一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法

摘要

本发明提供了一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，能够实现大动态范围和高采样率的波前探测：该波前传感器通过亚波长级光栅的透射效率对光波前斜率的响应提供传感信号，可实现15°左右的动态范围；通过调节子单元中微型光栅尺寸来提高采样率，使得动态范围与采样分辨率不再为矛盾关系，可以同时获得高采样分辨率和大动态范围；该波前传感器的结构简单、性能稳定、且加工工艺成熟；可以适用于各领域的在线检测。本发明的探测方法，通过拟合入射光波透射率、入射角和方位角公式，基于本发明光栅阵列波前传感器的实验结果数据，解得入射光线的入射角和方位角，为波前探测提供一种大动态范围和高采样分辨率的探测方法。

主权项

一种基于亚波长光栅阵列波前传感器的波前探测方法，其特征在于，所述波前传感器包括光栅阵列和CCD探测器，所述光栅阵列中的每个子单元均包含在同一平面内以2×2矩阵形式排列的4个微型光栅，4个微型光栅的刻线深度和占空比均一致，微型光栅的刻线方向均不相同，刻线角度均相差45°；所述微型光栅的周期d为亚波长级，即d＜nλ/2，其中n为微型光栅基底材料的折射率，λ为波前传感器入射光波的波长；所述CCD探测器位于光栅阵列的后方光路中，两者距离满足：从微型光栅透射的光波在CCD探测器上形成的光斑互相不重叠；所述探测方法为：步骤1、模拟计算光栅阵列的一个子单元中一个微型光栅对于不同角度入射光波的透射率，并将各入射角度下的透射率进行拟合，得到该微型光栅的透射率T的解析公式：以及入射光波的入射角θ的表达式：根据透射率与光斑强度S的对应关系，得到光斑光强S的解析公式：其中，a₀为透射率变化的平均值，a₁为透射率变化的振幅值，e为方位角的初始相位，为常数；参数a、b、c和d为待定常数；入射角θ表示入射光波相对于z轴的夹角，方位角表示入射光波在xy平面投影与x轴的夹角；xyz坐标系定义为：原点为CCD探测器左上角顶点，CCD探测器上水平向右为x轴，垂直x轴向下为y轴，z轴根据右手螺旋定则确定；步骤2、确定所述参数a、b、c和d的值，具体方法为：S21、采用单色的平行光束照射所述光栅阵列中的一个微型光栅；记录平行光束的入射角θ在0至15度以及方位角在0至360度之间变化时的透射光斑强度；S22、根据步骤S21的记录，绘制出在各入射角θ下，光斑强度S随方位角变化的曲线；根据公式(1’)和光斑强度S随方位角变化的曲线，得到各入射角θ对应参数a₀、a₁和e值；将所有参数e值取平均，得到e的均值，作为常数e的值；S23、根据步骤S22的结果，绘制出随入射角θ变化的曲线，再结合公式(2)，得到参数a、b、c和d的值；步骤3、控制入射光波进入所述光栅阵列，由所述CCD探测器对从所述光栅阵列出射的光波进行接收，得到每个子单元中各微型光栅透射光光斑的总强度S_i,j，其中，i和j分别为该子单元中光斑沿x轴方向和y轴方向的位置序号；则每个子单元中透射的4个光斑的光强分别为S_i,j、S_i,j+1、S_i+1,j和S_i+1,j+1，根据公式(1)得到四个光斑的光强表达式，建立方程组：求解方程组(3)，得到参数a₀、a₁以及方位角将参数a₀和a₁代入公式(2)中，得到该子单元的入射光线的入射角θ；步骤4、利用步骤1至步骤3得到光栅阵列中每个子单元入射光波的入射角θ和方位角由此实现波前探测。