CN101344434B - 基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置 - Google Patents

Abstract

基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置，包括分光镜、标定变形镜、微透镜阵列、匹配透镜、四象限探测器阵列、波前处理机和波前控制器，其特征在于：首先利用标定变形镜改变四象限探测器光敏面处光斑的位置，让光斑质心与四象限探测器的中心重合，从而消除系统误差；然后保持标定变形镜的面型不变，校正回路闭环校正待校正波前。本发明采用标定变形镜改变光斑的位置，让光斑质心与四象限探测器的中心重合，消除了由于系统误差带来的采样误差；并且结构简单、工作状态稳定，工艺容易实现；与现有的技术相比，还可以减少计算量，为高精度、高帧频地校正弱目标波前信号提供了条件。

Description

基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置

技术领域

本发明涉及一种哈特曼波前传感器的标定装置，特别是基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置。

背景技术

哈特曼波前传感器由于其结构简单、原理直白而在现代的自适应光学中用于实时检测被观察波前的畸变量。它是由微透镜和光电传感器组成的一种以波前斜率测量为基础的波前测量仪器。能够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。为了高精度的探测波前相位，对哈特曼传感器自身的像差标定就显得更加重要，一般的标定方法均是利用一个标准的平面波入射到哈特曼系统中后，在光电传感器上纪录下各个子孔径对应光斑的质心位置，在进行斜率计算时以此质心位置为基准。

由于工艺的原因，四象限传感器的中心与没有畸变时波前产生光斑的质心不是严格重合的。而采用四象限探测器作为光斑的位置探测时，对光斑采样的离散化达到了极限(2×2)，所以受到采样误差的影响，四象限探测器的输出值与光斑的高斯宽度相关，如图4所示，所以当四象限探测器的输出值相同时，不同大小的光斑质心所处的位置相差很大，如图5所示。在实际应用中，哈特曼波前传感器焦面上光斑的大小会随着大气相干长度的变化而变化，而大气的相干长度是一个随机数。如果不能减少基于四象限探测器的哈特曼波前传感器在无波前畸变时的采样误差，在实际应用中就会因为无法为波前控制器提供准确的波前畸变方向而导致自适应光学系统闭环失败，如图6所示。

由于有了上述问题的存在，如何降低基于四象限探测器的哈特曼波前传感器在无波前畸变时的采样误差，并能高灵敏度的提供波前畸变方向信息，使自适应光学系统能够在光斑大小随机变化的情况下稳定地校正波前畸变，就成了一个很重要的研究课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统基于四象限探测器的哈特曼波前传感器由于系统误差带来的采样误差影响而无法在光斑随机变化时准确提供波前畸变方向的缺点，提出在该哈特曼波前传感器前加一个标定变形镜，利用标定变形镜改变光斑的位置，使标定平面波形成的光斑质心与四象限探测器的中心重合，从而消除系统误差。为自适应光学系统能够在光斑大小随机变化的情况下稳定地校正波前畸变提供了核心的解决方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置，包括分光镜、微透镜阵列、匹配透镜、四象限探测器阵列、波前处理机和波前控制器，其特征在于：在装置中引入一个标定变形镜；分光镜、标定变形镜、微透镜阵列、匹配透镜、四象限探测器阵列、波前处理机和波前控制器构成装置的标定回路，首先标定平面波经过分光镜的反射后入射到标定变形镜上，再反射进入哈特曼波前传感器中，标定回路闭环校正哈特曼波前传感器的系统误差，使微透镜阵列上的每个微透镜的光斑质心同与它对应的四象限探测器中心相重合；分光镜、标定变形镜、微透镜阵列、匹配透镜、四象限探测器阵列、波前处理机、波前控制器和校正变形镜构成装置的校正回路，标定完成后，保持标定变形镜的面型不变，校正回路闭环校正待校正波前；哈特曼波前传感器包括微透镜阵列、匹配透镜、四象限探测器阵列、波前处理机；所述的标定变形镜的控制是依据输入标定平面波时标定变形镜的反射波前透过微透镜阵列和匹配透镜后在四象限探测器阵列处形成光斑的质心与四象限探测器阵列上的四象限探测器中心的偏离量，利用波前控制器对偏离量处理后调整标定变形镜的面型以改变其反射波前，完成标定后反射波前透过微透镜阵列和匹配透镜后在四象限探测器阵列处形成光斑的质心与四象限探测器的中心相重合，此时四象限探测器的四个象限的输出的电压值相等。

所述的闭环校正待校正波前是保持标定变形镜在标定回路闭环完成标定后的面型，当待校正波前为非平面波时，四象限探测器的四个象限输出不相等，波前处理机利用该输出量动态地计算出各光斑质心的偏离量，波前控制器对偏离量处理调整校正变形镜上的面型，校正变形镜可以动态地将待校正波前校正成为平面波，从而达到自适应光学动态校正畸变波前的目的。

所述的利用四象限探测器的输出计算光斑质心的公式为： $X_c=\frac{(O_1+O_4)-(O_2+O_3)}{O_1+O_2+O_3+O_4},$ $Y_c=\frac{(O_1+O_2)-(O_3+O_4)}{O_1+O_2+O_3+O_4},$ 其中：O₁、O₂、O₃、O₄分别是四象限探测器第I、II、III、IV象限的输出。

所述的标定变形镜在加电压后，平面波照射在标定变形镜上的反射波前Φ_r在微透镜阵列的第i行第j列处子孔径范围内x，y方向上满足 $\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy}=E_{\mathrm{xij}},$ $\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}=E_{\mathrm{yij}},$ 其中：E_xij、E_yij分别是四象限探测器阵列上的第i排第j列的四象限探测器在x，y方向上的未对准误差。

本发明的原理是：采样误差是由于四象限探测器对光斑的离散采样造成的，但是当不同高斯宽度的光斑的质心与四象限探测器的中心重合后，四象限探测器输出的光斑质心位置恒为0，没有采样误差。所以在基于四象限探测器阵列的哈特曼传感器中，当输入波前为平面波时，调整每个光斑的质心与其对应的四象限探测器的中心重合，该哈特曼波前传感器就可以实现在无波前畸变时的输出为0、在波前发生畸变时的输出极性反应波前畸变的方向。如果保持光斑位置不变，控制四象限探测器阵列中每一个四象限探测器移动使其中心与光斑质心对准，需要控制每一个四象限探测器在2维的方向上移动，在目前的条件下，这样的系统是非常复杂和昂贵的，所以采取保持四象限探测器的位置不变，使用标定变形镜产生一个特殊的面型，当平面波在其表面反射波前被微透镜阵列分割后，形成的每个光斑的质心能在x，y方向上产生特定位移来与对应的四象限探测器的中心对准。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明解决了当采用基于四象限探测器阵列的哈特曼波前传感器时，由于工艺的原因，四象限探测器阵列与微透镜阵列无法严格对准，系统会因为采样误差而无法完成闭环的问题；

2、本发明中基于四象限探测器阵列的哈特曼波前传感器在完成标定后的输出是绝对的波前畸变方向，减少传统标定方法中需要将待校正波前的光斑质心位置与标定波前的光斑质心位置相减才能输出待校正波前的光斑在x、y方向上的位移这一步骤，缩短了系统的计算时间，提高了系统的校正频率；

3、本发明在原理上与传统技术完全一致，因此用于自适应光学系统时，除需要加装一变形镜外，不需要额外的改造技术成本，方便实用。

附图说明

图1为基于四象限探测器的哈特曼传感器标定阶段装置示意图；

图2为基于四象限探测器的哈特曼传感器闭环校正波前装置示意图；

图3为基于四象限探测器的哈特曼传感器常规标定装置示意图；

图4为不同高斯宽度的光斑在不同位置的输出值示意图；

图5为当四象限探测器的输出值相同时，不同高斯宽度的光斑的质心所处的位置示意图，x是四象限探测器的输出值，横轴是光斑的高斯宽度，纵轴是光斑的实际位置；

图6为传统方法标定后输出值的误差示意图，标定时光斑的高斯宽度是0.3mm；

图7为标定前(左)和标定后(右)的四象限探测器阵列的输出电压信号示意图。

图中：1：分光镜，2：标定变形镜，3：微透镜阵列，4：匹配透镜，5：四象限探测器阵列，6：波前处理机，7：波前控制器，8：校正变形镜，9：微透镜，10：四象限探测器，11：标定回路，12：校正回路，13：标定平面波，14：标定变形镜的反射波前，15：哈特曼波前传感器，16：光斑，17：待校正波前，18：校正后的波前，19：全反射镜。

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。

本实施例的基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置，包含有：分光镜1、微透镜阵列3、匹配透镜4、四象限探测器阵列5、波前处理机6，波前控制器7和校正变形镜8；并在如图3所示的现有的基于四象限探测器的哈特曼传感器常规标定装置中去掉全反射镜19，引入一个标定变形镜2，其装置如图1所示；本发明装置共形成两个回路，即标定回路11和校正回路12；标定回路11包括：分光镜1、标定变形镜2、微透镜阵列3、匹配透镜4、四象限探测器阵列5、波前处理机6和波前控制器7；校正回路12包括：分光镜1、标定变形镜2、微透镜阵列3、匹配透镜4、四象限探测器阵列5、波前处理机6、波前控制器7和校正变形镜8。

(1)、标定阶段：

由于工艺的原因，四象限探测器阵列5上的四象限探测器10的中心与微透镜阵列3上的微透镜9的中心并不是严格重合，所以当标定平面波13经过分光镜1的反射后入射到标定变形镜2上，再反射通过微透镜9和匹配透镜4形成的光斑16的质心同与它对应的四象限探测器10的中心不能重合，受到采样误差的影响，四象限探测器10输出的光斑16质心坐标值与光斑16的高斯宽度有关，如图4所示。所以四象限探测器10的输出的光斑16质心坐标值相同时，不同高斯宽度的光斑16的质心所处的位置相差很大，如图5所示。在实际应用中，由于大气湍流对光斑16高斯宽度的影响，光斑16高斯宽度会随机变化，自适应光学系统无法闭环校正待校正波前17，如图6所示。所以需要通过标定回路11闭环校正哈特曼波前传感器15的系统误差，使输入为平面波时，每个光斑16质心同与它对应的四象限探测器10中心相重合。

当输入标定平面波13时，四象限探测器阵列5的第i排第j列的四象限探测器10在x，y方向上的偏离量Ex_ij，Ey_ij的计算公式为：

${\mathrm{Ex}}_{\mathrm{ij}}=-\frac{(O_{1\mathrm{ij}}+O_{4\mathrm{ij}})-(O_{2\mathrm{ij}}+O_{3\mathrm{ij}})}{O_{1\mathrm{ij}}+O_{2\mathrm{ij}}+O_{3\mathrm{ij}}{+O}_{4\mathrm{ij}}}$ (1)

${\mathrm{Ey}}_{\mathrm{ij}}=-\frac{(O_{1\mathrm{ij}}+O_{2\mathrm{ij}})-(O_{3\mathrm{ij}}+O_{4\mathrm{ij}})}{O_{1\mathrm{ij}}+O_{2\mathrm{ij}}+O_{3\mathrm{ij}}{+O}_{4\mathrm{ij}}}$

其中：O_1ij、O_2ij、O_3ij、O_4ij分别是四象限探测器阵列5的第i排第j列四象限探测器10的第I、II、III、IV象限的输出。

利用波前控制器7对偏离量处理后调整标定变形镜2的面型以改变其反射波前14在四象限探测器阵列5处光斑16的位置，标定变形镜2的反射波前14Φ_r(x，y)在该子孔径处必须满足下式：

$\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy}=E_{\mathrm{xij}}$              (2)

$\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}=E_{\mathrm{yij}}$

标定前的四象限探测器阵列的输出电压信号示意图如图7左边的图所示；完成标定后光斑16的质心同与它对应的四象限探测器10中心相重合，四象限探测器10的四个象限输出的电压值相等，标定后的四象限探测器阵列的输出电压信号示意图如图7右边的图所示；由于当光斑16的质心与四象限探测器10的中心重合后，其输出值始终为0，不会随着光斑16高斯宽度的改变而改变，如图4交点位置所示，此时采样误差为0。

(2)、校正阶段：

当闭环标定完成后，接着进行闭环校正，本实施例的基于四象限探测器的哈特曼传感器闭环校正波前装置示意图如图2所示；保持标定变形镜2的面型不变，校正回路12闭环校正待校正波前17。在天文自适应光学系统中，校正回路12工作在积分方式时，如果波前处理机6的输出信号能让波前控制器7发出一个与校正方向相同极性的电压给校正变形镜8以改变其面型，由校正变形镜8反射的校正波前18的畸变会逐渐减小并最终消除。所以对于这种自适应光学系统来说，波前处理机6能够准确判断待校正波前17畸变的方向是系统能够实现闭环的充分条件。

当待校正波面117为Φ时，到达微透镜阵列3处的波面为Φ+Φ_r，Φ+Φ_r通过第i排第j列的微透镜9和匹配透镜4后在四象限探测器10处光斑16质心位置X_ij，Y_ij为：

$X_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂[\mathrm{\Φ}(x,y)+{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)]}{\∂x}\mathrm{dxdy}$

$=\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}[\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂\mathrm{\Φ}(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy}+\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy}]=E_{\mathrm{xij}}+x_{\mathrm{ij}}$ (3)

$Y_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂[\mathrm{\Φ}(x,y)+{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)]}{\∂y}\mathrm{dxdy}$

$=\frac{\mathrm{\λf}}{2\mathrm{\πS}}[\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂\mathrm{\Φ}(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}+\underset{S}{\∫}\∫\frac{\∂{\mathrm{\Φ}}_r(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}]=E_{\mathrm{yij}}+y_{\mathrm{ij}}$

由于第i排第j列的四象限探测器在x，y方向上有E_xij，E_yij的未对准误差，所以四象限探测器10实际输出到波前处理机6处光斑16的质心坐标为(x_ij，y_ij)，(x_ij，y_ij)正是待校正波前17引起的，波前控制器7对偏离量(x_ij，y_ij)处理调整波前校正变形镜8上的电压，校正变形镜8可以动态地改变其面型将待校正波前17校正成为平面波18，从而达到自适应光学动态校正畸变波前的目的。

综上所述，在无波前畸变时，采用标定变形镜2使光斑16质心与四象限探测器10的中心重合，消除了由系统误差引起的采样误差；当有波前畸变时，四象限探测器10输出的是绝对的波前畸变量，可以减少波前处理机6的计算量。本发明为高精度、高帧频地校正目标波前信号提供了核心的解决方案。

Claims (3)

1.基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置，包括分光镜(1)、微透镜阵列(3)、匹配透镜(4)、四象限探测器阵列(5)、波前处理机(6)和波前控制器(7)，其特征在于：在装置中引入一个标定变形镜(2)；分光镜(1)、标定变形镜(2)、微透镜阵列(3)、匹配透镜(4)、四象限探测器阵列(5)、波前处理机(6)和波前控制器(7)构成装置的标定回路(11)，首先标定平面波(13)经过分光镜(1)的反射后入射到标定变形镜(2)上，再反射进入哈特曼波前传感器(15)中，标定回路(11)闭环校正哈特曼波前传感器(15)的系统误差，使微透镜阵列(3)上的每个微透镜(9)的光斑(16)质心同与它对应的四象限探测器(10)中心相重合；分光镜(1)、标定变形镜(2)、微透镜阵列(3)、匹配透镜(4)、四象限探测器阵列(5)、波前处理机(6)、波前控制器(7)和校正变形镜(8)构成装置的校正回路(12)，标定完成后，保持标定变形镜(2)的面型不变，校正回路(12)闭环校正待校正波前(17)；哈特曼波前传感器(15)包括微透镜阵列(3)、匹配透镜(4)、四象限探测器阵列(5)、波前处理机(6)；所述的标定变形镜(2)的控制是依据输入标定平面波(13)时标定变形镜(2)的反射波前(14)透过微透镜阵列(3)和匹配透镜(4)后在四象限探测器阵列(5)处形成光斑(16)的质心与四象限探测器阵列(5)上的四象限探测器(10)中心的偏离量，利用波前控制器(7)对偏离量处理后调整标定变形镜(2)的面型以改变其反射波前(14)，完成标定后反射波前(14)透过微透镜阵列(3)和匹配透镜(4)后在四象限探测器阵列(5)处形成光斑(16)的质心与四象限探测器(10)的中心相重合，此时四象限探测器(10)的四个象限的输出的电压值相等。

2.根据权利要求1所述的基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置，其特征在于：所述的闭环校正待校正波前(17)是保持标定变形镜(2)在标定回路(11)闭环完成标定后的面型，当待校正波前(17)为非平面波时，四象限探测器(10)的四个象限输出不相等，波前处理机(6)利用该输出量动态地计算出各光斑(16)质心的偏离量，波前控制器(7)对偏离量处理调整校正变形镜(8)上的面型，校正变形镜(8)可以动态地将待校正波前(17)校正成为平面波(18)，从而达到自适应光学动态校正畸变波前的目的。

3.根据权利要求1或2所述的基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置，其特征在于：利用四象限探测器(10)的输出计算光斑(16)质心的公式为：

其中：O₁、O₂、O₃、O₄分别是四象限探测器(10)第I、II、III、IV象限的输出。

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