CN100562726C - 基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，包括光路缩束系统、微透镜阵列、CCD探测器和波前处理机，其特点在于：在所述的光路缩束系统的入瞳匹配透镜和出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角的扫描振镜。本发明彻底改变传统的哈特曼波前传感器只能探测单纯的目标信号波前像差的特点，使自适应光学系统具备白天强天光弱目标信号波前探测的能力，提高工作效率接近原来的三倍。

Description

基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器

技术领域

本发明涉及一种用于自适应光学系统的波前传感器，特别是一种基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器。

背景技术

自适应光学的基本理论国际上20世纪80年代之前就已经基本成熟；在国内，由姜文汉院士领导的国家863大气光学实验室，在90年代就已经基本完成整个自适应光学理论的发展并主持建立了多套自适应光学系统，达到了理想的波前探测、校正效果，使我国的自适应光学理论和工程都走在了世界的前列。

波前传感器是自适应光学系统的核心部件，它主要完成对入射信号光进行波前相位的高分辨率探测，然后根据一定的波前重构算法进行信号波前的波前重构，交给后面的波前校正器进行波前校正，以实现成像质量的提高；其中，夏克-哈特曼波前传感器在现在的自适应光学系统中是使用最多、应用最成熟的波前传感器；这种哈特曼传感器的原理性内容可以参见“Adaptive Optics for Astronomy”D.M.Alloin and J.M.Mariotti.KluwerAcademic Publishers，1994.“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielins ki，B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997。传统哈特曼波前传感器的原理光路见图1。

但是，到目前为止，除了强激光自适应光学以外，传统的自适应光学系统都是工作在夜晚，一般只有三分之一的工作时段；究其原因，主要是传统的哈特曼波前传感器探测到的是入射光的波前信息，如果入射信号光比较弱同时背景光又比较强时，传统的哈特曼波前传感器将不再能完成从强背景中提取出弱信号再进行质心计算的功能；因此，现有的自适应光学系统在白天甚至晨昏线都无法正常工作而取得波前校正效果，这样，极大的降低了自适应光学系统的工作效率，浪费了昂贵的自适应光学系统的宝贵资源。

由于有了上述问题的存在，为了探索白天自适应光学系统使用的可能性，如何在白天强天光背景下提取出信号波前，并探测出信号波前的波前相位信息，就成了一个很重要的研究课题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服的传统夏克-哈特曼波前传感器不能在白天或有背景杂光条件下工作的缺点，提供一种具备白天自适应光学波前探测能力的基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，它能够在白天强背景光条件下进行弱目标信号波前的探测，为自适应光学系统在白天的工作提供解决方案。

本发明的技术解决方案：基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，包括光路缩束系统、扫描振镜及其相应的信号发生器、微透镜阵列、CCD探测器和波前处理机，其特征在于：在所述的光路缩束系统的入瞳匹配透镜和出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角的扫描振镜。

本发明的原理：在白天条件下，进入自适应光学系统的光信号包括强的天光背景和弱的目标光，利用它们之间最本质的区别“视场差异很大”来完成消除天光背景的功能；一般来说，自适应光学系统所能探测的目标光视场FOV1很小，大约在几十个微弧度，但是严重影响波前探测的背景天光的视场FOV2却远远大于目标光视场，可以认为背景天光是无限扩展的朗伯体，因此本发明提出以“视场偏移”为基本工作原理的“基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器”来解决这个问题；它的原理如后图2。扫描振镜有三个工作状态，状态1为振镜处于某一静止状态，此时光路正常对准，信号光顺利经过振镜的反射后经过视场光阑PD进入CCD，同时，背景光也进入CCD，CCD处于工作状态；状态2为振镜处于高速扫描运动状态，此时CCD机械快门关闭，不接收信号；状态3为振镜处于另一静止状态，此时光路因为有了振镜的一个小角度θ的偏移，而使得小视场的目标光不能透过视场光阑PD从而不在CCD上成像，但是背景光视场足够大而不受视场光阑影响，照常成像在CCD上，CCD处于工作状态；通过扫描振镜在三个工作状态的不断切换，CCD依次采集图像，每采两帧图像后由波前处理机进行图像处理得到去掉背景的信号图像；再进行质心计算、波前重构，这样最终完成白天自适应光学系统波前传感器的功能。

本发明与现有技术相比有如下优点：本发明使传统的自适应光学系统只能工作在夜间的状况得到彻底的改善，使自适应光学系统的工作时段扩展到接近原来的三倍，工作效率提高到接近原来的三倍；另外，本发明在制作上基本可以沿用传统的技术，因此不需要过多额外的技术成本，方便实用。

附图说明

图1为传统哈特曼波前传感器光路结构示意图；

图2为本发明提出的视场偏移哈特曼波前传感器光路结构示意图；

图3为本发明提出的视场偏移哈特曼波前传感器结构分解说明图；

图4为本发明提出的高频扫描振镜的理想工作时输入函数波形；

图5为本发明提出的高频扫描振镜的实际工作时输入函数波形；

图6为本发明的室内验证实验采集的目标和背景混合信号图像；

图7为本发明的室内验证实验采集的背景信号图像；

图8为本发明的室内验证实验经过视场偏移处理后的目标信号图像。

具体实施方式

如图1所示，传统的自适应光学波前传感器主要包括光路缩束系统、扫描振镜及其相应的信号发生器、微透镜阵列、CCD探测器和波前处理机，它利用微透镜阵列对入射的信号波前进行子孔径分割，每个子孔径内光信号聚焦在其后的CCD上，利用CCD靶面能量的分布情况进行质心位置计算。哈特曼波前传感器主要是根据下述的公式(1)计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到CCD光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式2计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}---\left(2\right)$

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

另外，实际的波前探测中，由于系统误差尤其是CCD光电探测器自身不可避免的噪声带来的误差原因，CCD所探测到的I_nm实际上并不全是目标信号的能量，还包括背景杂光和CCD器件的暗电平等噪声能量，即有：

I_nm＝S_nm+B_nm                            (3)

其中S_nm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号能量，B_nm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的背景噪声能量；

因此有：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{B}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{nm}}}=\frac{\mathrm{sbr}}{1+\mathrm{sbr}}{x}_S+\frac{1}{1+\mathrm{sbr}}{x}_B---\left(4\right)$

上述(4)式中的sbr定义为信号光能量和非信号光能量(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等背景能量的总和)的比值；

从(4)式可以看出，实际哈特曼所探测到的质心位置是有效目标信号质心与背景(包括杂光背景和CCD器件暗背景)质心的加权平均值，权重由信号光与背景能量之比sbr决定；这就决定了传统哈特曼波前探测的原理性约束：sbr不能太小或背景能量不能太大，如果sbr太小背景能量太大，则由上述(4)式计算得到的质心位置必然不再准确，因此，传统哈特曼波前传感器必然不再具备对强天光背景下弱目标信号的波前探测能力。

如图2、3所示，本发明主要包括光路缩束系统的入瞳匹配透镜1、在入瞳匹配透镜1和出瞳匹配透镜4之间、缩束焦点之前的具有视场偏转角的扫描振镜2(扫描振镜根据信号发生器8的输入信号进行工作)、视场光阑3、光路缩束系统的出瞳匹配透镜4、微透镜阵列5、CCD探测器6和波前处理机7；视场光阑3主要完成在扫描振镜产生一定偏转角度后来限制小视场目标光的通过的功能，视场光阑3为具有一定厚度(约1mm)、中心有一个精密通光圆孔的光阑，其中心圆孔的直径大小要根据整个系统设计参数决定，以目前常用的自适应光学系统为参考，其中心直径一般在0.1-1mm。在缩束焦点之前加一扫描振镜2，可以高速来回偏转的同时还起到改变光的传播方向的反射镜的作用，扫描振镜2具有三个不同阶段的工作状态，状态1为扫描振镜2处于某一静止状态，此时光路正常对准，信号光顺利经过扫描振镜2的反射后经过视场光阑3进入CCD探测器6，同时，背景光也进入CCD探测器6，CCD探测器6处于工作状态；状态2为扫描振镜2处于高速扫描运动状态，此时CCD机械快门关闭，不接收信号；状态3为扫描振镜2处于另一静止状态，此时光路因为有了扫描振镜的一个小角度θ的偏移，而使得小视场的目标光不能透过视场光阑3从而不在CCD探测器6上成像，但是背景光视场足够大而不受视场光阑2影响，照常成像在CCD探测器6上，CCD探测器6处于工作状态。上述高频扫描振镜2的三个工作状态的控制，完全通过信号发生器给它输入波形的控制来完成；图4是所需要理想的扫描振镜2的工作波形，即为方波信号工作模式，然而，实际上，扫描振镜在从一个状态1到状态3是需要时间的，即它不可能完全的立即产生一个偏角而到达状态3，因此，图5是实际需要输入的工作波形。显然0-t1为状态1，t1-t12为状态2，t12-t2为状态3。

本发明的工作过程如下：进入入瞳匹配透镜1处的光信号为畸变的弱目标信号和强扩展天光背景信号的混合信号，它们一起进入缩束系统，扫描振镜2处于状态1时，目标和背景信号一起经过视场光阑3，再依次进入缩束系统另一端的出瞳匹配透镜4，接着进入微透镜阵列5后进入CCD探测器6光敏面，进行光强位置质心探测；这时CCD探测器6上接收到的为弱目标和强背景的混合信号，如图6所示，可以很明显的看到目标信号基本上与背景信号混合在一起，根据上述公式(4)，显然，用传统的哈特曼波前质心探测方法将无法从强背景信号中提取出目标信号并进行质心位置计算；因此，在入瞳匹配透镜1和出瞳匹配透镜之间设置了一个可以做高频振动偏转的扫描振镜2。根据前述对扫描振镜2的状态描述，在状态1中，CCD探测器6处于工作状态，因此，CCD探测器6可以采集到一帧目标和背景的混合信号；然后，根据信号发生器的输入工作波形，控制扫描振镜2在状态1结束后马上进入状态2，立即以很高的工作频率(一般在2KHZ以上)在很短的时间(一般在0.1ms以内)内做横向(或纵向，依据实际工作光路而言)扫描，逐渐的产生一个偏角θ，在状态2中，CCD探测器6处于关闭状态，即CCD探测器6不进行任何图像采集工作，这样直到状态2结束，扫描振镜2达到的给定的偏转角度θ的要求(偏转角度θ一般在0.5°到1.5°，具体大小要根据实际系统参数确定)；在状态2结束后，扫描振镜2进入状态3，即扫描振镜2此时处于静止状态，相对状态1有一个已知的偏转角度θ，这时，由于扫描振镜2有了一个很小的偏角θ，目标光视场FOV1一般很小，并且满足FOV1＜θ的条件下，目标光将被视场光阑3的视场光阑被挡住，而不能进入出瞳匹配透镜4，因此也就不能在CCD探测器6的光敏面上成像；但是，背景光视场FOV2＞＞FOV1，因此，背景光将几乎不受视场偏移角度θ的影响，而照常顺利的经过出瞳匹配透镜3，接着进入微透镜阵列5，然后进入CCD探测器6的光敏面；同时，CCD探测器6也进入工作状态，并开始在状态3的时间之内采集图像；参见图7所示，为采集到的没有了目标光的图像，这样，CCD探测器6就完成了背景图像的采集工作。

这样，在前述工作基础上，得到了两个CCD分别采集到的图像，然后做一个很简单的对应图像像素相减处理，即可得到消除了天光背景影响的纯信号图像如图8所示，从图8和图6的对比可以看出，本发明基本上完成了从强天光背景下提取出弱目标信号的功能，得到了比较清晰的信号图像，如图7所示；

最后，根据图8得到的信号图像，利用前述的公式(1)和公式(2)就可以很顺利的计算得到每个子孔径内的波前平均斜率，组成子孔径阵列斜率向量G；

根据模式复原算法的基本原理，利用事先计算好的复原矩阵R，根据模式复原矩阵公式：

Z＝R＊G                            (5)

根据(5)式，可以很快得到波前的ZERNIKE系数矩阵Z，再根据ZERNIKE系数矩阵把波前在单位圆上展开即得到复原后的波前信息，最终实现白天自适应光学强背景下弱目标信号的波前探测功能。

Claims (4)

1、基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，包括光路缩束系统、信号发生器、微透镜阵列、CCD探测器和波前处理机，其特征在于：在所述的光路缩束系统的入瞳匹配透镜和出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个可以高速切换并按时产生一定视场偏转角的扫描振镜；所述扫描振镜将按照信号发生器输入的信号工作，有三个工作状态，状态1为所述扫描振镜处于某一静止状态，此时光路正常对准，信号光顺利经过所述扫描振镜的反射后经过视场光阑和微透镜阵列后进入CCD探测器，同时，背景光也进入CCD探测器，CCD探测器处于工作状态，从而CCD采集到一帧信号加背景的图像；状态2为所述扫描振镜处于高速扫描运动状态，此时CCD探测器机械快门关闭，不接收信号；状态3为所述扫描振镜处于另一静止状态，此时光路因为有了所述扫描振镜的一个指定的视场偏转角度，而使得小视场的目标光不能透过视场光阑从而不能在CCD探测器上成像，但是背景光视场足够大而不受视场光阑影响，照常成像在CCD探测器上，CCD探测器处于工作状态，从而CCD探测器采集到一帧纯背景信号；利用前一帧图像减去后一帧图像即可完成背景光的消除功能；然后再利用波前处理机进行质心计算、波前重构，最终完成白天自适应光学系统的正常工作。

2、根据权利要求1所述的基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的扫描振镜的视场偏转角θ为0.5°～1.5°。

3、根据权利要求1所述的基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于：所述视场光阑为具有厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑。

4、根据权利要求3所述的基于扫描振镜的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于：所述中心通光圆孔径的厚度为0.8～1.2mm，直径为0.1-1mm。

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