一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大動態(tài)范圍和高采樣率的波前探測：該波前傳感器通過亞波長級光柵的透射效率對光波前斜率的響應(yīng)提供傳感信號，可實現(xiàn)15°左右的動態(tài)范圍；通過調(diào)節(jié)子單元中微型光柵尺寸來提高采樣率，使得動態(tài)范圍與采樣分辨率不再為矛盾關(guān)系，可以同時獲得高采樣分辨率和大動態(tài)范圍；該波前傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、且加工工藝成熟；可以適用于各領(lǐng)域的在線檢測。本發(fā)明的探測方法，通過擬合入射光波透射率、入射角和方位角公式，基于本發(fā)明光柵陣列波前傳感器的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，解得入射光線的入射角和方位角，為波前探測提供一種大動態(tài)范圍和高采樣分辨率的探測方法。
【專利說明】一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)信息測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]波前傳感器是用于測量入射光波前畸變的檢測儀器。它廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)儀器制造、激光加工等領(lǐng)域中，負(fù)責(zé)檢測光束的質(zhì)量或光學(xué)系統(tǒng)像差。波前傳感器的種類多樣，如夏克哈特曼傳感器、剪切干涉儀、點衍射干涉儀、全息波前傳感器等。其中，夏克哈特曼傳感器由于其高靈敏度、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、實時測量等優(yōu)勢成為被廣泛應(yīng)用的波前傳感器之一。
[0003]傳統(tǒng)的夏克哈特曼傳感器是利用波前孔徑分割元件如微透鏡陣列等，將入射波前分割成若干子波前。當(dāng)子波前面積足夠小時，可以近似認(rèn)為每個子波前均為斜率不同的平面波。利用微透鏡分別將每個子波前聚焦于CCD探測器上，形成光斑陣列。最后使用計算機對CCD接收到的光斑信息進(jìn)行處理，計算出子波前孔徑會聚焦點的質(zhì)心與中心點的偏移量，推出得到入射波前斜率，據(jù)此重構(gòu)出波前。夏克哈特曼傳感器使用光斑偏移量作為傳感信號，所以每個子孔徑需要一定的面積來提供動態(tài)范圍。子波前或微透鏡的尺寸越大，斜率動態(tài)范圍越大，但檢測采樣率越低。對于同時需求高采樣率與大動態(tài)范圍的應(yīng)用要求，夏克哈特曼傳感器將難以滿足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大動態(tài)范圍和高采樣率的波前探測。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0006]有益效果:
[0007](I)本發(fā)明的基于亞波長級光柵陣列的波前傳感器，通過亞波長級光柵的透射效率對光波前斜率的響應(yīng)提供傳感信號，可實現(xiàn)15°左右的動態(tài)范圍；同時，通過調(diào)節(jié)子單元中微型光柵尺寸來提高采樣率，使得動態(tài)范圍與采樣分辨率不再為矛盾關(guān)系，可以同時獲得高采樣分辨率和大動態(tài)范圍。
[0008](2)本發(fā)明的基于亞波長級光柵陣列的波前傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、且加工工藝成熟；實時測量使其可以適用于各領(lǐng)域的在線檢測。
[0009](3)本發(fā)明的探測方法，通過擬合入射光波透射率、入射角和方位角公式，基于本發(fā)明光柵陣列波前傳感器的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，解得入射光線的入射角和方位角，為波前探測提供一種大動態(tài)范圍和高采樣分辨率的探測方法。
[0010](4)本發(fā)明根據(jù)子單元入射光波在CXD探測器上光斑位置，確定入射光線的方位角，使得本發(fā)明解得的方位角更加精確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1左為本發(fā)明波前傳感器中亞波長級光柵陣列的刻蝕圖案示意圖，圖1右為本發(fā)明的波前傳感器中亞波長級光柵陣列的一個子單元的刻蝕圖案示意圖；
[0012]圖2為實施例一中基于本發(fā)明波前傳感器的探測方法原理圖，其中1-亞波長級光柵陣列，2-CXD探測器；
[0013]圖3為實施例二中基于本發(fā)明波前傳感器的探測方法原理圖，其中，1-波前傳感器，2-CXD探測器，5-光學(xué)纖維面板；
[0014]圖4為本發(fā)明中CXD探測器上探測得到的光斑圖像；
[0015]圖5為本發(fā)明中信號al/aO隨入射角Θ單調(diào)增加的曲線，其中，點符號表示嚴(yán)格耦合波分析法的計算結(jié)果，星號表示時域有限差分分析法的計算結(jié)果。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0017]如圖2所示，本發(fā)明的一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，其中，波前傳感器包括光柵陣列和CCD探測器，如圖1(a)和1(b)所示，光柵陣列中的每個子單元均包含在同一平面內(nèi)以2X2矩陣形式排列的4個微型光柵，微型光柵的刻線方向均不相同，將4個微型光柵的刻線角度大小排列，兩相鄰刻線角度均相差45°。光柵陣列的尺寸與CCD探測的大小對應(yīng)。光柵陣列中子單元的尺寸越大，靈敏度越高，但采樣率越低，因此可根據(jù)靈敏度與采樣率的需求確定子單元尺寸，當(dāng)光柵陣列的尺寸和子單元尺寸均確定后，子單元個數(shù)也可確定。
[0018]微型光柵的周期d為亞波長級，即d < ηλ /2，其中η為微型光柵基底材料的折射率，λ為從波前傳感器入射光波的波長。微型光柵的刻槽深度、周期和占空比均相同。其中，刻線深度和占空比可根據(jù)傳感器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍為:刻線深度為70nm至250nm,占空比為0.4至0.6。
[0019]CCD探測器位于光柵陣列的后方光路中，兩者距離滿足:從光柵陣列中每個微型光柵透射的光波在CCD探測器上形成的光斑不發(fā)生干涉，即互相不重疊。
[0020]基于本發(fā)明的亞波長光柵陣列傳感器的波前探測方法如下:
[0021]步驟1、首先計算一束平面光波以不同入射角Θ和不同方位角P入射到單個微型光柵時的透射率。入射角Θ的變化范圍為從O度至30度，方位角P的變化范圍為O度至180度?？墒褂脟?yán)格耦合波法或時域有限差分方法計算對應(yīng)的透射率。將計算結(jié)果按照不同的Θ值分組，分析計算結(jié)果將發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角Θ —定，方位角P連續(xù)變化時，微型光柵透射率會以正弦函數(shù)的規(guī)律變化，通過擬合可得到其解析公式的形式為:
[0022]
T = a{) +t/, sin(2i/? + e)(1)
[0023]其中，入射角Θ表示入射光相對于Z軸的夾角，方位角口表示入射光線在xy平面投影與X軸的夾角坐標(biāo)系定義為:原點為CCD探測器左上角頂點，CCD探測器上水平向右為X軸，垂直X軸向下為y軸，z軸根據(jù)右手螺旋定則確定。T為透射率，a0為透射率變化的平均值，為透射率變化的振幅值，e為方位角的初始相位，為常數(shù)。
[0024]根據(jù)透射率與光斑強度S的對應(yīng)關(guān)系，得到光斑光強S的解析公式:
[0025]
5= a0 + O1 sin( Ιφ + e)(I，).
[0026]分析計算結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Θ增大時，透射率變化的振幅也會隨之增大，即透射率解析公式(I)中的項隨Θ單調(diào)遞增，如圖5所示。通過擬合可得到其對應(yīng)函數(shù)形式為:
[0027]?j = α{θγ + b{0f + (:{θ) + d
[0028]其中，a、b、c和d為待定常數(shù)。由于透射率變化的均值會隨著光源的波動而變化，為消除光源的不穩(wěn)定性給計算結(jié)果造成的影響，對上述公式中的％進(jìn)行歸一化，得到歸一化后的公式:
[0029]— = α{θγ + 0{θ)~ + ?:{θ) + d



\ ^)
[0030]下面確定公式(I)和(2)中的常數(shù)，具體過程如下:
[0031]S1、設(shè)置單色光源，使用光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)平行光束，將光柵陣列與CCD探測器組合安裝到可三維移動的旋轉(zhuǎn)平臺上，將上述組合放置到平行光路中，光柵陣列垂直于光束，以光柵陣列中的一個微型光柵作為標(biāo)定光柵，記錄它對應(yīng)光斑的強度。
[0032]S2、將標(biāo)定光柵向上傾斜0.5度，即將入射光線的入射角Θ設(shè)定為0.5度。然后以標(biāo)定光柵平面的中心法線為軸，旋轉(zhuǎn)標(biāo)定光柵一周，即使方位角P在O至360度之間連續(xù)變化；以方位角P每2度為間隔記錄透射光斑強度。
[0033]S3、繪制出在該入射角Θ下，光斑強度隨方位角供改變的曲線，根據(jù)公式(Γ )和光斑強度S隨方位角φ變化的曲線，得到參數(shù)％、ai和e值；
[0034]S4、改變?nèi)肷浣铅ǎ貜?fù)執(zhí)行S2和S3，直至入射角Θ超過15度。得到多組參數(shù)a0> B1和e的值，然后將將所有參數(shù)e值取平均，得到e的均值，作為常數(shù)e的值。
[0035]S5、繪制出，隨Θ改變的曲線，如圖5所示，再結(jié)合公式(2)，得到參數(shù)a、b、c和

U0
d0
[0036]步驟2、在實際的波前探測實驗中，采用圖2或3所示的系統(tǒng)，入射光波經(jīng)過本發(fā)明的光柵陣列后，由CCD探測器對入射光斑進(jìn)行接收，通過計算機對CCD靶面接收的圖像進(jìn)行處理，計算得到每個子單元中各微型光柵透射光光斑的總強度Su，其中，i, j分別為某子單兀中光斑沿X軸方向和I軸方向的位置序號。則4個光斑的光強分別為Si，pSu+pSi+ij和Si+1,J+1,由于一個子單元中的4個微型光柵參數(shù)一致，則4個微型光柵的透射率均可寫成式
(I)的形式，由于刻線角度不同，則對應(yīng)透射率表達(dá)式中的角度不同，因此可根據(jù)公式(I)得到四個光斑的光強表達(dá)式，建立方程組:
[0037]

【權(quán)利要求】
1.一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，其特征在于，所述波前傳感器包括光柵陣列和CCD探測器，所述光柵陣列中的每個子單元均包含在同一平面內(nèi)以2X2矩陣形式排列的4個微型光柵，4個微型光柵的刻線深度和占空比均一致，微型光柵的刻線方向均不相同，刻線角度均相差45° ; 所述微型光柵的周期d為亞波長級，即d < η λ /2，其中η為微型光柵基底材料的折射率，λ為波前傳感器入射光波的波長； 所述CCD探測器位于光柵陣列的后方光路中，兩者距離滿足:從微型光柵透射的光波在CCD探測器上形成的光斑互相不重疊； 所述探測方法為: 步驟1、模擬計算光柵陣列的一個子單元中一個微型光柵對于不同角度入射光波的透射率，并將各入射角度下的透射率進(jìn)行擬合，得到該微型光柵的透射率T的解析公式:
.以及入射光波的入射角Θ的表達(dá)式:
根據(jù)透射率與光斑強度S的對應(yīng)關(guān)系，得到光斑光強S的解析公式:
其中，Stl為透射率變化的平均值，B1為透射率變化的振幅值，e為方位角的初始相位，為常數(shù)；參數(shù)a、b、c和d為待定常數(shù)；入射角Θ表示入射光波相對于z軸的夾角，方位角P表示入射光波在Xy平面投影與X軸的夾角；Xyz坐標(biāo)系定義為:原點為CCD探測器左上角頂點，CCD探測器上水平向右為X軸，垂直X軸向下為y軸，z軸根據(jù)右手螺旋定則確定；步驟2、確定所述參數(shù)a、b、c和d的值，具體方法為: S21、采用單色的平行光束照射所述光柵陣列中的一個微型光柵；記錄平行光束的入射角Θ在O至15度以及方位角P在O至360度之間變化時的透射光斑強度； S22、根據(jù)步驟S21的記錄，繪制出在各入射角Θ下，光斑強度S隨方位角P變化的曲線；根據(jù)公式0-)和光斑強度S隨方位角P變化的曲線，得到各入射角Θ對應(yīng)參數(shù)和e值；將所有參數(shù)e值取平均，得到e的均值，作為常數(shù)e的值； S23、根據(jù)步驟S22的結(jié)果，繪制出^^逭入射角Θ變化的曲線，再結(jié)合公式(2)，得到參


wO數(shù)a、b、c和d的值； 步驟3、控制入射光波進(jìn)入所述光柵陣列，由所述CCD探測器對從所述光柵陣列出射的光波進(jìn)行接收，得到每個子單元中各微型光柵透射光光斑的總強度Su，其中，i和j分別為該子單元中光斑沿X軸方向和I軸方向的位置序號；則每個子單元中透射的4個光斑的光強分別為Su、Su+1、Si+u和Si+u+1，根據(jù)公式⑴得到四個光斑的光強表達(dá)式，建立方程組:
I2.求解方程組(3)，得到參數(shù)％、B1以及方位角Ψ，將參數(shù)％和ai代入公式(2)中，得到該子單元的入射光線的入射角Θ ； 步驟4、利用步驟I至步驟3得到光柵陣列中每個子單元入射光波的入射角Θ和方位角P，由此實現(xiàn)波前探測。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，其特征在于，所述波前傳感器還包括光纖面板，置于光柵陣列與CCD探測器之間，光纖面板的兩個側(cè)面分別緊貼光柵陣列后表面和CCD探測器前表面。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，其特征在于，所述波前傳感器中每個子單元中微型光柵的刻線深度為70nm至250nm，占空比為0.4至 0.6。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，其特征在于，所述微型光柵的基底材料為石英，表面鍍膜材料為銀或金。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于亞波長光柵陣列波前傳感器的波前探測方法，其特征在于，所述步驟3中得到的方位角有兩個，且兩者差值為π，分別定義兩個方位角為α和α + π ;根據(jù)每個子單元在CXD探測器上投射的光斑位置與該入射光線正入射時形成的光斑位置關(guān)系，從得到的兩個方位角中選定一個，由此確定該子單元入射光波的入射角Θ和方位角ψ，具體方法為: 計算每個子單元中4個光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，再得到4個質(zhì)心的幾何中心坐標(biāo)，設(shè)為幾何中心坐標(biāo)I ;將該子單元在CXD探測器上投影的幾何中心坐標(biāo)設(shè)為幾何中心坐標(biāo)2，分別計算幾何中心坐標(biāo)I和幾何中心坐標(biāo)2在X，y軸方向差值，并根據(jù)X，y軸差值分情況選定方位角P: 當(dāng)X軸差值為正同時y軸差值為正，或X軸差值為O同時y軸差值為正時,取α作為方位角00當(dāng)X軸差值為負(fù)同時y軸差值為負(fù)，或X軸差值為O同時y軸差值為負(fù)時,取a + Ji作為萬恆角P。
【文檔編號】G01J9/00GK104198053SQ201410409325
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】李艷秋, 梁曉斌 申請人:北京理工大學(xué)