使得CCD成像探測器能夠同時采集到焦面和離焦面光強分布圖像，確保了兩幅圖像的同步性和實時性，有效地提高了相位差法波前傳感器對動態像差的檢測精度以及對擴展目標的復原能力，在光學檢測、自適應光學、高分辨率成像等領域優勢明顯。
文檔編號G02B27/10GK102564612SQ20121002776
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月7日 優先權日2012年2月7日
發明者王曉華, 羅群, 顧乃庭, 饒長輝, 黃林海 申請人:中國科學院光電技術研究所