專利名稱：一種反射棱錐波前傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及自適應光學領域，特別涉及用于波前質量測量的一種反射棱錐波前傳感器。
背景技術：
自適應光學利用光電子器件對光波的波前質量進行實時測量、計算和校正，使光學 系統自動適應外界條件的變化，始終保持良好的工作狀態。隨著自適應光學技術的發展， 其應用范圍從早期的軍事應用逐漸擴展到工業和民用應用領域，例如在慣性約束核聚變 (ICF)、眼底病變的醫療診斷和光通信領域等。
自適應光學系統校正波前像差首先需要對入射波前質量進行準確探測，波前傳感器 是自適應光學系統中對入射波前像差準確測量的的關鍵部分。最常用的哈特曼傳感器通 過微透鏡陣列將入射波面分成多個子波面，需要多單元微透鏡陣列，微透鏡子孔徑數目 的增多對電光成像元件的分辨率提出更高的要求。1983年授權的美國專利4399356 "Optical wavefront sensing system"利用N(N〉1)個棱面的棱錐將入射波面分束，進 而測量波前畸變的大小。1996年意大利的Roberto Ragazzoni (Journal of modern optics 1996,43(2) :289-293)首次利用透射四棱錐將入射波面折射分成四個子光束，透過中繼 成像透鏡在光電探測器上形成四個子光瞳像，子光瞳像的強度差異分布計算入射波前質 量。實際應用中透射四棱錐的底面角非常小， 一般在1。左右，光學加工如此小角度的玻 璃棱錐存在相當的困難，尤其玻璃研磨過程無法保證棱錐的棱面之間良好的尖銳性，在 棱錐頂端造成"平臺"。"平臺" 一方面使光能損失，同時引起強烈的衍射效應，測量 精度降低。而且玻璃.棱錐對入射光有色散效應，限制了該系統正常工作的光譜寬度。專 利US4399356的N個反射棱面將入射波前分束，分成的N個子光束被相應的N個探測陣 列接收。該系統結構復雜，需要的中繼成像系統和光電探測器數目多，成本高，另外元 件的調整難度增大，不適合小型自適應系統的應用。
自適應光學應用范圍和場合的擴大，需要構建小型和微型自適應光學系，體積小、 結構簡單、成本低廉、易于調整、同時測量精度高、動態范圍大、可在寬譜帶條件下工
作的波前傳感器成為關鍵技術之一。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有利用棱錐進行波前測量的波前傳感器的技術不足，提供一種探測精度高、工作譜帶寬，結構簡單、調整難度低、可以滿足小型微型 自適應光學系統要求的反射棱錐波前傳感器。
本發明的技術解決方案， 一種反射棱錐波前傳感器，包括第一反射鏡、第二反射鏡、 第三反射鏡、第四反射鏡、反射棱錐、2x2微透鏡陣列、光電探測器、聚焦透鏡；所述 2x2微透鏡陣列置于反射棱錐和光電探測器之間，所述第一反射鏡、第二反射鏡、第三 反射鏡和第四反射鏡分別位于反射棱錐四個棱面的外側，四個反射鏡的鏡面與底面的夾 角等于反射棱錐的底面夾角，且四個反射鏡與反射棱錐的棱面平行；所述反射棱錐的棱 錐頂點位于聚焦透鏡的焦平面位置，反射棱錐的四個棱面為反射面，透過聚焦透鏡的光 束聚焦在反射棱錐的頂點后被四個反射棱面反射至對應的第一反射鏡、第二反射鏡、第 三反射鏡和第四反射鏡；第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡的垂直高 度大于反射棱錐頂點到底面的垂直高度；入射波前經聚焦透鏡落在反射棱錐的頂點被分 成四個子光束反射，再依次經第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡反射， 沿入射波前初始方向向后傳播，通過2x2微透鏡陣列成像至光電探測器，在光電探測器 四個象限上形成四個子光瞳像。
在所述的聚焦透鏡(8)前放置合束鏡(9)，從激光平行光源(10)出射的參考光經 合束鏡(9)與入射光合成一束光，然后再經聚焦透鏡(8)匯聚在反射棱錐(5)的頂 點。
所述的在反射棱錐(5)底面加上棱錐動牽調制器11，驅動反射棱錐(5)的頂點做 上下掃描。
所述第一反射鏡(l)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)的鏡面反射 率大于99%，鏡面的均方根誤差rms值小于十分之一波長。
所述2x2微透鏡陣列(6)的各微透鏡的焦距相等；從反射棱錐(5)頂點經反射鏡到 2x2微透鏡陣列(6)的光程等于2x2微透鏡陣列(6)的焦距。
所述光電探測器(7)與2x2微透鏡陣列(6)的距離等于微透鏡焦距。
所述反射棱錐(5)為正四棱錐，各棱面反射率相等且大于99%;棱面的均方根rms值 小于十分之一波長。
本發明與現有技術相比的優點在于-
(1) 本發明利用與棱錐棱面平行放置的反射鏡將經過棱鏡頂點后的子光束反射至 棱鏡后方，只需一個中繼成像透鏡系統和一個光電探測器，結構簡單、體積小、易于調 整。
(2) 本發明反射棱錐沒有透射棱錐的色散效應和"平頂"造成的光強損失和衍射效應；另外通過反射鏡與及射棱錐的間距的改變，子光瞳像怖位置調整，保證于光瞳像 不發生重合，測量精度高，且對反射棱錐的底面角沒有特殊的要求。
(3)本發明采用反射式棱錐，不存在透射光學元件所特有的色散特性，棱錐面對 不同波長的入射光的反射角度相同，可以工作在多波長條件下，工作譜帶寬。
圖l為本發明的結構組成示意圖2為本發明中加入合束鏡的結構組成示意圖； 圖3為圖1的截面形式；
圖4為本發聽中四個反射鏡與反射棱錐的結構示意圖； 圖5為本發明中反射棱錐實現動態調制的結構示意圖；
具體實施例方式
如圖1所示，本發明技術解決方案，具體包括第一反射鏡1、第二反射鏡2、第三 反射鏡3、第四反射鏡4、反射棱錐5、 2x2微透鏡陣列6、光電探測器7、聚焦透鏡8。 2x2微透鏡陣列6置于反射棱錐5和光電探測器7之間；第一反射鏡l、第二反射鏡2、 第三反射鏡3和第四反射鏡4分別位于反射棱錐5的四個棱面的外側，四個反射鏡的鏡 面與底面的夾角等于反射棱錐5的底面夾角，且四個反射鏡與反射棱錐5的棱面平行； 所述反射棱錐5的棱錐頂點位于聚焦透鏡(8)的焦平面位置，反射棱錐5的四個棱面為 反射面，透過聚焦透鏡8的光束聚焦在反射棱錐5的頂點后被四個反射棱面反射至對應 的第一反射鏡(l)、第二反射鏡2、第三反射鏡3、第四反射鏡4;第一反射鏡l、第二 反射鏡2、第三反射鏡3和第四反射鏡4的垂直高度大于反射棱錐5頂點到底面的垂直 高度；入射波前經聚焦透鏡8落在反射棱錐5的頂點被分成四個子光束反射，再依次經 第一反射鏡l、第二反射鏡2、第三反射鏡3、第四反射鏡4反射，沿入射波前初始方向 向后傳播，通過2x2微透鏡陣列6成像至光電探測器7，在光電探測器7四個象限上形 成四個子光瞳像，子瞳像的光強分布差異包含了波前傾斜信息，進而可以恢復出波前畸 變相位信息。
為了描述上的方便，同時又不失結論的一般性，以棱錐的一維形式來說明本發明實 現波前探測的具體實施方法。圖3為本發明結構示意圖1的截面形式，圖中第一反射鏡 1和第三反射鏡3分別與反射棱錐5的上下兩個棱面平行；入射波面經過聚焦透鏡8以 后聚焦在反射棱錐5的頂點上，由于棱錐的光束偏離作用，使得入射光被反射棱錐5分 成兩個子光束a、 b，第一子光束a入射至第三反射鏡3被反射，第二子光束b入射至第 一反射鏡l被反射；第三反射鏡3、第一反射鏡1分別與反射棱錐5的上下兩個棱面平行，根據幾何光學原理，兩個子光束a、 b被第三反射鏡3和第一反射鏡1反射后的光
線行進方向與光束聚焦在反射棱錐5頂點前的方向相同，反射棱錐5和兩個反射鏡組合
起來的作用相當于將入射聚焦光束翻轉并平移，同時反射光束的延長線的焦點前移。兩
個子光束a、 b經第三反射鏡3和第一反射鏡1入射至2x2微透鏡陣列6分別成像，到
達位于2x2微透鏡陣列6后焦面位置的光電探測器7,從而在光電探測器7對應的象限
上形成兩個子光瞳像。
如果入射波前為理想平面波，瞳面上P點被反射棱錐5的上下兩個棱面反射，再經
第一反射鏡l、第三反射鏡3、 2x2微透鏡陣列6，從而在光電探測器上會有該點的兩個
子光瞳像，如圖3中的T1，兩個子瞳像的強度相等。當在入射波前加入擾動，則P點的
出射光線受到擾動的影響，反射棱錐5上下兩個棱面的反射的光強不再相等，結果兩個
子瞳像的光強發生變化，見T2，通過處理兩個子瞳像的強度差異分布，計算波前擾動的
大小。當擾動增強，反射棱錐5只有下面棱面對入射光反射，其中一個子瞳像亮度增強，
而另一個子瞳像成為暗點，見T3，僅能反映波前擾動的方向，不能進行定量計算。要擴
大本發明的測量動態范圍，如圖5所示在反射棱錐5底面加上棱錐動態調制器11，驅動
反射棱錐5的頂點做上下掃描，在掃描過程中，P點的擾動波前會依次掃描通過反射棱
錐5的上下反射面，這樣保證上下兩個子光瞳面都會有一定數量的光子被探測，即在兩
個子光瞳面上都可以探測到光強分布，避免一個子光瞳像亮，另一子光瞳像全黑，利用
光線經過反射棱錐5上下表面的時間與子瞳像光強差的函數關系，計算波前擾動的傾斜
信息。定義P點出射光線在上、下兩個光瞳面的光強分布為I(Pl)和1(P2),假設單位時
間內光電探測器7接收的光子數量是恒定的，則波前擾動的沿上下方向(x方向)斜率變
化可表示為公式(1):
/CP1)-/(P2) 血 °°"0 ./(尸1) + /(尸2)... (1)
其中u。為反射棱錐5的最大調制范圍。
將上述結果推廣到整個反射棱錐(5)， P點入射光線經過反射棱錐(5)四個棱錐面的
分束反射，在光電探測器7上的光強分布可以表示為I(Pl)、 KP2)、 1(P3)和1(P4)，
對應的波前擾動相位在x， y兩個方向上的斜率表達式為
d『(x,力 /(Pl) + /(P4) - /(尸2) - /(尸3) ~^~ X & ' + /(尸2) + /(戶3) + /(/M)
,《"/(尸1) + /(尸2)-/(尸3)-/(尸4).................……..(2)
~~^~ °° "o' + /(i52) + /(戶3) + /(Z54)利用公式(2)計算波前畸變的斜率分布，進而采用區域法或模式法對波前相位分布進行 重構。
由于棱錐動態調制器11使反射棱錐5成為一個可動元件，系統的復雜度比較高。 實際應用中，也可以采用靜態調制方式實現測量動態范圍的擴大，可以采用在光路中插 入一個漫射元件來增大入射波面在反射棱錐5頂點形成的衍射斑的尺寸，從而也可以使 光線能夠在棱錐的每個側面分束，實現與棱錐動態調制器11對反射棱錐5的動態調制 相同的作用效果。
本發明還可以采用圖2的實現方式，在聚焦透鏡8前放置合束鏡9，合束鏡9的作 用可以將入射波面和參考波面合成一束光，然后再經聚焦透鏡8匯聚在反射棱錐5的頂 點。從參考波面的平行光源10出射的參考波面為理想平面波，沒有像差，平面波經過 反射棱錐5、四個反射鏡，2x2微透鏡陣列6、光電探測器7得到的4個子光瞳像可以作 為畸變波面行程的子光瞳像的標準對波前傳感器進行標定，可以用來測量光學系統本身 調整誤差和制作誤差對波面質量的影響；同時參考波面行程的子光瞳像作為畸變波面形 成的子光瞳像的計算標準，可以減少光學系統調整的精度要求，光路調整的工作量降低。
本發明技術解決方案中的第一反射鏡1、第二反射鏡2、第三反射鏡3和第四反射 鏡4的鏡面反射率大于9將，鏡面的rms(均方根)值小于十分之一波長；第一反射鏡1、 第二反射鏡2、第三反射鏡3和第四反射鏡4與反射棱錐5各底邊之間為鏤空或透光介 質，透過率大于99%。 2x2微透鏡陣列6的各微透鏡的焦距相等；從反射棱錐5頂點經 反射鏡到2x2微透鏡陣列6的光程等于2x2微透鏡陣列6的焦距。2x2微透鏡陣列6是 一個口徑為微透鏡口徑2倍的單個透鏡。光電探測器7與2x2微透鏡陣列6的距離等于 微透鏡焦距。光電探測器7采用CCD相機或CMOS相機。合束鏡9對入射波面的透過率 為99%以上。激光平行光源IO為平面光，且光源的輸出功率可調。
本發明利用反射鏡、反射棱錐、2x2微透鏡陣列的有機組合，解決目前透射棱錐波 前傳感器存在的色散、衍射效應問題，組成一個體積小、結構緊湊、易于調整，可適用 于自適應光學系統對波前進行測量的波前傳感器。
以上的實施例僅限于解釋本發明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容， 而且通過以上實施例本領域的技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容，實施例 中未作詳細描述的屬于本領域技術人員所公知的現有技術。
權利要求
1、一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于包括第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)、第四反射鏡(4)、反射棱錐(5)、2×2微透鏡陣列(6)、光電探測器(7)、聚焦透鏡(8)；所述2×2微透鏡陣列(6)置于反射棱錐(5)和光電探測器(7)之間，所述第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)分別位于反射棱錐(5)四個棱面的外側，四個反射鏡的鏡面與底面的夾角等于反射棱錐(5)的底面夾角，且四個反射鏡與反射棱錐(5)的棱面平行；所述反射棱錐(5)的棱錐頂點位于聚焦透鏡(8)的焦平面位置，反射棱錐(5)的四個棱面為反射面，透過聚焦透鏡(8)的光束聚焦在反射棱錐(5)的頂點后被四個反射棱面反射至對應的第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)；第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)的垂直高度大于反射棱錐(5)頂點到底面的垂直高度；入射波前經聚焦透鏡(8)落在反射棱錐(5)的頂點被分成四個子光束反射，再依次經第一反射鏡(1)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)、第四反射鏡(4)反射，沿入射波前初始方向向后傳播，通過2×2微透鏡陣列(6)成像至光電探測器(7)，在光電探測器(7)四個象限上形成四個子光瞳像。
2、 根據權利要求l所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于在所述的聚焦透鏡 (8)前放置合束鏡(9)，從激光平行光源(10)出射的參考光經合束鏡(9)與入射光合成一束光，然后再經聚焦透鏡(8)匯聚在反射棱錐(5)的頂點。
3、 根據權利要求1或2所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述的在反射 棱錐(5)底面加上棱錐動態調制器11，驅動反射棱錐(5)的頂點做上下掃描。
4、 根據權利要求1-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述第 一反射鏡(l)、第二反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和第四反射鏡(4)的鏡面反射率大于99%，鏡 面的均方根誤差rms值小于十分之一波長。
5、 裉據權利要求l-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述2x2 微透鏡陣列(6)的各微透鏡的焦距相等；從反射棱錐(5)頂點經反射鏡到2x2微透鏡陣列(6) 的光程等于2x2微透鏡陣列(6)的焦距。
6、 根據權利要求1-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述光 電探測器(7)與2x2微透鏡陣列(6)的距離等于微透鏡焦距。
7、 根據權利要求1-3任意之一所述的一種反射棱錐波前傳感器，其特征在于所述反 射棱錐(5)為正四棱錐，各棱面反射率相等且大于99%;棱面的均方根rms值小于十分之一 波長。
全文摘要
一種反射棱錐波前傳感器，四個反射鏡與反射棱錐配合對入射光分束反射、2×2微透鏡陣列對反射子光束中繼成像，在光電探測器的四個象限上形成四個子光瞳像，通過四個子光瞳像的光強分布差異計算出波前斜率信息，進而重構波前畸變相位分布。本發明光能利用率高，測量動態范圍大、無色散和衍射效應，體積小、結構緊湊、易于調整，可適用于自適應光學系統對波前進行測量。
文檔編號G01J9/00GK101614593SQ20091008909
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月28日 優先權日2009年7月28日
發明者軍 姚, 歡 楊, 蔡冬梅 申請人:中國科學院光電技術研究所