CN102564612B - 一种基于组合棱镜的相位差波前传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于组合棱镜的相位差波前传感器，由透镜，组合棱镜，CCD成像探测器和计算机系统组成；含有波前畸变的平行光束经透镜聚焦后，垂直辐照于组合棱镜的前表面，经组合棱镜后，入射光束被分为两束光，组合棱镜的出射的两束光成像于CCD光敏面上，两束光之间存在一个固定光程差。本发明的光学结构简单，使得CCD成像探测器能够同时采集到焦面和离焦面光强分布图像，确保了两幅图像的同步性和实时性，有效地提高了相位差法波前传感器对动态像差的检测精度以及对扩展目标的复原能力，在光学检测、自适应光学、高分辨率成像等领域优势明显。

Description

一种基于组合棱镜的相位差波前传感器

技术领域

本发明涉及一种基于相位差的波前传感器，特别是一种基于组合棱镜的相位差波前传感器。

背景技术

相位差波前传感器因其结构简单、对光源无特殊要求以及测量精度较高，作为一种波前传感器被应用于自适应光学领域。Gonsalves R A在“Wavefront sensing by phase retrieval”，in Applications of Digital ImageProcessing III，Proc.SPIE，vol.207，1979和“Phase retrieval anddiversity in adaptive optics”Opt Eng，Vol.21，829-832，1982两篇文章中提出在待测波前中添加已知大小的离焦像差，准确测量得到焦面光强分布和多幅位于不同离焦面的光强分布，基于最小二乘估计提出采用GS迭代算法准确复原出入射光束中的畸变波前，并将相位差波前检测方法应用于扩展光源的相位检测，同时可改善因像差引起的模糊图像。

国内外的研究工作者已经对相位差波前检测方法进行了30年的研究，研究工作主要集中在改善算法性能和解决实际应用的问题等几个方面。目前常用的相位差波前传感器的光学结构主要有以下几种：

(1)Richard L.Kendrick，D.S.Acton和A.L.Duncan在“Phasediversity wavefront sensor for imaging systems”APPLIED OPTICS，Vol.33，6533-6546，1994一文中使用相位差波前传感器测量光学系统像差，在实验过程中使用利用棱镜分光经将两幅图像分别成像于位于焦面和离焦面位置的两个CCD成像探测器。虽然此方案的光路简单，但是需要两个CCD成像探测器，增加了系统的成本。当待测波前畸变为由实时变化的大气湍流引起的这类动态像差时，为确保在大气相干时间内所采集的焦面和离焦面图像为同时刻的目标相，还需要附加控制电路来实现两个CCD成像探测器同步采集图像，导致了相位差波前传感器在结构上的复杂性。

(2)Mats G.

Richard L.Kendrick，Alex Harwit，KeithE.Mitchell和Alan L.Duncan在“A Phase Diversity Experiment to MeasurePiston Misalignment on the Segmented Primary Mirror of the Keck IITelescope”in Space Telescopes and Instruments V，Proc.SPIE，vol.3356，1-12，1998一文中使用相位差波前传感器测量Keck II望远镜拼接主镜的平移误差，文中利用一个分光棱镜和一个全反棱镜组合使得两幅图像成像于一个CCD成像探测器。入射光束经分光棱镜分光后，透射光束按原方向成像于CCD光敏面上，反射光束经全反棱镜反射后也成像于CCD光敏面上。透射光束和反射光束之间的光程不同，调整CCD光敏面的位置则可同时采集到焦面图像和离焦面图像，改变分光棱镜和全反棱镜之间位置关系即可改变两幅图像之间的离焦量。此光学结构虽然满足了图像采集的同步性需求，但是受限于CCD光敏面的大小，无法满足较大离焦量的需求，棱镜尺寸较小，加工难度极大。

(3)P M.Blanchard，D J.Fisher，S C.Woods和A H.Greenaway在”Phase diversity wavefront sensing with a distorted  diffraction”，APPLIED OPTICS，Vol 39，6649-6655，2000一文中提出在相位差波前检测光路中一块离焦光栅，入射光束经离焦光栅透射后产生具有不同焦距的多级衍射光束，使用一个CCD成像探测器就可以获得离焦量对称的多幅图像。离焦量大小取决于入射光的波长和光栅的周期。此方案对CCD光敏面尺寸的要求较高，光栅的加工难度较大，各级衍射光束容易相互干扰。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于组合棱镜的相位差波前传感器，采用了组合棱镜与相位差波前传感器相结合，简化了相位差波前传感器的光学结构，降低了分光器件的加工难度，改善了相位差波前传感器对动态畸变波前的检测能力，有效地扩展了相位差波前传感器的应用范围。

本发明采用的技术方案是：一种基于组合棱镜的相位差波前传感器，包括：透镜、组合棱镜、成像探测器CCD和计算机；组合棱镜由第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2，第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4组成；首先含有畸变波前的平行光束垂直辐照于透镜表面，经透镜聚焦后，平行光束变为汇聚光束，汇聚光束垂直入射与组合棱镜中的第一分光棱镜S1的前表面，入射光束被第一分光棱镜S1分为两束光，透射光束按原方向继续传播，经第二分光棱镜S2后，第二分光棱镜S2的透射光束T按原方向继续传播，透射光束T最终成像于成像探测器CCD光敏面；第一分光棱镜S1的反射光束，沿垂直于透射光束的方向传播，经第一直角三角反射棱镜S3后，再经由第二直角三角反射棱镜S4反射进入第二分光棱镜S2，经第二分光棱镜S2分光后，第二分光棱镜S2的反射光束R沿最初入射光束的方向传播，反射光束R平行于透射光束T，光束R最终也成像于成像探测器CCD光敏面，由于透射光束T与反射光束R经组合棱镜后所走的光程不一样，两者之间存在一个固定的光程差δ，δ＝a+b，a和b分别为第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4直角边边长；然后，调整成像探测器CCD的位置，使透射光束T在成像探测器CCD光敏面所成的像为焦面图像I，由于透射光束T和反射光束R之间存在光程差δ，因此反射光束R在成像探测器CCD光敏面所成的像为离焦图像I_def，离焦量大小等于光程差δ；最后计算机根据成像探测器CCD采集到的焦面图像和离焦图像，采用相位差复原算法，获得待测畸变波前的相位分布以及未知的目标光强信息。

所述组合棱镜中第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2的分光比为S_T∶S_R，第一直角三角反射棱镜S3和第一直角三角反射棱镜S4为全反射棱镜。

所述的焦图像和离焦面图像的光强比取决于第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2的分光比。

所述的焦面图像的中心和离焦图像的中心之间的距离取决于第一分光棱镜S1的直角边边长a和第二分光棱镜S2的直角边边长b之差。

所述的焦面图像和离焦图像位于同于成像探测器CCD光敏面的不同区域，两幅图像不得重叠。

本发明与现有技术具有的优点如下：

(1)本发明采用了组合棱镜与相位差波前传感器相结合，简化了相位差波前传感器的光学结构，降低了分光器件的加工难度，改善了相位差波前传感器对动态畸变波前的检测能力，有效地扩展了相位差波前传感器的应用范围。

(2)相对于传统相位差波前传感器的光路结构，本发明在传统光路中增加了一组棱镜，在不明显增加器件加工难度的前提下，大大简化了相位差波前传感器的光路结构，降低了成本，同时提高了相位差法对动态畸变波前的检测能力。

(3)采用本发明的光路结构，只需在光路中增加一组棱镜，即可使用一个CCD成像探测器采集焦面图像和离焦图像。组合棱镜由两个分光棱镜和两个反射棱镜组成，各棱镜的结构参数可以根据实际需要来设计，并且可以根据实际情况的变化来灵活更换，在使用上较为灵活、方便。由于棱镜尺寸不受限于成像探测器CCD光敏面的尺寸大小，因此加工难度不大，装配和光路调整简单。同时，该方法各单元技术均较为成熟，因此在应用上也较为可靠。

(4)相对于传统相位差波前传感器的光路结构，本发明的光路结构能够同步地的采集到焦面位置和离焦面位置光斑的光强分布信息。由于相位差波前传感器是是一种根据光强图像复原待测波前相位分布的间接波前检测方法，因此本发明的光路能够对较快速变化的动态畸变波前进行更为准确的测量，在某些特殊应用领域，如大气湍流校正、激光光束波前诊断、天文观测等，具有较大的潜在应用价值。

总之，本发明的光学结构简单，使得成像探测器CCD能够同时采集到焦面和离焦面光强分布图像，确保了两幅图像的同步性和实时性，有效地提高了相位差法波前传感器对动态像差的检测精度以及对扩展目标的复原能力，在光学检测、自适应光学、高分辨率成像等领域优势明显。

附图说明

图1为本发明基于组合棱镜的相位差波前传感器结构示意图；

图2为本发明组合棱镜的结构示意图；

图3为本发明中组合棱镜的分光示意图；

图4为本发明中CCD成像探测器采集到的焦面图像和离焦图像。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明基于组合棱镜的相位差波前传感器包括：透镜1、组合棱镜2、成像探测器CCD 3和计算机4。组合棱镜2由第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2，第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4组成；首先，含有畸变波前的平行光束垂直辐照于透镜1表面，经透镜1聚焦后，平行光束变为汇聚光束，汇聚光束垂直入射与组合棱镜2中的第一分光棱镜S1的前表面，入射光束被第一分光棱镜S1分为两束光，透射光束按原方向继续传播，经第二分光棱镜S2后，第二分光棱镜S2的透射光束T按原方向继续传播，透射光束T最终成像于成像探测器CCD 3光敏面；第一分光棱镜S1的反射光束，沿垂直于透射光束的方向传播，经第一直角三角反射棱镜S3后，再经由第二直角三角反射棱镜S4反射进入第二分光棱镜S2，经第二分光棱镜S2分光后，第二分光棱镜S2的反射光束R沿最初入射光束的方向传播，反射光束R平行于透射光束T，光束R最终也成像于成像探测器CCD3光敏面，由于透射光束T与反射光束R经组合棱镜2后所走的光程不一样，两者之间存在一个固定的光程差δ。该光程差δ随第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4的尺寸a和b变化，δ＝a+b，a和b分别为第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4直角边边长；然后，调整成像探测器CCD3的位置，使透射光束T在成像探测器CCD3光敏面所成的像为焦面图像I，由于透射光束T和反射光束R之间存在光程差δ，因此反射光束R在成像探测器CCD3光敏面所成的像为离焦图像I_def，离焦量大小等于光程差δ；最后计算机4根据成像探测器CCD3采集到的焦面图像和离焦图像，采用相应的相位差复原算法，即可获得待测畸变波前的相位分布以及未知的目标光强信息。

本发明中计算机4的计算过程如下：

设待测目标的光强分布为o(r)，待测畸变光束的振幅分布为p(r)，含有畸变的波前相位记为

根据傅里叶光学原理成像公式可知，o(r)，与像面光强分布之间的数学关系如下：

公式(1)中，I_f和I_d分别表示真实的焦面光强分布和离焦面光强分布，*表示卷积运算，h_f和h_d分别表示实际焦面和离焦面对应的点扩展函数，i为虚数单位，为光程差δ对应的离焦像差的相位分布，

表示傅里叶变换。在实际应用中，成像探测器CCD3的输出图像中同时包含真实的光强分布和图像噪声，成像探测器CCD3采集到的焦面图像I和离焦图像I_def如下：

$\left\{\begin{array}{c}I=I_f+n\\ I\_\mathrm{def}=I_d+n\end{array}\right....\left(2\right)$

公式(2)中，n表示成像探测器CCD3输出图像中所包含的噪声。根据成像探测器CCD3采集到的焦面图像I和离焦图像I_def，利用相位差复原算法，即可获得待测波前畸变以及目标信息。

在相位差复原算法中，焦面光强分布以及离焦面光强分布的准确测量，是波前相位和目标信息能够被精确复原的关键所在。当待测畸变波前为实时变化的动态畸变时，传统相位差波前传感器难以同步采集，若采用基于该组合棱镜的相位差光路结构，能够实现准确地、同步测量焦面和离焦面的光强分布。从而极大地改善了相位差波前传感器对动态畸变波前的检测能力，扩展了相位差波前传感器在实际系统中的应用范围。

图3中的a为光束经第一分光棱镜S1分光后，反射光束传播至第一直角三角反射棱镜S3反射面的距离，b为光束经第二直角三角反射棱镜S4反射后，光束传播至第二分光棱镜S2分光面的距离，a与b之和等于透射光束T与反射光束R之间的光程差δ，δ＝a+b。

图4为成像探测器CCD3采集到的焦面图像和离焦图像，由于组合棱镜在分光的同时还引入了一个已知离焦量，因此在采集光强图像时仅需要一个成像探测器CCD3即可同时采集到焦面图像和离焦面图像。

总之，本发明在传统相位差波前传感器的基础上，增加了一个组合棱镜，保证了不降低相位差法对静态畸变波前的检测能力的前提下，只需使用一个CCD成像探测器，大大简化相位差传感器的光学结构，降低了系统成本。这种方法在结构上和使用上都较为灵活，各单元技术相对较为成熟，应用起来较为方便。在某些特殊应用场合，本发明提出的光路结构，能够完成对快速变化的动态波前畸变的测量，在光学系统波前检测和图像复原等领域具有较大的应用价值。

本发明未详细阐述部分属于本领域的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于组合棱镜的相位差波前传感器，其特征在于包括：透镜（1）、组合棱镜（2）、成像探测器CCD（3）和计算机（4）；组合棱镜（2）由第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2，第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4组成；首先含有畸变波前的平行光束垂直辐照于透镜（1）表面，经透镜（1）聚焦后，平行光束变为汇聚光束，汇聚光束垂直入射与组合棱镜（2）中的第一分光棱镜S1的前表面，入射光束被第一分光棱镜S1分为两束光，透射光束按原方向继续传播，经第二分光棱镜S2后，第二分光棱镜S2的透射光束T按原方向继续传播，透射光束T最终成像于成像探测器CCD（3）光敏面；第一分光棱镜S1的反射光束，沿垂直于透射光束的方向传播，经第一直角三角反射棱镜S3后，再经由第二直角三角反射棱镜S4反射进入第二分光棱镜S2，经第二分光棱镜S2分光后，第二分光棱镜S2的反射光束R沿最初入射光束的方向传播，反射光束R平行于透射光束T，光束R最终也成像于成像探测器CCD3光敏面，由于透射光束T与反射光束R经组合棱镜（2）后所走的光程不一样，两者之间存在一个固定的光程差δ，δ=a+b，a和b分别为第一直角三角反射棱镜S3和第二直角三角反射镜S4直角边边长；然后，调整成像探测器CCD（3）的位置，使透射光束T在成像探测器CCD（3）光敏面所成的像为焦面图像I，由于透射光束T和反射光束R之间存在光程差δ，反射光束R在成像探测器CCD（3）光敏面所成的像为离焦图像I_def，离焦量大小等于光程差δ；最后计算机（4）根据成像探测器CCD（3）采集到的焦面图像和离焦图像，采用相位差复原算法，获得待测畸变波前的相位分布以及未知的目标光强信息;

所述的焦面图像的中心和离焦图像的中心之间的距离取决于第一分光棱镜S1的直角边边长a和第二分光棱镜S2的直角边边长b之差。

2.根据权利要求1所述的基于组合棱镜的相位差波前传感器，其特征在于：所述组合棱镜（2）中第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2的分光比为S_T:S_R，第一直角三角反射棱镜S3和第一直角三角反射棱镜S4为全反射棱镜。

3.根据权利要求1所述的基于组合棱镜的相位差波前传感器，其特征在于：所述的焦图像和离焦面图像的光强比取决于第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2的分光比。

4.根据权利要求1所述的基于组合棱镜的相位差波前传感器，其特征在于：所述的焦面图像和离焦图像位于同于成像探测器CCD（3）光敏面的不同区域，两幅图像不得重叠。

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