CN101738721A - 一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统 - Google Patents

Abstract

一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，包括变形反射镜、分光镜、哈特曼波前传感器、波前控制器、反馈回路、反射镜、成像透镜、成像CCD、计算机和显示器，其特征在于：在传统的自适应光学成像系统中加入了反卷积这一步骤，首先校正回路闭环校正光斑质心与最佳质心位置的偏移量，计算机记录变形反射镜反射波前的点扩散函数，然后校正回路闭环校正目标波前，最后计算机利用记录的点扩散函数对成像回路得到的目标的像进行反卷积计算以消除哈特曼波前传感器的系统误差，本发明可以消除哈特曼波前传感器的系统误差，提高自适应光学成像系统成像的清晰程度。

Description

一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统

技术领域

本发明涉及自适应光学成像系统，特别是一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统。

背景技术

自适应光学技术是自适应技术与光学结合以解决光学上的动态干扰问题而诞生的一个学科。其核心就是使光学系统具有自动适应环境变化，克服动态扰动，保持理想性能的能力。后来应用在广泛的场合里，例如高能激光器、高功率激光传输、大型天文望远镜等需要实时检测和补偿光束的波前畸变的光学系统中。目前，自适应光学技术已成为光学领域极其活跃的前沿研究方向之一。

传统的基于哈特曼波前传感器的自适应光学系统有三个基本组成部分：哈特曼波前传感器、波前控制器和波前校正器。哈特曼波前传感器探测光波波前的扰动信息；波前控制器对波前扰动信息进行处理并将其转化为波前校正器所需的控制信号，以实现自适应光学的闭环控制；波前校正器将波前控制器产生的控制信号转化为相位信息，加载到被校正的光波波前上。

其中，哈特曼波前传感器由微透镜阵列和高速CCD相机组成，当自适应光学系统用于大气湍流校正时，由于大气湍流变化速度快和变化范围大，所以哈特曼波前传感器必须需要具有高帧频和大动态范围的特点，受到高速CCD相机数据传输速度和波前处理机处理速度的限制，单个子孔径所占的像素数较少，为了满足大动态范围的特点，其光斑的高斯宽度也必须较小，所以离散采样误差对系统精度的影响非常大。

当系统稳定闭环工作时，由于自适应光学的系统的闭环带宽会大于大气湍流变化的带宽，所以探测光斑只能在标定位置附近做微小的移动。由于有离散采样误差的存在，哈特曼波前传感器的探测精度、波前畸变敏感度和动态范围都与标定时光斑质心的位置有关系。并且仅当光斑质心处于子孔径中心的四像素的中心时，哈特曼波前传感器才具有无采样误差、最大波前畸变敏感度和最大动态范围的优点(“自适应系统中哈特曼波前传感器光斑质心的最佳标定位置”，马晓燠，郑翰清，饶长辉，光电工程，36卷4期，第22页到26页，2009年4月)。

由于工艺的原因，微透镜阵列上的微透镜的中心与对应的CCD子孔径中心四像素的中心并不能严格重合，所以如何使系统工作状态达到最佳，即当系统闭环工作时，光斑的质心位置处于最佳位置，以达到消除哈特曼波前传感器系统误差，使自适应光学成像系统能够快速稳定地校正波前畸变，稳定地得到被探测目标的清晰图像，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是：克服现有技术的不足，提供一种当自适应光学系统闭环工作时，利用反卷积算法消除哈特曼波前传感器系统误差的自适应光学成像系统。

本发明的技术解决方案是：一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，包括变形反射镜、分光镜、哈特曼波前传感器、波前控制器、反馈回路、反射镜、成像透镜、成像CCD、计算机和显示器，其特征在于：变形反射镜、分光镜、哈特曼波前传感器、波前控制器和反馈回路构成校正回路；反射镜、成像透镜、成像CCD、计算机和显示器构成成像回路；系统工作分为闭环标定阶段、闭环校正阶段和反卷积处理三个阶段：

A、闭环标定阶段

标定平面波经变形反射镜的反射到达分光镜，分光镜将变形反射镜反射波前I的一部分能量反射进入哈特曼波前传感器中，变形反射镜反射波前I的剩余能量透过分光镜经反射镜反射后再经成像透镜汇聚到成像CCD上；其中，哈特曼波前传感器由微透镜阵列、高速CCD相机和波前运算器组成；进入到哈特曼波前传感器内的变形反射镜反射波前I经微透镜阵列分割并汇聚在高速CCD相机处形成光斑阵列，光斑阵列中单个光斑质心的最佳位置是高速CCD相机上与该光斑对应的子孔径中心的四像素中心，波前运算器利用高速CCD相机的输出信号计算出光斑阵列中每个光斑质心与最佳质心位置的偏移量并传输给波前控制器，波前控制器根据波前运算器输出的偏移量数据计算出需要加载到变形反射镜上的控制电压并通过反馈回路控制变形反射镜的反射面面型以改变变形反射镜反射波前I的形状，当光斑阵列中每个光斑的质心都处于最佳质心置时，计算机采集并存储此时变形反射镜反射波前I经成像透镜在成像CCD处的成像光斑。

B、闭环校正阶段

待校正波前经变形反射镜的反射到达分光镜，分光镜将变形反射镜反射波前II的一部分能量反射进入哈特曼波前传感器中，变形反射镜反射波前II的剩余能量透过分光镜经反射镜反射后再经成像透镜汇聚到成像CCD上；反射进入到哈特曼波前传感器内的变形反射镜反射波前II经微透镜阵列分割并汇聚在高速CCD相机处形成光斑阵列，系统闭环工作，波前运算器仍然利用高速CCD相机的输出信号计算出光斑阵列中每个光斑质心与最佳质心位置的偏移量并传输给波前控制器，波前控制器根据波前运算器输出的偏移量数据计算出需要加载到变形反射镜上的控制电压并通过反馈回路控制变形反射镜的反射面面型以改变变形反射镜反射波前II的形状，当光斑阵列中每个光斑的质心都处于最佳质心位置时，计算机记录此时变形反射镜反射波前II的远场光斑图像。

C、反卷积处理阶段

由于自适应光学成像系统在闭环工作时，系统的闭环带宽远大于待校正波前的畸变带宽，所以光斑阵列中每个光斑的质心仅在最佳质心位置附近抖动，因此在闭环标定完成后，计算机记录的成像光斑实际是当平行光输入时，受哈特曼波前传感器系统误差影响的点扩散函数；而在闭环校正完成后，计算机记录的远场光斑图像是受哈特曼波前传感器系统误差影响的被探测物体的像；根据成像定理，闭环校正完成后，计算机记录的远场光斑图像应该是实际被探测物体的像与系统的点扩散函数相卷积得到的模糊的像，所以计算机可以利用在闭环标定结束时记录的点扩散函数和反卷积算法来消除系统误差的影响，从而得到清晰的被探测物体的像；最后，计算机将该清晰的被探测物体的像传送到显示器处显示。

所述的反卷积算法步骤为：首先对闭环标定完成后计算机记录的成像光斑也即是受哈特曼波前传感器系统误差影响的自适应光学系统的点扩散函数进行傅里叶变换得到自适应光学系统点扩散函数的频谱H(m，n)；然后对闭环校正完成后计算机记录的远场光斑图像也即是实际被探测物体的像与自适应光学系统的点扩散函数相卷积得到的模糊的像进行傅里叶变换得到模糊光斑的频谱Y(m，n)；再利用H(m，n)和Y(m，n)计算实际被探测物体的像的傅里叶变换后的频谱X(m，n)，计算公式为X(m，n)＝Y(m，n)/H(m，n)；最后对X(m，n)进行反傅里叶变换得到实际被探测物体的像，其中m，n表示频域上两个垂直方向上的坐标值。

所述的成像CCD也可以是成像ICCD相机或者成像CMOS相机。

所述的高速CCD相机是指读出帧频高于500HZ的CCD相机，高速CCD相机也可以是高速ICCD相机、高速CMOS相机或光敏探测器阵列。

所述的变形反射镜为压电式变形反射镜，或电致伸缩式变形反射镜，或音圈电机驱动的变形反射镜。

本发明的原理是：哈特曼波前传感器的系统误差与光斑质心的位置有关，当光斑的质心处于子孔径中心的四像素中心(最佳位置)时，哈特曼波前传感器没有系统误差，所以可以利用变形反射镜产生一个特殊的面型，使其反射波前透过微透镜阵列形成的光斑阵列处于最佳位置，系统记录此时变形反射镜反射波前的远场光斑，该远场光斑即为变形反射镜反射波前的点扩散函数，然后，系统以光斑质心的最佳位置作为坐标原点闭环校正待校正波前，最后利用记录的远场光斑对待校正波前的成像光斑作反卷积处理以得到目标真实的图像。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明中，自适应光学系统闭环工作时，每个子孔径的光斑的质心仅在最佳位置附近抖动，在消除了哈特曼波前传感器的系统误差的同时提高了哈特曼波前传感器的波前畸变敏感度和动态范围；

(2)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，仅需要对计算机软件进行改造，不需要额外的硬件改造成本，方便实用。

附图说明

图1为本发明哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统标定阶段示意图；

图2为本发明哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统闭环工作阶段示意图；

图3为本发明的闭环标定前光斑位置示意图；

图4为本发明的闭环标定后光斑位置示意图；

图5a为反卷积前的成像图像、图5b为反卷积后的成像图像；

图中：1：变形反射镜，2：分光镜，3：哈特曼波前传感器，4：波前控制器，5：反馈回路，6：反射镜，7：成像透镜，8：成像CCD，9：计算机，10：显示器，11：微透镜阵列，12：高速CCD相机，13：波前运算器，14：标定平面波，15：变形反射镜反射波前I，16：待校正波前，17：变形反射镜反射波前II。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明由校正回路和成像回路组成，其中校正回路由变形反射镜1、分光镜2、哈特曼波前传感器3、波前控制器4和反馈回路5构成；成像回路由反射镜6、成像透镜7、成像CCD8、计算机9和显示器10构成。其中哈特曼波前传感器3由微透镜阵列11，高速CCD相机12，波前运算器13组成，高速CCD相机12是指帧频高于500Hz的CCD相机。其原理是：自适应光学系统在工作时，被探测波前经微透镜阵列11在高速CCD相机12处形成的光斑阵列的最佳质心位置是子孔径中心四像素的中心，由于高速CCD相机12的像素尺寸很小(um量级)，受加工工艺的限制，无法保证微透镜的中心与最佳位置对准，所以当输入波前为平面波时，光斑所处的位置不在最佳位置(如图3所示)，因此如果将哈特曼波前传感器3的绝对原点设置在最佳位置处，当自适应光学系统闭环工作时，就会引入一个固定像差，由于成像系统是一个线性的傅里叶变换系统，所以引入的固定像差会使待校正波前16经成像透镜7后的形成的图像变得模糊，如图5A所示，即：

其中，U(x，y)是待校正波前16经成像透镜7后的形成的图像，x，y表示像面上两个垂直方向上的坐标值，φ₁是待校正波前16经变形反射镜的反射波前II17，φ₂是固定像差，

表示(·)的傅里叶变换，

也是哈特曼波前传感器3的系统误差引起的点扩散函数。

通过式(1)可以看出，如果能够得到固定相差φ₂的点扩散函数

对模糊成像U(x，y)进行反卷积，就可以得到真实波前φ₁的像

如图5B所示，即：

实际系统中，需要通过标定步骤来寻找固定像差φ₂的点扩散函数，具体方法是：标定平面波14经变形反射镜1的反射到达分光镜2，分光镜2将变形反射镜反射波前I15的一部分能量反射进入哈特曼波前传感器3中，变形反射镜反射波前I15的剩余能量透过分光镜2经反射镜6反射后再经成像透镜7汇聚到成像CCD8上；其中，哈特曼波前传感器3由微透镜阵列11、高速CCD相机12和波前运算器13组成；进入到哈特曼波前传感器3内的变形反射镜反射波前I15经微透镜阵列11分割并汇聚在高速CCD相机12处形成光斑阵列，光斑阵列中单个光斑质心的最佳位置是高速CCD相机12上与其对应的子孔径中心的四像素中心，此时波前运算器13利用高速CCD相机12的输出信号计算出光斑阵列中每个光斑质心与最佳质心位置的偏移量并传输给波前控制器4，波前控制器4根据波前运算器13输出的偏移量数据计算出需要加载到变形反射镜1上的控制电压并通过反馈回路5控制变形反射镜1的反射面面型以改变变形反射镜反射波前I15的形状，当光斑阵列中每个光斑的质心都处于最佳质心位置时(如图4所示)，经成像透镜7在成像CCD8处的成像光斑就是携带有实际光斑质心与最佳质心位置偏移量信息的变形反射镜反射波前I15的点扩散函数，计算机9采集该点扩散函数并存储。

得到固定相差φ₂的点扩散函数

后，在闭环校正的过程中，添加计算机9利用点扩散函数和反卷积算法来消除由于变形反射镜反射波前II16不是平面波而引起的成像模糊问题，具体方法是：待校正波前16经变形反射镜1的反射到达分光镜2，分光镜2将变形反射镜反射波前II17的一部分能量反射进入哈特曼波前传感器3中，变形反射镜反射波前II17的剩余能量透过分光镜2经反射镜6反射后再经成像透镜7汇聚到成像CCD8上；反射进入到哈特曼波前传感器3内的变形反射镜反射波前II17经微透镜阵列10分割并汇聚在高速CCD相机12处形成光斑阵列，系统闭环工作，波前运算器12仍然利用高速CCD相机12的输出信号计算出光斑阵列中每个光斑质心与最佳质心位置的偏移量并传输给波前控制器4，波前控制器4根据波前运算器13输出的偏移量数据计算出需要加载到变形反射镜1上的控制电压并通过反馈回路5控制变形反射镜1的反射面面型以改变变形反射镜反射波前II17的形状，当光斑阵列中每个光斑的质心都处于最佳质心位置时，变形反射镜反射波前II17并不是平面波，而是与标定阶段中变形反射镜反射波前I 15相同，由于在标定阶段计算机9已经存储了变形反射镜反射波前I 15的点扩散函数，所以计算机9可以利用点扩散函数和反卷积算法来消除由于变形反射镜反射波前II17不是平面波而引起的在显示器10处成像模糊问题。

计算机9利用点扩散函数和反卷积算法的具体实现过程如下：

当把整个自适应光学系统看成是一个线性的因果系统，其对平面波的响应h(x，y)为

当系统闭环校正完成时，计算机9记录的远场光斑图像e(x，y)为实际被探测物体的像r(x，y)与系统的点扩散函数相卷积得到的模糊的像e(x，y)＝r(x，y)*h(x，y)，其中x，y表示像面上两个垂直方向上的坐标值。

由于在空域上卷积等于在频域上相乘，所以e(x，y)在频域上的表达式为：

E(m，n)＝R(m，n)H(m，n)                                      (3)

其中，E(m，n)是e(x，y)的傅里叶变换；R(m，n)是r(x，y)的傅里叶变换；H(m，n)是h(x，y)的傅里叶变换；m，n表示频域上两个垂直方向上的坐标值。

由于系统点扩散函数的频谱可以利用标定完成后计算机9记录的成像光斑计算出来，所以，实际被探测物体的像的傅里叶变换后的频谱R(m，n)的计算公式为：

R(m，n)＝E(m，n)/H(m，n)                      (4)

最后通过对R(m，n)反傅里叶变换得到实际被探测物体的像r(x，y)，即：

由于系统的闭环带宽远大于待校正波前16的畸变带宽，所以系统在闭环工作时，在高速CCD相机12处的光斑阵列中每个光斑的质心仅在最佳质心位置附近抖动，有效地消除哈特曼波前传感器3的系统误差，使系统的工作状态达到最优。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知常识。所述的反卷积算法仅是本发明选用实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离反卷积算法原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，包括变形反射镜(1)、分光镜(2)、哈特曼波前传感器(3)、波前控制器(4)、反馈回路(5)、反射镜(6)、成像透镜(7)、成像CCD(8)、计算机(9)和显示器(10)，其特征在于：变形反射镜(1)、分光镜(2)、哈特曼波前传感器(3)、波前控制器(4)和反馈回路(5)构成校正回路；反射镜(6)、成像透镜(7)、成像CCD(8)、计算机(9)和显示器(10)构成成像回路；系统工作分为闭环标定阶段、闭环校正阶段和反卷积处理三个阶段：

A、闭环标定阶段

标定平面波(14)经变形反射镜(1)的反射到达分光镜(2)，分光镜(2)将变形反射镜反射波前I(15)的一部分能量反射进入哈特曼波前传感器(3)中，变形反射镜反射波前I(15)的剩余能量透过分光镜(2)经反射镜(6)反射后再经成像透镜(7)汇聚到成像CCD(8)上；其中，哈特曼波前传感器(3)由微透镜阵列(11)、高速CCD相机(12)和波前运算器(13)组成；进入到哈特曼波前传感器(3)内的变形反射镜反射波前I(15)经微透镜阵列(11)分割并汇聚在高速CCD相机(12)处形成光斑阵列，光斑阵列中单个光斑质心的最佳位置是高速CCD相机(12)上与该光斑对应的子孔径中心的四像素中心，波前运算器(13)利用高速CCD相机(12)的输出信号计算出光斑阵列中每个光斑质心与最佳质心位置的偏移量并传输给波前控制器(4)，波前控制器(4)根据波前运算器(13)输出的偏移量数据计算出需要加载到变形反射镜(1)上的控制电压并通过反馈回路(5)控制变形反射镜(1)的反射面面型以改变变形反射镜反射波前I(15)的形状，当光斑阵列中每个光斑的质心都处于最佳质心置时，计算机(9)采集并存储此时变形反射镜反射波前I(15)经成像透镜(7)在成像CCD(8)处的成像光斑。

B、闭环校正阶段

待校正波前(16)经变形反射镜(1)的反射到达分光镜(2)，分光镜(2)将变形反射镜反射波前II(17)的一部分能量反射进入哈特曼波前传感器(3)中，变形反射镜反射波前II(17)的剩余能量透过分光镜(2)经反射镜(6)反射后再经成像透镜(7)汇聚到成像CCD(8)上；反射进入到哈特曼波前传感器(3)内的变形反射镜反射波前II(17)经微透镜阵列(11)分割并汇聚在高速CCD相机(12)处形成光斑阵列，系统闭环工作，波前运算器(13)仍然利用高速CCD相机(12)的输出信号计算出光斑阵列中每个光斑质心与最佳质心位置的偏移量并传输给波前控制器(4)，波前控制器(4)根据波前运算器(13)输出的偏移量数据计算出需要加载到变形反射镜(1)上的控制电压并通过反馈回路(5)控制变形反射镜(1)的反射面面型以改变变形反射镜反射波前II(17)的形状，当光斑阵列中每个光斑的质心都处于最佳质心位置时，计算机(9)记录此时变形反射镜反射波前II(17)的远场光斑图像。

C、反卷积处理阶段

闭环校正完成后，计算机(9)利用在闭环标定结束时记录的点扩散函数和反卷积算法消除系统误差的影响，得到清晰的被探测物体的像；最后，计算机(9)将该清晰的被探测物体的像传送到显示器(10)处显示。

2.根据权利要求1所述的一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，其特征在于：所述的反卷积算法消除系统误差的影响的方法为：首先对闭环标定完成后计算机(9)记录的成像光斑也即是受哈特曼波前传感器(3)系统误差影响的自适应光学系统的点扩散函数进行傅里叶变换得到自适应光学系统点扩散函数的频谱H(m，n)；然后对闭环校正完成后计算机(9)记录的远场光斑图像也即是实际被探测物体的像与自适应光学系统的点扩散函数相卷积得到的模糊的像进行傅里叶变换得到模糊光斑的频谱Y(m，n)；再利用H(m，n)和Y(m，n)计算实际被探测物体的像的傅里叶变换后的频谱X(m，n)，计算公式为X(m，n)＝Y(m，n)/H(m，n)；最后对X(m，n)进行反傅里叶变换得到实际被探测物体的像，其中m，n表示频域上两个垂直方向上的坐标值。

3.根据权利要求1所述的一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，其特征在于：所述的成像CCD(8)为成像ICCD相机或成像CMOS相机。

4.根据权利要求1所述的一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，其特征在于：所述的高速CCD相机(12)为读出帧频高于500HZ的CCD相机，所述高速CCD相机(12)是高速ICCD相机、高速CMOS相机或光敏探测器阵列。

5.根据权利要求1所述的一种哈特曼波前传感器无系统误差的自适应光学成像系统，其特征在于：所述的变形反射镜(1)为压电式变形反射镜、电致伸缩式变形反射镜或音圈电机驱动的变形反射镜。

Images