CN101285712B - 基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器 - Google Patents

Abstract

基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，衍射成像光学系统固定在轴向平移台上，微透镜阵列固定在垂直升降台上，置于衍射成像光学系统后离焦面上；光学匹配放大系统置于微透镜阵列后离焦面，分立光强测量器件组置于光学匹配放大系统后并分别固定在两轴向平移台上，上述光学装置放置在底座上；平行光源通过衍射成像光学系统得到无像差时的远场光斑图像，再通过微透镜阵列得到分立子光束，再经过光学匹配放大系统耦合到对应的分立光强测量器件组并被其采集数据，再利用A/D卡将相应的数据采集到PC计算机中进行数据处理；本发明波前传感器使用分立光强测量器件进行远场图像数据的采集，具有更高的光强灵敏度，并且这种器件易于获得，适用性广。

Description

基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的传感器，尤其涉及一种基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器。

背景技术

在自适应光学、光学检测、光束诊断等应用领域，需要测量光束的波前。尤其是在自适应光学系统中，需要快速测量波前信息，用于波前的实时控制。波前传感器通常通过实时连续测定入瞳面上动态入射波前的相位畸变，为波前校正器实时提供控制信号，使光学系统达到接近衍射受限的像质水平。目前发展了许多种测量波前的波前传感器，如动态交变剪切干涉波前传感器、哈特曼波前传感器、相位反演波前传感器和曲率波前传感器等。

动态交变剪切干涉波前传感器于1976年首次在自适应光学系统中成功地应用于大气补偿成像，我国北京天文台的2.16米望远镜上的自适应光学系统也采用了这种技术。它的基本原理是利用旋转光栅衍射效应产生的波前横向剪切干涉测量波前的相位分布；但这种传感器光能利用率低，无法在脉冲信号下工作，稳定性差。

哈特曼波前传感器是目前应用最广的波前传感器；现有的哈特曼波前传感器通常采用微透镜阵列-CCD探测器结构；1995年7月20日出版的《应用光学》34卷21期第4186页的“哈特曼和剪切干涉波前传感器的基本性能比较”(“Fundamental performance comparison of aHartmann and a shearing inteferometer wave-front sensor”4186 APPLIED OPTICS/Vol 34No 21 20 July 1995)一文公开的一种哈特曼波前传感器，由微透镜阵列和CCD探测器构成，微透镜阵列和CCD探测器由机械结构耦合于一体。它的基本原理是用微透镜阵列等孔径分割元件把入射孔径分割为若干小子孔径，利用二维阵列光电探测器(如面阵CCD相机)等测量各个子孔径上远场光斑的质心漂移量，得到波前斜率，然后用各种复原算法得到整孔径上的波前相位。虽然哈特曼波前传感器的工程化程度高，实时性好，但其子孔径分割造成光能利用率低，严重限制了其在暗弱信标条件下的应用。

相位反演波前传感器和曲率波前传感器都是基于成像的波前传感器；R.A.Gonsalves等在1979年提出一种相位反演波前传感器，该传感器需要同时记录一幅焦面上的光束远场图像和一幅离焦的图像，并这样连续记录多帧图像，利用多帧图像之间的差异，通过迭代的方法计算出光束波前。最早由F.Roddier提出的曲率波前传感器与上述的相位反演波前传感器不同，它利用焦点前后等距的两个离焦面上的远场图像与光束波前曲率间的关系，通过特定的方法计算出光束曲率，波前曲率是波前相位的二阶导数，根据波前曲率可以用特定的方法复原出波前相位。这两种波前传感器都利用了至少两幅图像，需要对入射光束分光后分别成像和探测。在天文自适应光学等应用领域，星体目标的入射光能量非常微弱，任何分光都将减少光能利用率，而且如果分光后的两个成像系统间存在差异(例如两个成像系统的性能不一致)，又会对波前探测结果带来附加误差。

李新阳等在中国专利申请号“200610089149.7”中提供了一种基于线性相位反演的波前测量方法，该方法仅仅根据单幅远场图像利用线性相位反演技术测量出入射光束波前。其基本理论推导如下：考虑一个典型的成像光学系统，入射光场经过聚焦镜头在远场焦平面上成像。φ(x，y)是入射孔径上的相位分布，I(u，v)是成像光学系统焦面上的光强分布，S(x，y)是成像系统的像差，通常是离焦、像散等类型。事先用一个理想无像差的参考光源对成像系统进行定标，得到仅存在S(x，y)时的远场强度分布I₀(u，v)作为定标图像。然后用同样的光学系统测量存在像差φ(x，y)时的远场强度分布I₁(u，v)。该方法已证明，远场焦面上的光强变化量ΔI(u，v)＝I₁(u，v)-I₀(u，v)与入射相位分布φ(x，y)间存在线性关系。

这种线性关系可以用矩阵形式表示为：

ΔI＝H·Φ(1)

式中的H是(N²×M²)的线性矩阵。ΔI是ΔI(u，v)展开后的向量，Φ是φ(x，y)展开后的矩阵向量。当入射孔径和焦平面的对应关系确定后，H矩阵的元素可以根据成像系统的波长、焦距、CCD的象素大小、视场大小等参数事先确定。

波前畸变可以用一系列波前模式的线性叠加表示：

$\mathrm{\φ}(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^P{a}_i{M}_i(x,y)---\left(2\right)$

其中a_i为模式系数，M_i(x，y)为波前模式，如常用的泽尼克(Zemike)多项式等，P是模式阶数。波前相位分布的变化量与入射像差的各阶波前模式系数a_i间存在线性关系：

$\mathrm{\φ}(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^P{a}_i{M}_i(x,y)---\left(3\right)$

上式可以用矩阵形式表示为：

Φ＝D·a    (4)

其中模式系数变化量a为(P×1)维的向量，D为(M²×P)的长方矩阵。根据(1)式，易得各阶波前模式系数的变化量与焦平面上光强分布变化量间也存在线性关系：

ΔI＝HD·a＝Z·a    (5)

其中Z＝HD为(N²×P)的长方矩阵。那么从光强分布变化量反演计算波前模式系数变化量的过程为：

a＝R⁺·ΔI    (6)

其中R＝Z⁺是长方矩阵Z的伪逆矩阵，该专利中称为模式复原矩阵，通过奇异值分解的方法得到。

但该专利中只是提出了这种算法，没有提出具体的波前传感器结构，并将其运用到实际的波前探测中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，在申请号为“200610089149.7”的中国专利的基础上，提供一种基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，该传感器仅仅根据单幅远场图像利用线性相位反演技术测量出入射光束波前，光能利用率高，分立光强测量器件的灵敏度高，适合于微光探测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，包括衍射成像光学系统、微透镜阵列、光学匹配放大系统、分立光强测量器件组、A/D卡、PC计算机、第一轴向平移台、第二轴向平移台、第三轴向平移台、底座和垂直升降台；其特征在于：衍射成像光学系统固定在第一轴向平移台上，可进行轴向平移调整；微透镜阵列固定在垂直升降台上，可进行上下平移调整，并置于衍射成像光学系统的后离焦面上；光学匹配放大系统置于微透镜阵列的后离焦面，并固定在第二轴向平移台上，可进行轴向平移调整；分立光强测量器件组，置于光学匹配放大系统之后，并固定在第三轴向平移台上，可进行轴向平移调整，将第一轴向平移台(7)、垂直升降台(11)、第二轴向平移台(8)和第三轴向平移台(9)放置在底座上；平行光源出射平行光，通过衍射成像光学系统得到无像差时的远场光斑图像，再通过微透镜阵列得到分立子光束，分立子光束通过光学匹配放大系统耦合到对应的分立光强测量器件组，分立光强测量器件组采集到数据，再利用A/D卡将相应的数据采集到PC计算机中进行数据处理，所述微透镜阵列的孔径和总入射光束口径相匹配，使光束发散开。

所述微透镜阵列的阵列数为N×N，在微透镜阵列的焦面上形成N×N个分离子光点。

所述光学匹配放大系统置于微透镜阵列的后离焦面上，使放置在该位置的光学匹配放大系统与总入射光束口径相匹配，通过光学匹配放大系统的NxN束子光束，被放大并耦合到对应的分立光强测量器件组。

所述分立光强测量器件组由NxN个分立光强测量器件组成，N×N个探测器的光敏面在同一平面上。

所述成像波前反演传感器的系统像差为实偶函数像差，通过自由调整微透镜阵列的位置或衍射成像光学系统的位置改变离焦像差的大小，或者加入像差为实偶函数的像差板进行自由设置。

所述传感器使用前，先用无像差理想平行光源定标传感器的系统像差，并记录下定标时的系统像差图像。

所述衍射成像光学系统和光学匹配放大系统为单透镜或透镜组。

传感器使用前，先用无像差理想平行光源定标传感器的系统像差；理想的无像差光束通过衍射成像光学系统得到无波前像差时的远场光斑图像，再通过微透镜阵列得到N×N束分立子光束，分立子光束通过光学匹配放大系统耦合到对应的分立光强测量器件组，分立光强测量器件组采集到数据，再利用A/D卡将相应的数据采集到PC计算机中进行数据处理，并将此作为定标基准图像；对成像系统像差标定之后，成像系统不再改变；然后对包含待测畸变波前的入射光束进行测量。同样利用平行光源、衍射成像光学系统、微透镜阵列、光学匹配放大系统、分立光强测量器件组得到放大的分割的畸变波前条件下的远场光斑图像。利用A/D卡将数据采集到PC计算机中进行数据处理；通过PC计算机对上述两幅图像进行计算，利用中国专利申请号“200610089149.7”中提供的一种基于线性相位反演的波前测量方法，计算出波前畸变。

本发明的原理：基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器是一种根据入射全孔径远场光斑强度分布直接反演出入射波前相位的新型传感器；它只需实时测量一幅远场光斑图像数据，根据远场光斑图像光强分布的微小变化量与入射孔径面上的相位分布的微小变化量之间存在的近似线性关系，就可以用模式复原的原理复原出入射波前相位；它要求光学系统自身的像差主要为实偶函数像差且其值大于波前畸变像差。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明的波前传感器光能利用率高；本发明的波前传感器仅仅需要测量畸变波前对应的单幅远场图像即可完成波前过程，不需要对入射光束进行全口径分光(如曲率波前传感器)或子孔径分光(如哈特曼波前传感器)；分立光强测量器件组相当于将多个象素进行合并后的面阵靶面，降低了对入射光能量的要求，这对星体目标天文观测的自适应光学等入射光强非常微弱的应用领域特别有用，可以节省宝贵的入射光能量；

(2)本发明的波前传感器实用性强；本发明的波前传感器的基准图像和复原矩阵的定标过程，消除了波前传感器成像光学系统自身像差的影响；线性运算特别适合用现代的DSP(数字信号处理)技术实时快速完成；相对其他波前测量技术的迭代计算过程，本发明的计算量小，因而计算速度快；

(3)本发明的波前传感器使用分立光强测量器件进行远场图像数据的采集，具有更高的光强灵敏度，并且这种器件易于获得，适用性广。

附图说明

图1为基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包含权利要求书中的全部内容。而且本领域的技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

如图1所示，本实施例的基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器包括衍射成像光学系统1、微透镜阵列2、光学匹配放大系统3、分立光强测量器件组4、A/D卡5、PC计算机6、第一轴向平移台7、第二轴向平移台8、第三轴向平移台9、底座10和垂直升降台11。

衍射成像光学系统1用于对入射光束成像，固定在第一轴向平移台7上，可进行第一轴向平移调整。微透镜阵列2固定在垂直升降台11上，可进行上下平移调整，并置于衍射成像光学系统1的后离焦面上，微透镜阵列2的孔径和总入射光束口径相匹配，使光束发散开，微透镜阵列2的阵列数为N×N，在微透镜阵列2的焦面上形成N×N个分离子光点。光学匹配放大系统3置于微透镜阵列2的后离焦面上，并固定在第二轴向平移台8上，可进行第二轴向平移调整，这里选择衍射成像光学系统1和光学匹配放大系统3为均为单透镜，使放置在该位置的光学匹配放大系统3与总入射光束口径相匹配，通过光学匹配放大系统3的N×N束子光束，被放大并耦合到对应的分立光强测量器件组4。分立光强测量器件组4由N×N个分立光强测量器件组成探测阵列，N×N个探测器的光敏面在同一平面上，其中每个分立光强测量器件相当于面阵CCD相机的一个象素，分立光强测量器件组4置于光学匹配放大系统3之后，整个阵列固定在第三轴向平移台9上，可进行第三轴向平移调整。装调时，分别对衍射成像光学系统1、微透镜阵列2、光学匹配放大系统3和分立光强测量器件组4(N×N)进行准直调整；然后平行光源平行入射，微透镜阵列2置于衍射成像光学系统1的后离焦面上，并使成像光斑刚好充满微透镜阵列2，轴向平移光学匹配放大系统3，使通过微透镜阵列2的光束口径和光学匹配放大系统3的入瞳相匹配，再轴向调整分立光强测量器件组4，使被放大的N×N束光束能量分别由N×N个分立光强测量器件接收。整个装调过程完成。

基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器使用前，先用无像差理想平行光源对传感器系统自身像差定标。理想的无像差光束通过衍射成像光学系统1得到无像差时的远场光斑图像，再通过微透镜阵列2得到N×N束分立子光束，分立子光束通过光学匹配放大系统3耦合到对应的分立光强测量器件组4；然后利用A/D卡5将数据采集到PC计算机6中进行数据处理，并将此作为定标基准图像。

当基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器开始工作时，包含待测畸变波前的入射光束通过衍射成像光学系统1得到远场光斑图像，这幅图像包含了系统自身像差和畸变波前像差共同产生的相位信息。再通过微透镜阵列2得到N×N束分立子光束，分立子光束通过光学匹配放大系统3耦合到对应的分立光强测量器件4；然后利用A/D卡5将数据采集到PC计算机6中进行数据处理，采用中国专利申请号“200610089149.7”中提供的一种基于线性相位反演的波前测量方法，探测全孔径的畸变波前信息。

本发明的具体测量和计算过程如下：

(1)传感器使用前，根据光源波长、传感器的焦距、微透镜阵列的微透镜数等已知参数，求得事先定标得到的传感器的远场光强相对变化值ΔI与入射波前中各项泽尼克系数相对变化值Δa间对应关系的响应矩阵D，然后对响应矩阵D求逆得到复原矩阵R，在测量响应矩阵D的过程中，一般采用更加准确的双极法。

(2)传感器使用前还需要用一个理想的参考平行光源对传感器的自身像差、分立光强测量器件组4和光电响应灵敏度、A/D卡5的转换特性等参数进行标定，得到参考平面波光源的图像，按照事先的约定展开为列向量，并记为I₀；定标完后将参考光源移开；利用同样的衍射成像光学系统1、分立光强测量器件组4、A/D卡5等记录下待测量畸变波前对应的远场图像的两维光强分布，同样按照事先的约定展开为列向量，并记为I。

(3)求出存在像差前后远场图像光强分布的相对变化，记为列向量ΔI＝I-I₀(或者ΔI＝I₀-I也可，根据事先约定)。

(4)根据关系Δa＝RΔI，利用向量矩阵乘法的线性运算得到Δa；因为理想平面波对应的泽尼克系数a₀＝0，所以这就是待测波前畸变中包含的各项泽尼克系数a＝Δa，通常得到泽尼克系数即认为测量出了波前畸变。因为根据复原出的各项泽尼克系数及各阶泽尼克多项式的定义，可以很方便地得到待测量波前畸变的具体值。

在得到泽尼克响应矩阵过程中，基于分立光强测量器件的线性相位波前传感器成像系统自身的像差非常重要；任何一个传感器系统都有一个固有像差，并且需要事先标定。线性相位波前传感器的自身像差可以自由设置，例如可以通过自由调整微透镜阵列2的位置或衍射成像光学系统1的位置改变离焦像差的大小，传感器自身像差的大小和形式对复原矩阵和波前反演传感器性能的影响很大，当传感器自身像差改变后，需要重新测量复原矩阵。

Claims (7)

1.基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，包括衍射成像光学系统(1)、微透镜阵列(2)、光学匹配放大系统(3)、分立光强测量器件组(4)、A/D卡(5)、PC计算机(6)、第一轴向平移台(7)、第二轴向平移台(8)、第三轴向平移台(9)、底座(10)和垂直升降台(11)；其特征在于：衍射成像光学系统(1)固定在第一轴向平移台(7)上，可进行轴向平移调整；微透镜阵列(2)固定在垂直升降台(11)上，可进行上下平移调整，并置于衍射成像光学系统(1)的后离焦面上；光学匹配放大系统(3)置于微透镜阵列(2)的后离焦面，并固定在第二轴向平移台(8)上，可进行轴向平移调整；分立光强测量器件组(4)，置于光学匹配放大系统(3)之后，并固定在第三轴向平移台(9)上，可进行轴向平移调整，将第一轴向平移台(7)、垂直升降台(11)、第二轴向平移台(8)和第三轴向平移台(9)放置在底座(10)上；平行光源出射平行光，通过衍射成像光学系统(1)得到无像差时的远场光斑图像，再通过微透镜阵列(2)得到分立子光束，分立子光束通过光学匹配放大系统(3)耦合到对应的分立光强测量器件组(4)，分立光强测量器件组(4)采集到数据，再利用A/D卡(5)将相应的数据采集到PC计算机(6)中进行数据处理；微透镜阵列(2)的孔径和总入射光束口径相匹配，使光束发散开。

2.根据权利要求1所述之基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，其特征在于：微透镜阵列(2)的阵列数为N×N，在微透镜阵列(2)的焦面上形成N×N个分离子光点。

3.根据权利要求1所述之基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，其特征在于：光学匹配放大系统(3)置于微透镜阵列(2)的后离焦面上，使放置在该位置的光学匹配放大系统(3)与总入射光束口径相匹配，通过光学匹配放大系统(3)的N×N束子光束，被放大并耦合到对应的分立光强测量器件组(4)。

4.根据权利要求1所述之基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，其特征在于：分立光强测量器件组(4)由N×N个分立光强测量器件组成，N×N个探测器的光敏面在同一平面上。

5.根据权利要求1所述之基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，其特征在于：成像波前反演传感器的系统像差为实偶函数像差，通过自由调整微透镜阵列(2)的位置或衍射成像光学系统(1)的位置改变离焦像差的大小，或者加入像差为实偶函数的像差板进行自由设置。

6.根据权利要求1所述之基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，其特征在于：传感器使用前，先用无像差理想平行光源定标传感器的系统像差，并记录下定标时的系统像差图像。

7.根据权利要求1所述之基于分立光强测量器件的线性相位反演波前传感器，其特征在于：衍射成像光学系统(1)和光学匹配放大系统(3)为单透镜或透镜组。

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