CN102621688A - 基于差分传感器的自适应光学系统 - Google Patents

基于差分传感器的自适应光学系统 Download PDF

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CN102621688A CN2012101105092A CN201210110509A CN102621688A CN 102621688 A CN102621688 A CN 102621688A CN 2012101105092 A CN2012101105092 A CN 2012101105092A CN 201210110509 A CN201210110509 A CN 201210110509A CN 102621688 A CN102621688 A CN 102621688A
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Abstract

本发明是一种基于差分传感器的自适应光学系统，该系统由差分传感器、主控计算机和波前校正器组成，侍校正像差通过波前校正器反射或透射，与补偿量
Figure 2012101105092100004DEST_PATH_IMAGE004
叠加，得到校正后的残余像差进入差分传感器后，由差分传感器中的CCD相机实时记录经过波前校正器补偿后残余波前的+1阶和-1阶的衍射图像，再经图像采集卡、差分运算得到信号差
Figure 2012101105092100004DEST_PATH_IMAGE006
；主控计算机根据输入的信号差
Figure 327389DEST_PATH_IMAGE006
，依据实时控制算法生成波前校正器的驱动信号U；驱动信号U通过波前校正器的驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的补偿量
Figure 244529DEST_PATH_IMAGE004
，如此反复实时闭环工作，最终使侍校正像差
Figure 961950DEST_PATH_IMAGE002
得到校正，获得理想成像效果。本发明光路简单、易于实现，具有较强的抗噪能力，实用性强。

Description

基于差分传感器的自适应光学系统
技术领域
 本发明属于光学技术领域，涉及一种新型自适应光学系统，具体涉及到一种基于差分传感器(a null sensor)的自适应光学系统。
背景技术
自适应光学技术能够动态的克服各种像差对光学系统的影响，是改善成像系统的分辨能力和激光系统的光束质量的有力手段。一套典型的自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成。波前传感器测量系统的光学像差，波前控制器根据波前传感器得到的测量数据计算出波前校正器的控制信号，最后通过波前校正器来校正整个系统的光学像差。波前传感器是整个自适应光学系统的关键部件之一。
最广泛使用的波前传感器为夏克-哈特曼波前传感器，如中国科学院光电技术研究所研制的61单元星体成像补偿系统、美国林肯实验室的SWAT系统及欧洲的Come-On系统等。其原理通常采用微透镜阵列分割光束口径，并将入射光聚焦到光电探测器上（通常称为CCD）的光敏靶面。这类波前传感器的微透镜阵列与CCD探测器的耦合技术比较复杂，微透镜阵列各个单元焦距的不一致会影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高，安装、调试困难；在系统中，必须保证哈特曼波前传感器子孔径布局与变形镜驱动器布局按照一定关系对应，否则会影响控制算法乃至整个控制系统的稳定性，且仅适用于连续波前。
授权号为CN101013195 B的中国专利公开了一种“基于线性相位反演的自适应光学系统” ，该方法能量利用率高、计算量小，但只能针对像差均方根(RMS)小于0.2                                               
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE002
的情况，且对噪声十分敏感。欧洲专利EP2012102A1和美国专利US2006/0175528提出了基于衍射光学元件的差分传感器，并指出差分传感器可以在自适应光学系统中使用。差分传感器作为一种新型的波前传感器应用到自适应光学系统时，必须有合适的控制方式，世界专利WO2009/058747仅给出了基于差分传感器的相位恢复方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种光路简单、易于实现，具有较强的抗噪能力、实用性强的基于差分传感器的自适应光学系统。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于差分传感器的自适应光学系统，其特点是：该系统由差分传感器、主控计算机和波前校正器组成，侍校正像差
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE004
通过波前校正器反射或透射，与波前校正器补偿量
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE006
叠加，得到校正后的残余像差
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE008
，残余像差
Figure 886680DEST_PATH_IMAGE008
进入差分传感器后，由差分传感器中的CCD相机实时记录经过波前校正器补偿后残余波前的+1阶和-1阶的衍射图像，再经图像采集卡、差分运算得到信号差
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE010
；主控计算机根据输入的信号差
Figure 771459DEST_PATH_IMAGE010
，依据实时控制算法生成波前校正器的驱动信号U；
所述的驱动信号U通过下列公式计算得到：
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE012
其中向量
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE014
，向量
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE018
为波前校正器第
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE020
个影响函数通过差分传感器后得到的信号差，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE022
为绝对值运算， 
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE024
为取符号运算；
驱动信号U通过波前校正器的驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的补偿量
Figure 498149DEST_PATH_IMAGE006
，如此反复实时闭环工作，最终使侍校正像差
Figure 697049DEST_PATH_IMAGE004
得到校正，获得理想成像效果。
本发明所涉及的差分传感器(the null sensor)为现有技术，它由透镜、光栅透镜组合、CCD相机、图像采集卡和差分运算等组成。差分传感器可以完成光路传输、图像采集、差分运算。
本发明所依据的控制算法利用从差分传感器获得的计算波前校正器所需要的驱动信号。控制算法的基本原理说明如下：
在差分传感器的透镜
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE026
的焦距处可以得到侍校正像差
Figure 483925DEST_PATH_IMAGE004
（待测波前）的傅里叶变换
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE028
。由傅里叶光学可以知道，透镜
Figure 175937DEST_PATH_IMAGE026
的后焦面上的复振幅分布是入射场
Figure 912949DEST_PATH_IMAGE004
的夫琅和费衍射模式。这可以通过输入波前分布的傅里叶变换乘上一个二次相位因子来计算：
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE030
        (1)
其中
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE032
是波数，为波长，这里指透镜的焦距。由于之后光栅透镜组合的特性，公式（1）中的二次相位因子可以忽略，因此透镜
Figure 917924DEST_PATH_IMAGE026
焦面上的场分布
Figure 130731DEST_PATH_IMAGE028
可以简单地认为是输入待测波前
Figure 774202DEST_PATH_IMAGE004
的傅里叶变换，差分传感器中A点的场分布可以用下式描述：
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE036
                    (2)
其中
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE038
是由光栅作用的函数（
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE040
为分散相位（Diversity Phase），
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE042
为瞳函数，内部为1，外部为0。差分传感器在像平面同时探测到待测波前的+1阶像和-1阶像，将两幅图像做减运算形成差分传感器。其输出信号，即信号差
Figure 922417DEST_PATH_IMAGE010
，与输入待测波前
Figure 651339DEST_PATH_IMAGE004
的大小和方向有一定的对应关系，并且当输入待测波前为平面波时，信号差
Figure 667836DEST_PATH_IMAGE010
为零，因此差分传感器的英文名字称为“a null sensor”。
波前校正器通常采用变形镜，本发明以变形镜为例来论证基本原理，但本发明的使用并不限于变形镜。变形镜是一个背面有规律排布若干电动驱动器的薄镜面，从变形镜反射出的光束波前相位由变形镜的面形决定，而变形镜的镜面面形由各个驱动器的控制电压决定。因此各个驱动器控制电压的确定是整个控制算法的核心。
根据变形镜的工作原理，其产生的波前校正量可以表示为所有驱动器波前校正量的线性叠加：
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE044
             (3)
其中
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE046
代表入射孔径上正交分布网格点，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE048
为第
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE050
个驱动器的控制电压，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE052
为第
Figure 975933DEST_PATH_IMAGE050
个驱动器的影响函数，即单位电压的波前校正量，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE054
为全部有效驱动器的个数。单个驱动器施加单位电压后产生的变形数学上可以使用函数来描述，这个函数称为影响函数，即公式(3)中的
Figure 685264DEST_PATH_IMAGE052
。所有通过差分传感器后都可以得到一个对应的
Figure 206823DEST_PATH_IMAGE018
。理论分析可以知道校正器的波前校正量对应的信号差可以用
Figure 626489DEST_PATH_IMAGE054
个
Figure 64423DEST_PATH_IMAGE018
的线性组合来近似。
推导过程简述如下。由图2及差分传感器的工作原理可知
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE056
        （4）
其中符号表示傅里叶变换，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE060
表示卷积运算，||表示取模运算。而
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE062
，另外使用表示
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE068
表示
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE070
，则公式(4)变为下式：
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE072
         （5）
（5）式为完全平方式，将其展开、移项，并用
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE074
表示除平方项之外的所有余项，可得下式
             （6）
为减少计算量，忽略（6）式中的余项，可得：
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE078
                （7）
定义向量
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE080
，对公式(7)求伪逆运算，分别取绝对值和符号运算得
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE082
                (8)
令
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE084
，取
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE086
                      (9)
Figure 393828DEST_PATH_IMAGE054
个影响函数
Figure 192764DEST_PATH_IMAGE052
对应的
Figure 117994DEST_PATH_IMAGE054
个信号差
Figure 279985DEST_PATH_IMAGE018
可以事先计算或测量。因此在自适应光学闭环系统中，由差分传感器得到的残余波前对应的信号差
Figure 341482DEST_PATH_IMAGE010
后，公式（7）中只有与待求驱动信号
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE088
有关的为未知数。
本发明基于差分传感器(a null sensor)的自适应光学系统。可用于静态和动态像差的校正，如大气湍流造成的波前畸变校正、人眼底成像中的波前像差校正等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
    (1) 典型的自适应光学系统所使用的波前传感器为哈特曼波前传感器，进行波前测量时需要经过波前相位分解、波前斜率计算、波前相位重构三大过程，计算过程比较繁琐。本发明是一种间接波前探测技术，直接利用像面信息计算波前校正器所需控制信号实现闭环控制，使得整个系统的复杂性大大降低。
(2) 本发明直接从像平面图像计算控制信号，且
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE092
级衍射图像同时在像平面获得，不需要单独的波前传感器，避免了通常自适应光学系统中波前传感器和成像系统相互独立分光、浪费入射光能量的缺点，提高了光能利用率。
(3) 本发明的波前校正过程简化为矩阵乘法的运算，特别适合用现代的DSP（数字信号处理）技术实时快速完成。相对其它波前测量技术的迭代计算过程，本发明的计算量小，计算速度快。可以应用于自适应光学等实时性要求较高的应用领域。
(4) 本发明装置的波前传感方法，具有较强的抗噪能力。在两幅图像做差运算的过程中，可以较大程度地消除光学系统的成像噪声对波前恢复效果的影响。具有较强的抗噪能力，使得本发明的波前校正方法更具有实用性，因为光学系统的自身噪声在实际应用场合下是不可避免的。该方法直接利用差分传感器的测量信号来控制波前校正器的面形变化，以校正畸变的入射光束波前。
附图说明
图1为本发明基于差分传感器的自适应光学系统原理图；
图2为差分传感器的原理图；
图3为本发明基于差分传感器的闭环自适应光学系统控制算法流程图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1，一种基于差分传感器的自适应光学系统，该系统由差分传感器、主控计算机和波前校正器组成，侍校正像差
Figure 750467DEST_PATH_IMAGE004
通过波前校正器反射或透射，与波前校正器补偿量叠加，得到校正后的残余像差，残余像差
Figure 998674DEST_PATH_IMAGE008
进入差分传感器后，由差分传感器中的CCD相机实时记录经过波前校正器补偿后残余波前的+1阶和-1阶的衍射图像，再经图像采集卡、差分运算得到信号差；主控计算机根据输入的信号差
Figure 275120DEST_PATH_IMAGE010
，依据实时控制算法生成波前校正器的驱动信号U；
所述的驱动信号U通过下列公式计算得到：
Figure 841231DEST_PATH_IMAGE012
其中向量，向量
Figure 441157DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 513761DEST_PATH_IMAGE018
为波前校正器第
Figure 883563DEST_PATH_IMAGE020
个影响函数通过差分传感器后得到的信号差，
Figure 711842DEST_PATH_IMAGE022
为绝对值运算， 
Figure 508896DEST_PATH_IMAGE024
为取符号运算；
驱动信号U通过波前校正器的驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的补偿量
Figure 304683DEST_PATH_IMAGE006
，如此反复实时闭环工作，最终使侍校正像差
Figure 478175DEST_PATH_IMAGE004
得到校正，获得理想成像效果。
如图2所示。所述的差分传感器(the null sensor)由透镜
Figure 426540DEST_PATH_IMAGE026
、光栅透镜组合、CCD相机、图像采集卡、差分运算组成；主控计算机完成实时控制算法并生成波前校正器的驱动信号。在自适应光学系统闭环工作时，由差分传感器中的CCD相机实时测量经过波前校正器补偿后残余波前的+1阶和-1阶的衍射图像，再经图像采集卡、差分运算得到信号差。在主控计算机中利用实时控制算法对信号差
Figure 179043DEST_PATH_IMAGE010
进行处理获得波前校正器的控制电压，该控制电压通过驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的波前补偿量，如此反复实时闭环工作，最终使畸变波前像差得到校正，获得理想成像效果。
具体实施过程中首先要测量单个驱动器经差分传感器后的信号差，这些数据与具体的待测波前没有关系，是波前校正器的特性之一，存储下来以备用；另外，当将本发明用于白光或其他非单色光进行波前校正时，由于光栅的色散作用，将会在成像平面上产生色差。为了消除色差的影响，可以在光路的透镜L1之前添加一个窄带滤波片。当用于激光等单色光时，无需使用滤波片。
待校正波前像差
Figure 693518DEST_PATH_IMAGE004
与波前校正器补偿量
Figure 832375DEST_PATH_IMAGE006
叠加，得到校正后的残余像差为。待校正残余波前由变形反射镜经差分传感器后，得到残余波前的，即对+1阶和-1阶的衍射图像做减运算得到
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE096
。在得到表征输入待测波前的大小和方向的信号差
Figure 460912DEST_PATH_IMAGE096
后，使用前面的公式（7）和(8)及事先测量的进行运算得到控制信号
Figure 2012101105092100002DEST_PATH_IMAGE098
。
残余电压得到的控制信号需要经过实时控制运算得到驱动器的控制电压。例如采用最简单的比例积分控制算法时，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，其中
Figure 966029DEST_PATH_IMAGE032
表示当前时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
表示前一个时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE104
为控制器增益。当然也可以采用PID等其它实时控制算法，这一点与通常采用哈特曼传感器的自适应光学系统的控制算法相同。控制电压通过驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的波前补偿量。如此反复实时闭环工作，最终使畸变波前得到校正，取得理想成像效果。图3为控制算法流程图。图中的
Figure DEST_PATH_IMAGE106
满足一定条件，这个条件可以是
Figure 645534DEST_PATH_IMAGE106
的均方差值小于某一个阈值或者
Figure 485314DEST_PATH_IMAGE106
的各像素点的平方求和大于
Figure DEST_PATH_IMAGE108
的各像素点的平方值求和。由前面介绍的差分传感器的原理可知，当残余波前接近平面波时，
Figure 903657DEST_PATH_IMAGE106
信息也趋于平坦；当残余为平面波时，输出
Figure 383049DEST_PATH_IMAGE106
为零，所以得出上述循环结束条件。

Claims (1)

1.一种基于差分传感器的自适应光学系统，其特征在于：该系统由差分传感器、主控计算机和波前校正器组成，侍校正像差                                               
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE002
通过波前校正器反射或透射，与波前校正器补偿量
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE004
叠加，得到校正后的残余像差
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE006
，残余像差
Figure 775265DEST_PATH_IMAGE006
进入差分传感器后，由差分传感器中的CCD相机实时记录经过波前校正器补偿后残余波前的+1阶和-1阶的衍射图像，再经图像采集卡、差分运算得到信号差
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE008
；主控计算机根据输入的信号差
Figure 630088DEST_PATH_IMAGE008
，依据实时控制算法生成波前校正器的驱动信号U；
所述的驱动信号U通过下列公式计算得到：
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE010
其中向量，向量
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE016
为波前校正器第
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE018
个影响函数通过差分传感器后得到的信号差，
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE020
为绝对值运算， 
Figure 2012101105092100001DEST_PATH_IMAGE022
为取符号运算；
驱动信号U通过波前校正器的驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的补偿量
Figure 157628DEST_PATH_IMAGE004
，如此反复实时闭环工作，最终使侍校正像差
Figure 552838DEST_PATH_IMAGE002
得到校正，获得理想成像效果。
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