一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器及波前复原方法与流程

技术特征：
1.一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，包括：工控机(6)；与工控机(6)相连的焦距变换装置(1)和光电探测装置(5)，所述焦距变换装置(1)的光轴方向平行于被测光束的法线方向；设置在焦距变换装置(1)和光电探测装置(5)之间的波前分割装置(4)，所述光电探测装置(5)的接收面位于波前分割装置(4)的焦平面处；所述焦距变换装置(1)收集被检测光束，通过波前分割装置(4)聚焦于光电探测装置(5)接收面上，同时在光电探测装置(5)接收面上形成阵列光斑信息，通过工控机(6)记录阵列光斑信息并计算出波前复原信息。2.根据权利要求1所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述焦距变换装置(1)包括：与工控机(6)相连的共轭补偿装置(7)、安装在共轭补偿装置(7)上的第一焦距自由变换装置(2)和第二焦距自由变换装置(3)；第二焦距自由变换装置(3)置于第一焦距自由变换装置(2)后方；所述共轭补偿装置(7)带动第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)沿光轴方向移动。3.根据权利要求2所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置(2)的焦距f1与第二焦距自由变换装置(3)的焦距f2满足：(1)第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)之间的光学间隔l＝f1 f2；(2)焦距变换装置(1)所需倍率β＝f2/f1；(3)f1＝l/(1 β)，f2＝βl/(1 β)。4.根据权利要求2所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置(2)和第二焦距自由变换装置(3)组成倍率变换光学系统，该倍率变换光学系统的结构形式为开普勒式望远结构或伽利略式望远结构。5.根据权利要求4所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，当要求满足共轭探测时，该倍率变换光学系统选取开普勒式望远结构，第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)均为正透镜，焦距f1、f2均大于零；当无特殊要求时，该倍率变换光学系统选取伽利略式望远结构，第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)均为正透镜，焦距f1小于零，焦距f2大于零。6.根据权利要求2所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置(2)采用液晶空间光调制器、数字微镜、变形镜或变焦光学镜组；所述第二焦距自由变换装置(3)采用液晶空间光调制器、数字微镜、变形镜或变焦光学镜组。7.根据权利要求6所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)均采用液晶空间光调制器实现焦距变换，被检测光束为矩形方形光斑，尺寸为d＝2mm
×
2mm；所述第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)的相位图满足公式(1)：其中，λ表示被测光束的波长，f表示焦距变换装置(1)的焦距，表示空间光调制器要生成的面型，x，y分别为坐标值；将f1、f2分别带入到公式(1)中，获得第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)所需要产生的面型。
8.采用权利要求1至7中任意一项所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器实现的波前复原方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)被测光束通过第一焦距自由变换装置(2)形成汇聚光束汇聚于第一焦距自由变换装置(2)的焦点处，在经焦点继续向前传输时形成发散光束，传输至第二焦距自由变换装置(3)处，经第二焦距自由变换装置(3)准直后进入波前分割装置(4)分割成多个子区域，在光电探测装置(5)的接收面处形成阵列光斑；(2)通过工控机(6)驱动共轭补偿装置(7)调整焦距变换装置(1)与波前分割装置(4)之间的间隔；(3)光电探测装置(5)将接收面处的阵列光斑数据传输至工控机(6)中，通过工控机(6)记录并存储阵列光斑数据；工控机(6)根据公式(1)、焦距f1与焦距f2的需求及阵列光斑数据，利用灰度加权方法计算出相应的面型，同时根据公式(2)计算光斑的质心，根据质心偏移信息及公式(3)计算出波前斜率信息，采用基于模式法的复原方法复原波前信息，并控制第一焦距自由变换装置(2)和第二焦距自由变换装置(3)产生相应的面型，实现第一焦距自由变换装置(2)与第二焦距自由变换装置(3)的焦距变换；其中，i
ij
表示光电探测装置(5)接收面上第(i，j)个像素的光强，x
ij
、y
ij
分别表示第(i，j)个像素的坐标，x
c
、y
c
分别表示参考光束在该子孔径形成光斑的质心位置；其中，l
k
(x,y)表示第k项legendre多项式，l表示在波前复原时所采用的legendre多项式的项数；f表示焦距变换装置(1)的焦距；a
k
表示第k项legendre多项式的系数；g
x
(i)表示x方向的斜率，g
y
(i)表示y方向的斜率，s表示子孔径的数量，δx表示表示x方向质心偏移量，δy表示y方向质心偏移量，表示微积分。9.根据权利要求8所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器实现的波前复原方法，其特征在于，步骤(2)中，所述共轭补偿装置(7)的移动方向与光轴传输方向平行，其调节量为变倍前第二焦距自由变换装置(3)的焦距f2与变倍后第二焦距自由变换装置(3)的焦距f2ˊ的差值即f2ˊ
‑
f2；当该差值为正时，与光轴传输方向反向调节，使共轭补偿装置(7)远离波前分割装置(4)；当该差值为负时，与光轴传输方向同向调节，使共轭补偿装置(7)接近波前分割装置(4)。10.根据权利要求8所述的一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器实现的波前复原方法，其特征在于，步骤(3)中，采用基于模式法的复原方法复原波前信息，模式法波前斜率
信息的计算过程如下：g＝l
·
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，列向量g为m个子孔径在x和y方向上的波前斜率信息；l表示采用模式法进行波前重构时的重构矩阵；a表示模式系数；利用最小二乘的拟合方式，得到最小范数解：a＝l

·
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，l

为矩阵l的广义逆矩阵，将系数带入公式(6)获得波前斜率φ(x,y)：其中，a
k
表示第k项legendre多项式的系数。

技术总结
一种空间分辨率可调的哈特曼波前传感器及波前复原方法，属于光电检测领域，包括工控机；与工控机相连的焦距变换装置和光电探测装置，所述焦距变换装置的光轴方向平行于被测光束的法线方向；设置在焦距变换装置和光电探测装置之间的波前分割装置，光电探测装置的接收面位于波前分割装置的焦平面处；焦距变换装置收集被检测光束，通过波前分割装置聚焦于光电探测装置接收面上，同时在光电探测装置接收面上形成阵列光斑信息，通过工控机记录阵列光斑信息并计算出波前复原信息。本发明可根据被测光束的实际探测需求调节空间分辨率，进一步提升波前传感器的探测性能，能在大动态范围探测需求条件下提升测量精度，为高精度的波前探测提供了有力保障。提供了有力保障。提供了有力保障。


技术研发人员：于信 倪小龙 陈纯毅 刘智 董喆
受保护的技术使用者：长春光客科技有限公司
技术研发日：2021.09.08
技术公布日：2021/11/21