CN102636271B - 一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置 - Google Patents

Abstract

一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置，由光束匹配系统、成像透镜、分光镜、反射镜、带有小孔的反射镜、平移机构和光电探测器CCD组成，其特征在于所述的差分光学系统：可通过一个光电探测器同时获得同一目标的焦面图像和离焦面图像；不损失待成像目标的光强能量；离焦面可获得从零逐渐增大的连续可调离焦量；焦面和离焦面图像在光电探测器CCD靶面中的位置能任意调整。相对于目前用于相位差法的各种成像技术，本发明结构简单稳定，可通过一个光电探测器同时获得焦面和离焦面两幅图像，能灵活调整用于相位差法的各项参数，并且能实现最大光能利用，为相位差法波前测量技术在实际工程，尤其是弱光条件下的运用奠定基础。

Description

一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置

技术领域

本发明涉及一种波前测量成像装置，特别是一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置。

背景技术

波前(Wave front)相差会使入射光束的波前发生畸变，从而大大降低光学成像系统的分辨力以及成像质量。自上世纪50年代，人们提出了自适应光学技术(Adaptive Optics，AO)，有效改善了光学成像系统，尤其是地基式望远镜的成像质量。但受限于波前传感器的探测精度，变形镜的有限校正能力及控制回路的有限带宽，AO系统对波前畸变的校正是部分的，其校正后的结果依然受到残余相差的影响，服务于AO系统成像结果的事后处理方法一直是该领域的研究热点。

相位差法(Phase Diversity，PD)需要同时采集同一目标经过不同光学通道的一组或多组图像(通常为焦面和离焦面图像)，来计算入射光波的波前畸变，并同时恢复出退化目标的真实像。因此PD既作为一种波前探测技术，又作为一种图像事后处理方法，受到国内外广泛研究和关注，如美国亚里桑那光学中心、波音公司下属实验室、洛克希德-马丁公司下属实验室、通用动力高级信息系统公司下属实验室等多家研究机构相继搭建了实验平台，以验证PD方法的可行性和实用性(王欣，赵达尊，毛珩等，相位变更方法发展简述[J].光学技术，2009，35(3)：454～460)。

然而根据PD算法原理，要求至少同时采集同一目标的焦面和离焦面两幅图像，这使得目前使用的PD光学成像系统存在多种局限。例如(1)利用两个光电探测器CCD分别采集焦面和离焦面图像的成像系统(中国专利，一种基于相位差的人眼相差测量系统，宣丽，李大禹，孔宁宁等，公开号：CN20205027561U，2011.11)，需要通过外触发方式对同一目标同时成像，这样一方面对外触发电路提出较高要求，难以做到完全同步，另一方面也无法保证两个光电探测器CCD的曝光增益、量子效率、噪声水平等接近一致，这使采集到的数据难以反映真实焦面和离焦面图像，实际应用中严重影响了PD的测量精度和复原结果；(2)利用传统分光技术通过一个光电探测器CCD同时采集焦面和离焦面图像的成像系统(于学刚，相位差波前探测器设计[M].中国科学院研究生院硕士学位论文.2008；中国专利，一种基于组合棱镜的相位差波前传感器，罗群，饶长辉，王晓华等，申请号：201210027766.X，2012.02)，这类方法通常采用分光镜或分光棱镜和反射棱镜组合的方式控制焦面和离焦面光束投射到一个光电探测器CCD靶面，但存在以下不足：光束在透过分光镜时存在光能损失，这使得在弱光条件下的PD运用受到很大制约；无法提供从零逐渐可调的离焦量，在实际运用中不能为PD提供合适的离焦面图像，难以保证测量和复原结果的真实准确；分光棱镜组合存在多个反射表面，这对微光学元件的加工提出很高要求，否者每个表面都将对成像系统引入额外的未知相差，严重影响算法结果。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服目前使用的PD光学成像系统的图像采集方式难以在工程中运用的诸多局限，为相位差法波前测量技术提供一种成像装置，实现仅利用一个光电探测器CCD就能同时采集焦面和离焦面图像，并能提供光能比可调的焦面和离焦面光束，以及离焦量可从零开始逐渐增加的离焦面图像，还能实现最大程度光能利用。

本发明的技术解决方案是：基于差分光学的相位差法波前测量成像装置，包括光束匹配系统(1)、成像透镜(2)、分光镜(3)、第一反射镜(4)、带有小孔的反射镜(5)、第二反射镜(6)、光电探测器(7)、第一平移机构(8)和第二平移机构(9)；其中光电探测器CCD(7)放置于第二平移机构(9)上，第一反射镜(4)置于第一平移机构(8)上；待成像目标发出的光波经光束匹配系统(1)缩放，得到与成像透镜(2)口径相匹配的光束，再经过成像透镜(2)得到汇聚光束，然后送至分光镜(3)；分光镜(3)将光波分为两束，其中一束光作为焦面光束经第二反射镜(6)及透过带有小孔的反射镜(5)中的小孔反射到光电探测器CCD(7)；另外一束光作为离焦面光束经第一反射镜(4)和带有小孔的反射镜(5)反射到光电探测器CCD(7)；利用第二平移机构(9)改变光电探测器CCD(7)的前后位置，使光电探测器CCD(7)位于焦面光束的焦面；利用第二平移机构(9)改变光电探测器CCD(7)的上下、左右位置，调整焦面光束在光电探测器CCD(7)靶面的指定位置；在确定光电探测器CCD(7)的位置后，通过第一平移机构(8)改变第一反射镜(4)的前后位置，调整焦面光束和离焦面光束之间的光程差，从而产生从零逐渐增大的离焦面图像，离焦面图像对应的离焦波面

可采用下述公式计算：

式中，F为成像装置焦距，D为成像装置口径，λ为入射光波波长，x，y∈[-1，1]为波面函数归一化坐标，Δd为焦面光束和离焦面光束之间的光程差，其测量公式计算为：

Δd＝a-b                                      (2)

式中，a和b分别为光电探测器CCD分别位于焦面光束和离焦面光束的焦面时对应的位置。

通过更换不同分光比的分光镜(3)，可以调整焦面和离焦面光束的光强分配，获得不同光能比的焦面和离焦面图像，从而灵活调整离焦面光束的能量，解决离焦面图像信噪比过低的问题。

在确定光电探测器CCD(7)和第二反射镜(6)的位置后，通过改变第一反射镜(4)和带小孔的反射镜(5)之间的角度关系，可以调整离焦面光束在光电探测器CCD(7)靶面的指定位置，从而避免焦面和离焦面图像相互重叠的情况，实现光电探测器CCD靶面的充分利用。

本发明的原理是：(1)分光镜将同一目标的光波分为两束，其中一束光直接投射到光电探测器CCD靶面，另一束光通过反射镜反射，增加其到达光电探测器CCD靶面的距离，使这两束光在到达光电探测器CCD靶面时存在一定的光程差，从而产生同一目标的焦面像和离焦面像；(2)焦面光束通过反射镜预留的小孔到达光电探测器CCD靶面，离焦面光束通过反射镜反射到达光电探测器CCD靶面，避免光束经过分光镜时存在的光能损失；(3)利用反射镜之间的角度关系，可将离焦面光束投射到光电探测器CCD靶面的不同位置，避免焦面和离焦面图像相互重叠的情况，实现一个光电探测器CCD对同一目标同时成焦面和离焦面两个像；(4)差分光学结构将同一目标的光波分为两束，但不引入光程差，离焦面光束到光电探测器CCD靶面所增加的距离仅通过反射镜反射产生，从而可获得离焦量从零逐渐增大的离焦面图像。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明通过一个光电探测器CCD，可同时采集同一目标的焦面像和离焦面像；其结构简单稳定，能够为PD提供更加可靠的数据采集方法，克服了现有技术需要两个电探测器CCD通过外触发机构对同一目标同时成像的不足。

(2)本发明采用小孔透射光束，并结合反射镜反射光束的工作方式，焦面光束(或离焦面光束)通过反射镜预留的小孔到光电探测器CCD靶面，离焦面光束(或焦面光束)通过反射镜反射到光电探测器CCD靶面，该分光过程不损失待成像目标的光强能量，避免了现有技术中存在的光能损失问题。

(3)本发明通过平移机制和反射镜角度关系，可改变焦面和离焦面光束之间的光程差，能任意调整焦面和离焦面图像在光电探测器CCD靶面中的位置，从而获得离焦量从零逐渐增大的离焦面图像，避免焦面和离焦面图像相互重叠的情况，能最大程度利用光电探测器CCD靶面。

(4)本发明采用差分光学设计，并结合反射镜反射的工作方式产生光程差，解决了现有技术中离焦量不能从零逐渐增加的不足，可以为PD提供更加灵活的数据采集方法。

(5)通过垂直和水平方面平移光电探测器CCD，可调整通过反射镜小孔的光束到达光电探测器CCD靶面的位置；通过调整反射镜之间的角度，可调整反射光束到达光电探测器CCD靶面的位置，从而实现光电探测器CCD靶面的充分利用。

本发明所具有的上述优点，为相位差法波前测量技术在实际工程，尤其是弱光条件下的运用奠定了坚实基础，具有显著的实用价值。

附图说明

图1为本发明提出的基于差分光学的相位差法波前测量成像装置结构示意图；

图2为调整离焦面光束投射于光电探测器CCD靶面指定位置的工作原理示意图；

图3为本发明使用一个光电探测器CCD同时采集同一目标的焦面图像和离焦面图像，其中3-a为理想焦面图像，3-b为理想离焦面图像。

具体实施方式

如图1所示，本发明由光束匹配系统1、成像透镜2、分光镜3、第一反射镜4、带有小孔的反射镜5、第二反射镜6、光电探测器CCD 7、第一平移机构8、第二平移机构9组成。其中待成像目标发出的光波经光束匹配系统1和成像透镜2到分光镜3，分光镜3将光波分为两束(通过更换不同分光比的分光镜3可调整两束光的光强比)，其中一束光(作为焦面光束)经第二反射镜6反射，并透过带有小孔的反射镜5中的小孔到达光电探测器CCD7；另外一束光(作为离焦面光束)分别经第一反射镜4和带有小孔的反射镜5(此时不透过小孔，只经小孔外的镜面反射)反射到光电探测器CCD7。

如图1所示，通过更换不同分光比的分光镜3可调整焦面和离焦面束光的光强比；分光比的大小需根据实际采集图像的信噪比确定，PD要求的分光比通常为50％∶50％，但如果离焦面图像信噪比过低，则需要提高离焦面光束的能量，选用透射率更大的分光镜替换原分光镜3。

如图1所示，光电探测器CCD 7放置于第二平移机构9，利用平移机构9改变光电探测器CCD7的前后位置，使光电探测器CCD7位于焦面光束的焦面；利用第二平移机构9改变光电探测器CCD7的上下、左右位置，调整焦面光束在光电探测器CCD7靶面的指定位置。

如图1所示，在确定光电探测器CCD7的位置后，通过第一平移机构8改变第一反射镜4的前后位置，调整焦面光束和离焦面光束之间的光程差，从而产生从零逐渐增大的离焦面图像，离焦面图像对应的离焦波面

可采用下述公式计算：

式中，F为成像装置焦距，D为成像装置口径，λ为入射光波波长，x，y∈[-1，1]为波面函数归一化坐标，；Δd为焦面光束和离焦面光束之间的光程差，其测量可采用如下公式计算：

Δd＝a-b                              (2)

式中，a和b分别为光电探测器CCD7分别位于焦面光束和离焦面光束的焦面时对应的位置。测量过程分为以下三个步骤，第一步通过第二平移机构9移动光电探测器CCD7的位置，使光电探测器CCD7位于焦面光束的焦面，并确定第二平移机构9的当前位置a；第二步通过第二平移机构9向前移动光电探测器CCD7，使光电探测器CCD7位于离焦面光束的焦面，并确定第二平移机构9的当前位置b，第三步利用光栅尺等测量工具，测量位置a和位置b之间的距离Δd。

如图2所示，在确定光电探测器CCD7和第二反射镜6的位置后，通过改变第二反射镜4和带有小孔的反射镜5之间的角度关系，调整离焦面光束在光电探测器CCD7靶面的指定位置。调整过程分为两步，第一步调整第二反射镜4的倾斜角度，改变离焦面光束投射到带有小孔的反射镜5的位置；第二步调整带有小孔的反射镜5的倾斜角度，使离焦面光束垂直入射光电探测器CCD7靶面。

总之，本发明通过一个光电探测器同时获得同一目标的焦面图像和离焦面图像；不损失待成像目标的光强能量；离焦面可获得从零逐渐增大的连续可调离焦量；焦面和离焦面图像在光电探测器CCD靶面中的位置能任意调整。相对于目前用于相位差法的各种成像技术，本发明结构简单稳定，可通过一个光电探测器同时获得焦面和离焦面两幅图像，能灵活调整用于相位差法的各项参数，并且能实现最大光能利用，为相位差法波前测量技术在实际工程，尤其是弱光条件下的运用奠定基础。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置，其特征在于包括光束匹配系统(1)、成像透镜(2)、分光镜(3)、第一反射镜(4)、带有小孔的反射镜(5)、第二反射镜(6)、光电探测器CCD(7)、第一平移机构(8)和第二平移机构(9)；其中第一反射镜(4)放置于第一平移机构(8)上，光电探测器CCD(7)放置于第二平移机构(9)上；待成像目标发出的光波经光束匹配系统(1)缩放，得到与成像透镜(2)口径相匹配的光束，再经过成像透镜(2)得到汇聚光束，然后送至分光镜(3)；分光镜(3)将光波分为两束，其中一束光作为焦面光束经第二反射镜(6)反射，并透过带有小孔的反射镜(5)中的小孔到达光电探测器CCD(7)；另外一束光作为离焦面光束分别经第一反射镜(4)和带有小孔的反射镜(5)反射到光电探测器CCD(7)；利用第二平移机构(9)改变光电探测器CCD(7)的前后位置，使光电探测器CCD(7)位于焦面光束的焦面；利用第二平移机构(9)改变光电探测器CCD(7)的上下、左右位置，调整焦面光束在光电探测器CCD(7)靶面的指定位置；在确定光电探测器CCD(7)的位置后，通过第一平移机构(8)改变第一反射镜(4)的前后位置，调整焦面光束和离焦面光束之间的光程差，从而产生从零逐渐增大的离焦面图像，离焦面图像对应的离焦波面

可采用下述公式计算：

式中，F为成像装置焦距，D为成像装置口径，λ为入射光波波长，x，y∈[-1，1]为波面函数归一化坐标，Δd为焦面光束和离焦面光束之间的光程差，其测量公式计算为：

Δd＝a-b                          (2)

式中，a和b分别为光电探测器CCD分别位于焦面光束和离焦面光束的焦面时对应的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置，其特征在于：通过更换不同分光比的分光镜(3)，调整焦面和离焦面光束的光强分配，从而获得不同光能比的焦面和离焦面图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于差分光学的相位差法波前测量成像装置，其特征在于：在确定光电探测器CCD(7)和第二反射镜(6)的位置后，通过改变第一反射镜(4)和带小孔的反射镜(5)之间的角度关系，调整离焦面光束在光电探测器CCD(7)靶面的指定位置。

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