CN101055348A

CN101055348A - 基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统

Info

Publication number: CN101055348A
Application number: CN 200710099702
Authority: CN
Inventors: 饶长辉; 林衡; 鲜浩
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: CN100549753C

Abstract

基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，由波前校正器，基于Mach－Zehnder干涉法的自参考波前传感器和工控机组成，光束首先通过波前校正器后，反射进入基于Mach－Zehnder干涉法的自参考波前传感器，基于Mach－Zehnder干涉法的自参考波前传感器探测到的波前信息经过工控机一次矩阵运算后直接输出控制电压到波前校正器进行闭环。波前校正器采用独立单元连续表面变形镜有较快的响应速度，波前探测器运用干涉原理，具有较高的空间分辨率和探测精度，这样可以极大提高基于干涉波前探测器的自适应光学系统的波前校正性能，扩大了这种自适应光学系统的应用领域，优越性明显。

Description

基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统

技术领域

本发明涉及一种自适应光学系统，特别是一种基于自参考波前传感器的连续表面变形镜自适应光学校正系统。

背景技术

目前在自适应光学系统之中，哈特曼波前传感器的应用较为广泛，而当入射的波面口径增大时，探测需要增加Shack-Hartmann波前传感器的子孔数目，而每个子孔径又对应一定数目的CCD像素数目，因此在CCD靶面上需要更多的像素，对CCD相机提出了较高的要求。在基于自参考波前传感器的自适应光学系统中CCD靶面上的每个像素可以看成一个子孔径，这样每个像素即可直接对应波前的一部分，当入射波面口径增大时，与Shack-Hartmann波前传感器相比，可以有效的降低CCD相机的像素数，并且有效的提高波前探测的空间分辨率。在基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器的自适应光学系统中，连续表面的变形镜校正器可以制作成与波前传感器CCD像素相匹配对应，通过波前探测器到的波前信息作一次波前解缠绕和共轭后，就可以直接控制变形镜中与CCD像素相对应的驱动单元。在文章“High Order，Reconstructor-Free Adaptive Optics for 6-8meter class Telescopes” Maud Langlois，Roger Angel，MichaelLloyd-Hart，Venice 2001 Beyond Conventional Adaptive Optics中采用了液晶空间调制器作为波前校正器，但是液晶空间调制器本身具有光能利用率不高，色散严重，响应速度慢等缺点，严重的影响了这种自适应光学系统在大气扰动时的应用。因此在本发明中，其校正器采用了PZT、PMN等材料制作成分离式的就可以很好的克服以上缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光能利用率高，响应速度快的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，在该自适应光学系统中，波前探测器采用了基于干涉法的自参考波前传感器，提升了波面探测的精度和空间分辨率。

本发明的技术解决方案之一是：基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：由波前校正器，基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器和工控机组成，光束首先通过波前校正器后，反射进入基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器探测到的波前信息经过工控机一次矩阵运算后直接输出控制电压到波前校正器进行闭环。

所述的波前校正器采用具有较快响应速度的独立单元的连续表面变形镜构成。

所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器中，将其中一路光进行针孔滤波，滤波后的光束作为参考光束；另一路光路基本不变，作衰减后与参考光束进行干涉，得到了两幅干涉图像，同时采用两个CCD采集，并同步输出到工控机中。

所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前探测器中，可以在参考光路中加入移相器，方便得到多幅干涉图像进行多次探测。

所述的连续表面变形镜的单元排列与单元数目与基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器中的两个CCD成像探测器中探测像素排列相匹配，得到的波前信息作一次波前解缠绕和共轭后就可以直接控制变形镜中与CCD像素相对应的驱动单元。

本发明的技术解决方案之二为：基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：由连续表面变形镜、基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器和工控机组成，其中基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器包括：第一半透半反镜、针孔滤波器、全反射镜、光衰减器、移相器、第一成像探测器和第二成像探测器，像差波面进入系统后，首先经过连续表面变形镜的反射，进入基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，经过第一半透半反镜将波面分为两束，其中一束作为待探测波前信息源经半透半反镜反射后再经全反射镜反射经光衰减器衰减后，至第二半透半反镜处；同时透射过第一半透半反镜的光束经过针孔滤波器后产生了参考光束，该参考光束再经移相器的反射最后到达第二半透半反镜处，两束光波在第二半透半反镜处干涉条纹，分别成像于第一成像探测器和第二成像探测器上，此时相移器不产生相位差，第一成像探测器和第二成像探测器同时将采集到两幅干涉图像输出到工控机中，之后使相移器产生一个π/2的相位差，再将第一成像探测器和第二成像探测器采集的输出至工控机中，在两步移相后得到4幅移相干涉图，在工控机中作一次矩阵运算后即可得到波前信息，将其共轭后输出到连续表面变形镜中，进行闭环波前校正。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明采用基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，提升了波面探测的精度和空间分辨率。

(2)与传统的哈特曼波前传感器相比，自参考波前传感器成本较低，且可以将波前信息作为独立的点源输出，后续处理较为方便，与变形镜单元数目匹配使用时，控制算法较为容易。

(3)本发明的连续表面变形镜采用了PZT、PMN等材料制作，与液晶空间调制器相比，具有较快的响应速度，能量利用率较高，色散不大等特点，可以大大提高这种基于干涉波前探测器的自适应光学系统的波前校正性能，扩大了这种自适应光学系统的应用领域，并可以在大气探测时使用。

(4)光束先通过波前校正器后，反射进入基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，探测到的波前信息经过工控机对波前信息作一次波前解缠绕和共轭后输出控制量控制波前校正器进行闭环，可以大大提高这种基于干涉波前探测器的自适应光学系统的波前校正性能。

附图说明

图1为基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，像差波面进入系统后，首先经过连续表面变形镜10的反射，进入基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，经过第一半透半反镜1将波面分为两束，其中一束作为待探测波前信息源经半透半反镜1反射后再经全反射镜4反射经光衰减器5衰减后，至第二半透半反镜6处；同时透射过第一半透半反镜1的光束经过针孔滤波器2后产生了参考波面，该参考波前再经移相器3的反射最后到达第二半透半反镜6处，两束光波在第二半透半反镜6处干涉条纹，分别成像于第一CCD探测器7和第二CCD探测器8上。在实施过程中，第一步相移器不产生相位差，第一CCD探测器7和第二CCD探测器8同时将采集到两幅干涉图像输出到工控机9中，之后使相移器3产生一个π/2的相位差，再将第一CCD探测器7和第二CCD探测器8采集的输出至工控机9中，在两步移相后得到4幅移相干涉图，设入射波面为：

U_{b} (x, y) = A_{0} (x, y) e^{i φ_{b} (x, y)} - - - (1)

其中，A₀(x，y)为复振幅，_b(x，y)为入射波面相位，在理想情况下，经过参考光路后，波面变为平面波，如下：

U_r(x，y)＝A_r(x，y)e^iθ (2)

其中，θ为相移器产生的相差，这样当两束相干经过干涉系统后，光再次相遇时，就会产生干涉：

I_{1} (x, y) = A_{b}^{2} (x, y) + A_{r}^{2} (x, y) + 2 A_{b}^{2} (x, y) A_{r}^{2} (x, y) \cos (φ_{b} (x, y) + π - θ) - - - (3)

I_{2} (x, y) = A_{b}^{2} (x, y) + A_{r}^{2} (x, y) + {2 A}_{b}^{2} (x, y) A_{r}^{2} (x, y) \cos (φ_{b} (x, y) - θ) - - - (4)

其中，I₁(x，y)为第一CCD探测器7上探测的干涉光强，I₂(x，y)为第二CCD探测器8上探测的干涉光强，两路光波相位相差π是由于第一CCD探测器8探测光路中参考光路多经历一次反射当

θ = 0, \frac{π}{2}

时，

I_{2} (x, y; θ = 0) = A_{b}^{2} (x, y) + A_{r}^{2} (x, y) + 2 A_{b}^{2} (x, y) A_{r}^{2} (x, y) \cos (φ_{b} (x, y)) - - - (5)

I_{1} (x, y; θ = \frac{π}{2}) = A_{b}^{2} (x, y) + A_{r}^{2} (x, y) + {2 A}_{b}^{2} (x, y) A_{r}^{2} (x, y) \cos (φ_{b} (x, y) + \frac{π}{2}) - - - (6)

I_{1} (x, y; θ = 0) = A_{b}^{2} (x, y) + A_{r}^{2} (x, y) + {2 A}_{b}^{2} (x, y) A_{r}^{2} (x, y) \cos (φ_{b} (x, y) + π) - - - (7)

I_{2} (x, y; θ = \frac{π}{2}) = A_{b}^{2} (x, y) + A_{r}^{2} (x, y) + {2 A}_{b}^{2} (x, y) A_{r}^{2} (x, y) \cos (φ_{b} (x, y) + \frac{3 π}{2}) - - - (8)

得到四步移相光强，由此可以反演得到相位波前：

{\hat{φ}}_{b} (x, y) = \arctan (\frac{I_{2} (x, y; θ = \frac{π}{2}) - I_{1} (x, y; θ = \frac{π}{2})}{I_{2} (x, y; θ = 0) - I_{1} (x, y, θ = 0)}) - - - (9)

(9)式中

是由反三角函数arctanθ直接得到的波前信息，由于arctanθ∈(-π，π)需要对其进行解缠绕，设：unwrap()；为解缠绕函数，则：

相位解缠绕，可以采用最小二乘(差分)法，求解一个满足Neumann边界条件的Poisson方程，有多种求解方法，DCT变换，FFT快速傅立叶变换等。

在工控机中首先计算好复原矩阵p^-1，探测后的波面矩阵输入到工控机9中与复原矩阵相乘进行解缠绕，得到的复原后的波面矩阵输出到连续表面变形镜10，进行闭环波前校正。

Claims

1、基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：由波前校正器，基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器和工控机组成，光束首先通过波前校正器后，反射进入基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器探测到的波前信息经过工控机一次矩阵运算后直接输出控制电压到波前校正器进行闭环。

2、根据权利要求1所述的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：所述的波前校正器采用具有较快响应速度的独立单元的连续表面变形镜构成。

3、根据权利要求1所述的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器中，将其中一路光进行针孔滤波，滤波后的光束作为参考光束；另一路光路基本不变，作衰减后与参考光束进行干涉，得到了两幅干涉图像，同时采用两个CCD采集，并同步输出到工控机中。

4、根据权利要求1所述的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前探测器中，可以在参考光路中加入移相器，方便得到多幅干涉图像进行多次探测。

5、根据权利要求2所述的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：所述的连续表面变形镜的单元排列与单元数目与基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器中的两个CCD探测器中探测像素排列相匹配，得到的波前信息作一次波前解缠绕和共轭后就可以直接控制变形镜中与CCD像素相对应的驱动单元。

6、根据权利要求2或5所述的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：所述的连续表面变形镜采用PZT、或PMN材料制成。

7、基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：由连续表面变形镜、基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器和工控机组成，其中基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器包括：第一半透半反镜、针孔滤波器、全反射镜、光衰减器、移相器、第一成像探测器和第二成像探测器，像差波面进入系统后，首先经过连续表面变形镜的反射，进入基于Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器，经过第一半透半反镜将波面分为两束，其中一束作为待探测波前信息源经半透半反镜反射后再经全反射镜反射经光衰减器衰减后，至第二半透半反镜处；同时透射过第一半透半反镜的光束经过针孔滤波器后产生了参考光束，该参考光束再经移相器的反射最后到达第二半透半反镜处，两束光波在第二半透半反镜处干涉条纹，分别成像于第一成像探测器和第二成像探测器上，此时相移器不产生相位差，第一成像探测器和第二成像探测器同时将采集到两幅干涉图像输出到工控机中，之后使相移器产生一个π/2的相位差，再将第一成像探测器和第二成像探测器采集的输出至工控机中，在两步移相后得到4幅移相干涉图，在工控机中作一次矩阵运算后即可得到波前信息，将其共轭后输出到连续表面变形镜中，进行闭环波前校正。

8、根据权利要求7所述的基于自参考波前传感器和连续表面变形镜的自适应光学系统，其特征在于：所述的连续表面变形镜采用PZT、或PMN材料制成。