CN102288305A

CN102288305A - 一种自适应光学系统波前传感器及其探测方法

Info

Publication number: CN102288305A
Application number: CN 201110199516
Authority: CN
Inventors: 杨平; 王帅; 许冰; 刘文劲
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-18
Also published as: CN102288305B

Abstract

本发明提出了一种自适应光学系统波前传感器及其探测方法，基于二元正交像差模式滤波及探测原理，计算机控制二元光强调制器根据各阶二元光强调制模式调制入射光光强，聚焦透镜和单模光纤组成一个二元正交像差模式滤波装置，聚焦透镜位于二元光强调制器之后，入射光经过调制后被透镜会聚进入其后的单模光纤，单模光纤对光波进行选模滤波，非阵列光电探测器的探测与二元光强调制器的调制同步，当二元光强调制器完成一次调制后，非阵列光电探测器在单模光纤另一端探测从单模光纤出射的光强大小信息并交由计算机处理，重构波前。本发明结合非阵列光电探测器探测速率快、灵敏度高、探测频段宽等优势，适用于高频、微光和红外等需求下的天文波前探测。

Description

一种自适应光学系统波前传感器及其探测方法

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种波前传感器，特别是基于二元正交像差模式滤波和探测原理的新型波前传感器。

背景技术

典型的自适应光学系统通常由波前传感器、波前处理机、波前校正器三部分组成。其中波前传感器是自适应光学系统的核心部件，用于探测待校正光波波前像差，然后根据各种波前重构算法进行光波波前重构，交由之后的波前校正器生成补偿量进行波前像差校正，从而提高光束质量。可见，波前传感器探测性能是提高自适应光学系统应用指标和效果的重要前提。

目前，适用于各类自适应光学系统的波前传感器的种类很多，例如，发明名称为“光学波前传感器”(申请号98112210.8)公开的一种哈特曼波前传感器(HS)，发明名称为“双光束干涉仪”(申请号91109595)公开的一种干涉式波前探测器，“基于Zernike相衬法的相衬成像探索”[习麓弘，李华等.[J].工程图学学报，2006，(04)]介绍的Zernike相衬技术，“自适应光学曲率波前传感器的衍射理论及其方案分析”[邓罗根，陈新，鲁长宏.[J].光学技术，2003，(04)]介绍的曲率探测法，“Phase retrieval algorithms：a comparison”[J.R.Fienup.[J]APPLIEDOPTICS，1982，21(15)：2758-2769]介绍的相位反演方法，以及发明名称为“一种基于线性相位反演的波前测量方法”(申请号200610089149.7)公开的线性相位反演方法等。这些波前传感器技术中，以哈特曼波前传感器技术最为成熟，采用最为广泛。

哈特曼波前传感器主要包括微透镜阵列和阵列光电探测器，阵列光电探测器位与微透镜阵列之后的焦面位置，其基本原理是利用微透镜阵列等子孔径分割元件把入射波前孔径分割成若干子区域，再利用阵列光电探测器(如CCD相机)测量各个子区域上远场光斑的质心偏移量，得到波前斜率，最后利用各种波前复原算法计算出整个孔径上的波前相位。由于哈特曼波前传感器标定方便、集成度高，不仅适合于连续光测量，也能用于脉冲光测量，而且其波前复原过程可以通过线性矩阵完成，所以能够方便的采用DSP、FPGA等硬件设备进行处理，实时性好，因而是自适应光学系统中最常用的波前探测器件。

但是，这种波前传感器由于子孔径的分割会造成光能利用率低，每个子孔径都需要有一定的入射光能量才能探测出准确的光斑质心，使得波前传感器的微光探测能力受到限制，因此，难以应用在对微光波前探测性能有很高要求的天文观测自适应光学领域；另外，由于大气湍流的高速变化，自适应光学系统要求波前传感器探测帧频能达到上千赫兹，且拥有红外波段探测能力，但是现有波前传感器的光信息探测元件均采用阵列光电探测器，而阵列光电探测器(如CCD相机)现有的技术水平还很难同时满足具有高频、高灵敏度和红外波段探测能力的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服了现有各种波前传感器对阵列光电探测器的依赖，提供一种具备高速、微光和红外探测能力的基于二元光强调制和非阵列光电探测器的波前传感器及其探测方法，。

本发明提出的自适应光学系统波前传感器由二元光强调制器、聚焦透镜、单模光纤、非阵列光电探测器和计算机组成，基于二元正交像差模式滤波及探测原理，计算机控制二元光强调制器根据各阶二元光强调制模式调制入射光光强，聚焦透镜和单模光纤组成一个二元正交像差模式滤波装置，聚焦透镜位于二元光强调制器之后将经过调制后的反射光会聚进入其后的单模光纤，单模光纤对光波进行选模滤波，非阵列光电探测器的探测与二元光强调制器的调制同步，当二元光强调制器完成一次调制后，非阵列光电探测器在单模光纤另一端探测从单模光纤出射光的光强大小信息并交由计算机处理，重构波前。

本发明的原理：目前用Zernike多项式展开相位的方式已经被广泛接受和应用，Zernike多项式低阶项与常见的像差形式比较吻合，且具有正交性和完备性。但是Zernike多项式展开并不是相位展开的唯一方式。本发明用只含{-1，+1}二值的二元正交像差模式展开波前相位，得到相位关于二元正交像差模式的开展式。用Z₁-(1|W₁)/2转换式将各阶二元正交像差模式W₁转换为各阶二元光强调制模式Z_i，二元光强调制器根据各阶二元光强调制模式调制入射光光强，二元正交模式滤波器滤除相位中二元正交像差模式基模之外的成份，非阵列光电探测器探测经过调制滤波后光波光强大小，根据滤波后光强与各阶二元正交像差模式系数之间的关系，联立方程组求解各阶二元正交像差模式系数，进而用二元正交像差模式重构待测波前。

所述的二元正交像差模式为Walsh转换矩阵函数，在圆域上具有完备性和正交性，每一阶模式为只含{-1，+1}二值的矩阵。

所述的二元光强调制器采用数字微镜装置(DMD)，主要由许多微小的反射镜阵列组成，微镜阵列可达1280×1024，每个微镜与二元光强调制模式矩阵的元素一一对应，可以根据二元光强调制模式精确高速地控制入射光束不同位置的通断。

所述单模光纤与采用的二元正交像差函数即Walsh转换矩阵函数序列相匹配，滤除波前相位中二元正交像差函数基模之外的成份。

所述的非阵列光电探测器为各种类型二极管，根据实际应用场合对探测速度、频段和响应灵敏度的需要选取。

本发明还提出的自适应光学系统波前探测方法，主要包括以下步骤：

步骤一，根据Walsh转换矩阵函数序列定义产生各阶Walsh函数，并根据转换公式生成各阶二元光强调制模式矩阵；

步骤二，从第0阶开始依次向数字微镜装置输出各阶二元光强调制模式，控制数字微镜装置产生各阶二元光强调制样式；

步骤三，非阵列光电探测器探测光波经过每次调制滤波后的光强大小，并将数据传给计算机；

步骤四，计算机利用调制滤波后光强大小与原始光波波前中各阶Walsh函数系数之间的非线性关系，求解各阶Walsh函数系数，并用Walsh函数序列重构波前像差。

本发明与现有技术相比有如下优点：本发明以二元正交像差函数模式滤波为核心，采用二元光强调制器调制入射光波，利用非阵列光电探测器探测光强，将复杂的二维波前探测问题通过一维光强探测实现，回避了对阵列光电探测器的依赖；与阵列光电探测器相比，非阵列光电探测器在探微光能力、探测频谱范围、价格、制造难度等方面都具有巨大的优势，因此本发明能够同时满足高频、微光和红外波前探测需求。

附图说明

图1为本发明自适应光学系统前传感器结构示意图；

图2为本发明使用的二元正交像差模式——Walsh转换矩阵函数示意图；

图3为本发明二元光强调制器采用的二元光强调制模式；

图4为本发明理论的计算机仿真结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，为本发明提出的一种自适应光学系统波前传感器，包括DMD 2、聚焦透镜3、单模光纤4、光电二极管5和计算机6，基于二元正交像差模式滤波及探测原理，当待测波前1入射时，计算机6控制DMD 2根据各阶二元光强调制模式调制待测波前1的光强，聚焦透镜3和单模光纤4组成一个二元正交像差模式滤波装置，聚焦透镜3位于DMD 2之后将经过调制后的反射光会聚进入其后的单模光纤4，单模光纤4对光波进行选模滤波，光电二极管5在单模光纤4另一端探测从单模光纤4出射光的光强大小信息交由计算机6处理，重构波前。

本发明提出的二元光强调制模式滤波数学模型推导如下：

用Zernike多项式展开波前相位是目前最普遍的相位展开方式：

Q = Σ_{i = 1}^{n} a \cdot {Zernike}_{i} - - - (1)

式中Zi表示波前相位，Zernike_i、a_i分别表示第i阶Zernike多项式和第i阶Zernike多项式系数，n表示用前n阶Zernike多项式展开相位。图2所示为本发明采用的二元正交函数--Walsh转换矩阵函数序列中的前16阶，白色部分表示“+1”，黑色部分表示“-1”，该Walsh转换矩阵函数序列在圆域内具有完备性和正交性，并有三个特性：第一，任意一阶Walsh转换矩阵函数自乘都得到0阶Walsh转换矩阵函数；第二，任意一阶Walsh转换矩阵函数与0阶Walsh转换矩阵函数相乘得到自身；第三，任意两非零阶Walsh转换矩阵函数相乘得到另一阶非零阶Walsh转换矩阵函数，也可用数学表达式表示上述三种特性：

W_p·W_p＝W₀ W_p·W₀＝W_p W_p·W_q＝W_s (2)

式中W_p、W_q、W_s、W₀表示第p阶、第q阶、第s阶和0阶Walsh函数，p、q、s均为正整数。

现用前n阶Walsh转换矩阵函数(以下均简称Walsh函数)展开波前相位：

Q = Σ_{i = 0}^{n - 2} a_{i} W_{i} - - - (3)

a_i为第i阶Walsh函数w_i系数，若将Walsh函数看作相位模式或者像差模式，a_i也可称为模式系数。由此可用前n阶Walsh函数展开入射光波：

E (ρ, θ) = E_{0} \cdot \exp (jφ) = E_{0} \cdot \exp (j Σ_{i = 0}^{n - 1} a_{i} W_{i}) - - - (4)

由于Walsh函数为{-1，1}二元完备正交函数且具有式(2)所示的三个特性，因此(4)式可改写为：

E (ρ, θ) = E_{0} Π_{i = 0}^{n - 1} [\cos (a_{i} W_{i}) + j \sin (a_{i} W_{i})]

- E_{0} Π_{i = 0}^{n - 1} [\cos (a_{i}) + j \sin (a_{i}) W_{i}

= E_{0} Σ_{i = 0}^{n - 1} B_{i} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) W_{i} - - - (5)

式中B_i表示现对入射光波E(ρ，θ)实施二元光强调制，二元光强调制模式为Z_k，k＝0，1，2，...n-1，如图3所示。其中Z_k＝(1+w_k)/2，由于Walsh函数W_k为{-1，1}二元函数，所以Z_k为{0，1}二元函数，DMD的每个微镜与二元光强调制模式矩阵中每个元素一一对应，“0”和“1”分别表示光强的“通”和“断”，由此对光波的二元光强调制可由DMD高速实现。调制过程数学描述为：

Z_{k} E (ρ, θ) = E_{0} \frac{1 + W_{k}}{2} Σ_{i = 0}^{n - 1} B_{i} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) W_{i}

= \frac{E_{0}}{2} {Σ_{i = 0}^{n - 1} B_{i} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) W_{i} + W_{i} Σ_{i = 0}^{n - 1} B_{i} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) W_{i}}

k 0，1，2，...，n-1 (6)

透镜在光波经DMD反射后的方向上，将被调制的光波聚焦并耦合进单模光纤或小孔模式滤波，式(6)中仅含0阶Walsh函数W₀的信息量能够通过单模光纤或小孔，并以光强度形式I_k被光电二极管接收：

I_{k} = \frac{B_{0}^{2}}{4} | B_{0} (a_{3}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) + B_{k} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) |

k 0，1，2，...，n-1 (7)

将所有I_k联立构成非线性方程组：

I_{0} = \frac{B_{0}^{2}}{4} | B_{0} (a_{3}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) + B_{0} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) |

I_{1} = \frac{B_{0}^{2}}{4} | B_{0} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) + B_{1} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) |

I_{2} = \frac{B_{0}^{2}}{4} | B_{0} (a_{3}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) + B_{2} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) |

·

I_{n - 1} = \frac{B_{0}^{2}}{4} | B_{0} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) + B_{n - 1} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) | - - - (8)

光电二极管将接收到的每一阶光强信息传给计算机，计算机求解非线性方程组(8)，而非线性方程组的数值求解问题是数学界非常活跃的领域，有一系列成熟的数值求解手段，如迭代法、爬山法、遗传算法和神经网络方法等。在求解得到各阶Walsh函数系数，或称为Walsh像差模式系数a₀，a₁，a₂，...，a_n-1之后，计算机用式(3)重构波前，完成波前探测。

设被测波前

图4(a)所示，RMS为1.7358，其相应的远场光强分布如图4(d)所示，施特涅尔比为0.2284。为验证波前探测效果，用前256阶Walsh函数近似展开相位：

E (ρ, θ) = E_{0} \cdot \exp (jφ) = E_{0} \cdot \exp (j Σ_{i = 0}^{256} a_{i} W_{i})

= E_{0} Σ_{i = 0}^{n - 1} B_{i} (a_{0}, a_{1}, a_{2}, . . ., a_{n - 1}) W_{i} - - - (9)

用DMD依次产生二元光强调制模式序列Z₀，Z₁，Z₂，...Z₂₅₆，对入射光波进行二元光强调制，如图1所示；光电二极管与DMD调制同步，探测光波被256种二元光强调制模式调制滤波后256个强度信息，计算机利用光强与模式系数之间的非线性关系，以256阶Walsh像差模式系数为未知数的，建立由256个方程所组成的非线性方程组，数值求解各阶模式系数a₀，a₁，a₂，...，a₂₅₆，重构波前如图4(b)所示，残差如图4(c)所示，残差的RMS下降到0.1631，残差对应的远场光强分布如图4(e)所示，施特涅尔比为0.9804。从仿真结果看，远场光强能量集中度有了明显的提高，波前复原残差很小，该实施例表明该波前传感器能够成功地探测未知波前。

Claims

1.一种自适应光学系统波前传感器，其特征在于包括二元光强调制器(2)、聚焦透镜(3)、单模光纤(4)、非阵列光电探测器(5)和计算机(6)，其中，计算机(6)控制二元光强调制器(2)根据各阶二元光强调制模式调制入射光(1)的光强，聚焦透镜(3)位于二元光强调制器(2)之后，聚焦透镜(3)和单模光纤(4)组成二元正交像差模式滤波装置，经过调制的入射光(1)聚焦透镜(3)会聚进入单模光纤(4)，单模光纤(4)对该光波进行选模滤波，非阵列光电探测器(5)的探测与二元光强调制器(2)的调制同步，当二元光强调制器(2)完成一次调制后，非阵列光电探测器(5)在单模光纤(4)的另一端探测从单模光纤(4)出射的光强大小信息并交由计算机处理，重构波前。

2.根据权利要求书1所述的自适应光学系统波前传感器，其特征在于所述的二元光强调制模式由Walsh转换矩阵函数序列转换得到，计算机根据定义先产生各阶二元正交矩阵函数——Walsh转换矩阵函数，并利用转换公式Z₁＝(1+W₁)/2，将只含{+1，-1}二值的各阶Walsh函数W₁转换为各阶二元光强调制模式Z₁，每阶二元光强调制模式矩阵Z_i均只含{1，0}二值，矩阵中每个元素与数字微境装置每个微镜一一对应，每个微境根据对应矩阵元素取值是“1”或“0”，控制光强的“通”或“断”。

3.根据权利要求书1或2所述的自适应光学系统波前传感器，其特征在于所述的二元光强调制器(2)为数字微镜装置，主要由微镜阵列构成，分辨率为1280×1024，其光强调制速度不小于10万赫兹。

4.根据权利要求书1所述的自适应光学系统波前传感器，其特征在于所述的非阵列光电探测器(5)探测速度不小于1GHz的光强信息探测元件，探测频谱范围从深紫外至远红外。

5.根据权利要求1或4所述的自适应光学系统波前传感器，其特征在于所述非阵列光电探测器(5)为普通光电二极管、光电三极管或雪崩光电二极管。

6.一种自适应光学系统波前探测方法，包括以下步骤：