CN102607718B - 一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，包括分光镜、光功率密度测量仪、分步采集控制器、微透镜阵列、CCD相机、质心计算器和波前复原器；光功率密度测量仪首先测量出入射波前的光功率密度，分步采集控制器根据入射波前光功率密度的特性和CCD相机的响应灵敏度制定出CCD相机对光斑阵列的分步采集的曝光时间，采集完成后控制质心计算器分步计算光斑阵列的质心，最后波前复原器根据质心计算器得到的质心矩阵复原出入射波前。本发明采用分步采集控制器以不同的曝光时间分步采集CCD相机处光斑的阵列，改善了当入射光强不均匀时，单个子孔径内光斑质心探测的信噪比，提高了质心探测的精度，为高精度地复原非均匀照明条件下的入射波前提供了解决方案。

Description

一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器

技术领域

本发明涉及一种自适应光学系统中应用的哈特曼波前传感器，特别是一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器以其较高的测量实时性、合适的测量精度等特性，最早应用在天文自适应光学中。随着科学技术的发展，哈特曼波前传感器由于其结构简单、原理直白而作为一种精密的波前测量仪器广泛应用于在镜面面型检测、激光参数诊断、流场CT重建、人眼像差诊断、光路准直等方面。哈特曼波前传感器一般由微透镜和CC D相机组成，是一种以波前斜率测量为基础的波前测量仪器。

哈特曼波前传感器在工作时，微透镜阵列将被检测波面分成若干个采样单元，这些采样单元分别由高质量透镜汇聚在分离的焦点上，然后用CCD相机接收。每个子孔径范围内的波前倾斜将造成其光斑的在x和y方向上的位移，光斑的质心在x和y方向上的偏离程度反映了对应采样单元波面在两个方向上的波前斜率。在泽尼克模式波前复原算法中，复原波前的泽尼克系数是通过波前斜率向量与复原矩阵相乘后得到的，所以波前斜率向量计算得越正确，复原波前的误差也就越小(Chaohong Li，Hao，Xian，“measuringstatistical error of Shack-Hartmann wavefront sensor with discrete detectorarrays”，Journal of Lightwave Technology，2007)。

哈特曼波前传感器作为一种精密的波前测量仪器时，受到噪声的影响，测量得到的光斑质心的带有误差，一般可以通过提高光斑信噪比的方法来提高光斑质心测量的精度(姜文汉，鲜浩，沈锋“夏克-哈特曼波前传感器的探测误差”，量子电子学报，1998)，然而受CCD相机动态范围的限制，当入射波前的光功率密度均匀性较差时，在光强较弱的子孔径内，CCD相机的信噪比较低，根据该子孔径内光斑的光功率密度计算得到的光斑质心的误差较大，从而会影响复原波前的精度。

由于有了上述问题的存在，如何提高哈特曼波前传感器在非均匀光照明时每个子孔径内光斑的信噪比而CCD相机又不会局部饱和，从而提高哈特曼波前传感器在非均匀光照明时的波前复原精度，就成为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，提供一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，提高了光斑的质心测量精度，使整体波前复原的精度提高。

本发明的技术解决方案是：一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于包括：分光镜、光功率密度测量仪、分步采集控制器、微透镜阵列、CCD相机、质心计算器和波前复原器；入射波前经分光镜后分为波前能量测量部分和波前斜率测量部分；波前能量测量部分进入光强分布测量仪，波前斜率测量部分经微透镜阵列分割后在CCD相机处形成光斑阵列；光强分布测量仪测量入射波前的光功率密度并将光功率密度数据传递给分步采集控制器；分步采集控制器首先根据入射波前的光功率密度特性和CCD相机的响应灵敏度计算出CCD相机对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间，分步采集控制器再控制CCD相机按照每个子孔径集合的曝光时间分步采集光斑数据并将数据传递给质心计算器，分步采集控制器最后控制质心计算器分步计算出每个子孔径集合的光斑质心并传递给波前复原器，波前复原器将质心计算器得到的质心排列为质心向量后计算得到入射波前的斜率向量并复原出入射波前的相位分布。

所述分步采集控制器根据入射波前的光功率密度的特性和CCD相机的响应灵敏度计算出CCD相机对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间的过程如下：首先分步采集控制器计算微透镜阵列的单个子孔径内达到光斑质心测量精度时所需最低信噪比要求时入射光能量的最小值E_min和光斑最大值达到CCD相机规定量程时的入射光能量的最大值E_max；然后将光功率密度测量仪测量得到的光强按微透镜阵列的排布进行分割，对单个子孔径内的光强积分得到子孔径内的入射光功率P_k，k为子孔径编号；再将每个子孔径内的光能量要求和光功率相除得到曝光时间的下限t_kmin＝P_k/E_max和曝光时间的上限t_kmax＝P_k/E_min，将满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集，得到每步采集的子孔径集合及每次采集的子孔径集合的曝光时间。

所述满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集过程如下：

(a)将子孔径编号k与曝光时间的上限t_kmax、曝光时间的下限t_kmin对应，形成子孔径编号向量K、曝光时间上限向量T_max和曝光时间下限向量T_min；

(b)取出曝光时间上限向量T_max中最小值t_max的子孔径编号，并找出曝光时间下限向量T_min小于t_max的子孔径编号，形成以t_max为曝光时间的子孔径集合；

(c)将步骤(b)中取出的子孔径编号从子孔径编号向量K中取出，并取出曝光时间上限向量T_max和曝光时间下限向量T_min中对应的t_kmax和t_kmin值；

(d)重复步骤(b)和(c)，直到所有子孔径都取出，从而实现满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集。

为避免CCD相机饱和，所述光斑最大值达到CCD相机规定量程不等于CCD相机的满量程，根据实际情况光斑最大取CCD相机满量程的80％～90％。

本发明的原理是：在哈特曼波前传感器内部加装光功率密度测量仪和分步采集控制器来分步控制每个子孔径曝光的曝光时间和质心计算器分步计算的子孔径的质心。在分步采集控制器的控制下，对于光强较强的子孔径，CCD相机的曝光时间较短，不会达到饱和；而对于光强较弱的子孔径，CCD相机的曝光时间较长，从而提高了信噪比。为提高哈特曼波前传感器在非均匀光照明时的波前复原精度提供了解决方案。

本发明与现有技术相比有如下优点：传统基于单次曝光方法的哈特曼波前传感器在非均匀光照明时，受限于CCD相机的动态范围，当光强较强的子孔径内的光斑信号已经达到饱和时，光强较弱的子孔径内的光斑信号的光斑信号还很弱，由于噪声不可避免地存在于光斑质心测量的过程中，所以此时光斑信号弱的子孔径内信噪比较低，降低了光斑的质心测量精度，最终导致整体波前复原的精度降低；而本发明采用多次分时曝光技术，即分步采集控制器，这样分次以不同的曝光时间采集不同光斑的质心数据，保证了每次采集过程中光斑质心计算的信噪比，提高了光斑质心测量的精度，从而提高了整体波前复原的精度。

附图说明

图1为本发明的分时曝光哈特曼波前传感器示意图；

图2为传统哈特曼波前传感器示意图；

图3为本实施例中子孔径排列及编号示意图；

图4为本实施例中入射光功率密度直方图；

图5为本实施例中每个子孔径编号对应的入射光功率的直方图；

图6为本实施例中非均匀光照明下光斑阵列图像(t＝50ms)；

图7为本实施例中被测波前示意图；

图8为本实施例中每个子孔径所需的曝光时间的上下限直方图；

图9为传统的单次光斑质心采集方法和本发明分次光斑质心采集方法复原得到的波前误差曲线图；

图中：1：分光镜2：光功率密度测量仪3：分步采集控制器4：微透镜阵列5：CCD相机6：质心计算器7：波前复原器8：被测波前9：波前能量测量部分10：波前斜率测量部分。

具体实施方式

在本实施例中，本发明所采用的CCD相机5满量程为4095ADU(12位)、噪声的均方根值为20ADU、灵敏度为50nJ/ADU、光斑的艾利斑直径为10pixel、哈特曼波前传感器的微透镜阵列4数为10x10、单个子孔径的尺寸为1mmx1mm、子孔径的编号方式如图3所示。

根据光斑的光强分布特性(参见马晓燠，郑翰清，饶长辉“自适应光学系统中哈特曼波前传感器光斑质心的最佳标定位置”，光学学报，2009年)，当光斑的艾利斑直径为10pixel时，光斑的最大值点为1ADU时，光斑的总ADU数约为26，此时需要入射光能量为：26ADU×50nJ/ADU＝1.3uJ。

如图2所示，传统的哈特曼波前传感器包括：微透镜阵列4、CCD相机5、质心计算器6和波前复原器7。当入射光功率密度如图4所示时，编号为k的子孔径处的入射光功率为：

$p_k=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{knm}}}{M\·N\·l^2}---\left(1\right)$

其中：E_kmn为第k个子孔径内坐标位置为(m，n)点的光功率密度(单位为：W/mm²)，M、N是单个子孔径内光功率密度在平面两个方向上的测量点数，所以单个子孔径内共有MxN个测量点，l是单个子孔径的边长。

图5为每个子孔径编号对应的入射光功率的直方图，由图5可得，单个子孔径内入射光功率最大值为96.05mW，单个子孔径内入射光功率最小值为22.10mw，最小值与最大值之比为23％。

图6表示当曝光时间达到50ms时，光斑阵列的图像，入射光功率最大的子孔径光斑的最大灰度值约为：96.05mW×50ms/1.3uJ＝3694ADU，已经达到CCD相机5饱和功率值(4095ADU)的90％，即达到单次曝光光斑质心采集方法的信噪比极限。

被测波前8的像差类型为离焦如图7所示，离焦量为λ/4。图9中虚线表示对图7所示的离焦波前进行100次单次曝光方法复原得到的复原波前的误差，误差的均值为0.18λ％。

如图1所示，本发明一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器包括分光镜1、光功率密度测量仪2、分步采集控制器3、微透镜阵列4、CCD相机5、质心计算器6和波前复原器7.入射波前8经分光镜1后分为波前能量测量部分9和波前斜率测量部分10；波前能量测量部分9进入光强分布测量仪2中；波前斜率测量部分10经微透镜阵列4分割后在CCD相机5处形成光斑阵列。分时曝光实现如下：

(1)通过光功率密度测量仪2测量被测波前8的光功率密度，得到被测波前8光功率密度图(图4)。

(2)对每个子孔径进行编号(如图3所示)，分步采集控制器3根据光功率密度测量仪2测量得到光功率密度利用式(1)计算每个子孔径的入射光功率P_k(k为子孔径的编号)。

(3)分步采集控制器3根据CCD相机5的灵敏度和光斑的艾利斑直径计算得到光斑的最大值点为1ADU时，所需的光能量，在本实施例中，由于光斑的艾利斑直径为10pixel，所以当光斑的最大值点为1ADU时，光斑的总ADU数约为26，此时需要入射光能量为：26ADU×50nJ/ADU＝1.3uJ。

(4)分步采集控制器3根据CCD相机5的合适信噪比计算每个子孔径所需曝光时间的上下限。

在本实施例中，单个子孔径光斑的最大值至少为CCD相机5满量程的60％，单个子孔径光斑的最大值最大为CCD相机5满量程的90％。

第k个子孔径所需曝光时间的下限t_kmin和上限t_kmax的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{k\min }=\frac{0.6\×4095\×1.3\mathrm{uJ}}{P_k}=\frac{3194.1\mathrm{uJ}}{P_k}\\ t_{k\min }=\frac{0.9\×4095\×1.3\mathrm{uJ}}{P_k}=\frac{4791.15\mathrm{uJ}}{P_k}\end{array}\right.---\left(2\right)$

按照式(2)计算得到的每个子孔径所需的曝光时间的上下限如图8所示。

(5)将子孔径编号k与曝光时间的上限t_kmax、下限t_kmin对应，形成子孔径编号向量K＝[1，2，3......76]′、曝光时间上限向量T_max＝[t_1max，t_2max，t_3max，......t_76max]′和曝光时间下限向量T_min＝[t_1min，t_2min，t_3min，......t_76min]′。

(6)按照子孔径合并的方法，本实施例中，曝光时间上限向量T_max中最小值t_max|_min＝49ms，子孔径编号33；曝光时间下限向量T_min小于49ms的子孔径编号为：34、43、44、23、24、32、35、42、45、53、54、22、25、52、55、14、15、31、36、41、46、62、63，因此，CCD相机5第一次曝光的曝光时间为49ms，第一次曝光的子孔径集合为：[33、34、43、44、23、24、32、35、42、45、53、54、22、25、52、55、14、15、31、36、41、46、62、63]；将第一次曝光的子孔径号从子孔径编号向量K中移除、并且曝光时间上限向量T_max和T_min中第一次曝光的子孔径号的元素也移除后，重复上述过程，最后得到本实施例中CCD相机共需分四次曝光，每次曝光的积分时间和子孔径集合如下表所示：

(7)分步采集控制器3控制CCD相机5分四次采集光斑数据，第一次采集光斑数据的积分时间为49ms、第二次采集光斑数据的积分时间为79ms、第三次采集光斑数据的积分时间为138ms、第四次采集光斑数据的积分时间为216ms。

(8)分步采集控制器3控制质心计算器6分四次计算光斑的质心子孔径z处光斑质心的计算公式为：

$x_c\left(z\right)=\frac{\underset{\mathrm{ij}}{\overset{\mathrm{Ls},\mathrm{Ms}}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}{g}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\mathrm{ij}}{\overset{\mathrm{Ls},\mathrm{Ms}}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{ij}}},y_c\left(z\right)=\frac{\underset{\mathrm{ij}}{\overset{\mathrm{Ls},\mathrm{Ms}}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ij}}{g}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\mathrm{ij}}{\overset{\mathrm{Ls},\mathrm{Ms}}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{ij}}}---\left(3\right)$

其中，x_c(z)、y_c(z)是子孔径z处光斑在x方向和y方向的质心位置；x_ij，y_ij为像素位置；g_ij子孔径内坐标为(i，j)处的像素点的灰度值；Ls，Ms是子孔径窗口大小，单位是像素。

第一次参与质心计算的子孔径编号为：[33、34、43、44、23、24、32、35、42、45、53、54、22、25、52、55、14、15、31、36、41、46、62、63]、第二次参与质心计算的子孔径编号为：[16、21、26、51、56、61、64、7、8、12、17、30、37、40、47、60、65、69、70、6、9、20、27、50、57、68、71]、第三次参与质心计算的子孔径编号为：[10、11、18、59、66、67、72、2、3、29、38、39、48、74、75]、第四次参与质心计算的子孔径编号为：[1、4、19、28、49、58、73、76]。

(9)波前复原器7将质心计算器6计算得到的质心数据按子孔径的编号排列为质心向量Q，排列方式为：Q＝[x_c(1)，y_c(1)，x_c(2)，y_c(2)，，....x_c(76)，y_c(76)，]′，并将质心向量转换为斜率向量G。

G＝Q/f    (4)

其中：f是微透镜阵列4中单个微透镜的焦距。

(10)波前重构器7利用重构矩阵D+和斜率向量G通过下式计算得到复原波前的Zernike向量A从而得到复原波前。

A＝D⁺G    (5)

重构矩阵D+的计算方式请参考：李华强，夏克-哈特曼波前传感器的若干问题分析，光电所博士论文，2008。

图9中实线表示对图7所示的离焦波前进行100次分时曝光方法复原得到的复原波前的误差，误差的均值为0.15λ％，低于采用单次曝光方法的波前复原误差的均值(0.18λ％)。

综上所述，当被测波前8的入射光强分布不均匀时，本发明的分时曝光哈特曼波前传感器，提高了单个子孔径内光斑质心探测的信噪比，从而提高了质心计算的精度，为提高被测波前8的入射光强分布不均匀时，哈特曼波前传感器的测量精度提供了解决方案。

Claims (4)

1.一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于包括：分光镜（1）、光功率密度测量仪（2）、分步采集控制器（3）、微透镜阵列（4）、CCD相机（5）、质心计算器（6）和波前复原器（7）；入射波前（8）经分光镜（1）后分为波前能量测量部分（9）和波前斜率测量部分（10）；波前能量测量部分（9）进入光功率密度测量仪（2），波前斜率测量部分（10）经微透镜阵列（4）分割后在CCD相机（5）处形成光斑阵列；光功率密度测量仪（2）测量入射波前（8）的光功率密度并将光功率密度数据传递给分步采集控制器（3）；分步采集控制器（3）首先根据入射波前（8）的光功率密度特性和CCD相机（5）的响应灵敏度计算出CCD相机（5）对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间，分步采集控制器（3）再控制CCD相机（5）按照每个子孔径集合的曝光时间分步采集光斑数据并将数据传递给质心计算器（6），分步采集控制器（3）最后控制质心计算器（6）分步计算出每个子孔径集合的光斑质心并传递给波前复原器（7），波前复原器（7）将质心计算器（6）得到的质心排列为质心向量后计算得到入射波前（8）的斜率向量并复原出入射波前的相位分布。

2.根据权利要求1所述的采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述分步采集控制器（3）根据入射波前（8）的光功率密度的特性和CCD相机（5）的响应灵敏度计算出CCD相机（5）对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间的过程如下：首先分步采集控制器（3）计算微透镜阵列的单个子孔径内达到光斑质心测量精度时所需最低信噪比要求时入射光能量的最小值E_min和光斑最大值达到CCD相机（5）规定量程时的入射光能量的最大值E_max；然后将光功率密度测量仪（2）测量得到的光强按微透镜阵列（4）的排布进行分割，对单个子孔径内的光强积分得到子孔径内的入射光功率P_k，k为子孔径编号；再将每个子孔径内的光能量要求和光功率相除得到曝光时间的下限t_kmin＝E_min/P_k和曝光时间的上限t_kmax＝E_max/P_k，将满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集，得到每步采集的子孔径集合及每次采集的子孔径集合的曝光时间。

3.根据权利要求2所述的采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集过程如下：

（a）将子孔径编号k与曝光时间的上限t_kmax、曝光时间的下限t_kmin对应，形成子孔径编号向量K、曝光时间上限向量T_max和曝光时间下限向量T_min；

（b）取出曝光时间上限向量T_max中最小值t_max的子孔径编号，并找出曝光时间下限向量T_min小于t_max的子孔径编号，形成以t_max为曝光时间的子孔径集合；

（c）将步骤（b）中取出的子孔径编号从子孔径编号向量K中取出，并取出曝光时间上限向量T_max和曝光时间下限向量T_min中对应的t_kmax和t_kmin值；

（d）重复步骤（b）和（c），直到所有子孔径都取出，从而实现满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集。

4.根据权利要求2所述的采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于：为避免CCD相机（5）饱和，所述光斑最大值达到CCD相机（5）规定量程不等于CCD相机（5）的满量程，根据实际情况光斑最大取CCD相机（5）满量程的80%～90%。

Images