CN102889935A - 基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及标定方法 - Google Patents
基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及标定方法,装置由波前校正器、分光镜、近场波前传感器、波前控制器、成像系统和相位差波前传感器组成。所述方法利用相位差波前传感器测量全系统静态像差，并通过波前控制器控制波前校正器校正该静态像差；完成静态像差校正后，对位于瞳面位置的近场波前传感器的参考位置进行零点标定或对绝对像差进行零点设定，并以此作为该自适应光学系统的波前控制目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。通过本发明实现全光路静态像差的有效校正，回避校正器非线性响应带来的波前控制误差，且没有明显增加系统复杂性和额外像差，对提高自适应光学系统校正能力效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及标定方法。
背景技术
自适应光学系统是目前大多数光学系统提高成像分辨率的有效手段，尤其对于复杂性高、光学元器件多的大型光学系统。自适应光学系统主要包含波前探测器、波前控制器和波前校正器等3个部分。首先由波前探测器对光路中的波前畸变进行探测，并通过波前控制器计算对应波前校正器的校正量，最终通过波前校正器实施波前校正，从而达到更高的成像质量或能量集中度等。由于波前校正器的非线性响应特性，目前主要自适应光学系统均采用多次闭环控制的方法实现对波前畸变的校正。对于波前探测而言，基于近场光强分布信息的波前检测技术较为广泛的应用于自适应光学系统中，典型代表为哈特曼-夏克型波前传感器，其能量利用率高、波前探测速度快、结构简单，使之成为很多自适应光学系统中不可缺少的探测器件。
然而，在很多成像系统中，基于近场光强分布信息的波前探测器仅能够探测进入成像系统之前部分光路的像差，对于进入成像系统后的波前畸变则无法完成波前诊断，这常常使得自适应光学系统波前控制能力限制在某一较低水平上，其根本原因在于未对该成像系统全光路像差实施完整校正。2009年，黄林海等人在专利号：200910241233的“基于远场性能指标的自适应光学系统标定装置”中提出采用基于SPGD的方法对全光路像差进行标定，基本做法是：利用SPGD算法控制波前控制器，使得像面成像质量达到最好状态时记录校正器控制量，定义为预校正量，并在每次自适应光学系统闭环校正器时将该预校正量预先加载到校正器中。这种方法没有客观测量数据做基准，往往需要很多次试探性校正后才能获得较好的效果，对于某些较复杂的成像系统，其波前控制效果影响因素较多，过程较为复杂，存在一定的不稳定性。此外，由于校正器的非线性响应，这种预加校正量的方式往往不能达到较好的波前控制效果。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及标定方法，实现对全光路静态像差的完整校正。
本发明的技术解决方案：一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及方法，包括波前校正器1、第一分光镜2、近场波前传感3、波前控制器4、成像系统5和相位差波前传感器6；相位差波前传感器6与成像系统5共用成像光路；标定光束在从波前校正器1反射并最终进入近场波前传感器3的传播过程中，由于各光学镜面的加工以及装配误差等因素，使得最终进入近场波前传感器中的光束含有一不随时间变化的静态像差
该静态像差由于产生于近场波前传感器3和相位差波前传感器6的共用光路中，因此，这里将从波前校正器1反射并最终进入近场波前传感器3的传播过程中静态像差称为自适应光学系统共光路静态像差。
如前所述，标定光束在经过第一分光镜反射2后入射于成像系统5和相位差波前传感器6中，成像器件5后方的汇聚光路中引入第二分光镜9，透射光束仍然成像于焦面位置，反射光束成像于离焦位置，离焦面位置与相应焦面位置之间的距离为已知量，记为d；第一成像探测器8置于透射光束所在的焦面位置，用于测量标定光束经过波前校正器反射并最终进入第一成像探测器8光敏面后的光强分布信息I；第二成像探测器10置于反射光束所在的离焦面位置，用于测量标定光束经过波前校正器反射并最终进入第二成像探测器10光敏面后的光强分布信息Id。标定光束在从波前校正器1和第一分光镜2反射并最终进入第一成像探测器8的传播过程中，由于前文所述的自适应光学系统共光路静态像差
以及第二分光镜9及成像系统5的加工以及装配误差等引入的额外波前像差，该相差为不随时间变化的静态像差，记为
该静态像差包含了自适应光学系统共光路静态像差和成像系统像差等自适应光学系统全系统像差，因此这里将静态像差
称为自适应光学系统全光路静态像差。相对而言，标定光束在从波前校正器1反射并最终进入第二成像探测器10的传播过程中，其与第一成像探测器之间仅存在一个已知的离焦像差，该离焦像差与离焦距离d有定量关系，即为
根据第一成像探测器8和第二成像探测器10实际测量的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息Id，以及二者之间已知的离焦像差大小
可以测量得到自适应光学系统全光路静态像差
该自适应光学系统全光路静态像差
与焦面光强分布信息I、离焦面光强分布信息Id以及二者之间已知的离焦像差大小
的定量数学关系如下：
其中，i为虚数单位，
表示傅里叶变换，p(r)表示光瞳振幅分布函数。
根据公式(1)，并通过相位差复原算法即可反演出自适应光学系统全光路静态像差
根据相位差波前传感器6对自适应光学系统全光路静态像差的检测结果
波前控制器4可以计算出波前校正器1各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器1，使之产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，从而实现对自适应光学系统全光路静态像差的校正，最终使得标定光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；在此最佳状态下，对位于瞳面位置的近场波前传感器3的进行初始像差的零点标定，并以此作为该自适应光学系统的校正目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。
本发明具有的优点如下：
（1）相较于传统单瞳面波前传感器自适应光学系统而言，本发明能够实现对各种用途成像系统实施全光路像差校正，对自适应光学系统，尤其是对目标观测的成像型自适应光学系统而言，能够有效提高波前控制能力，优越性明显。
（2）相较于单独测量非共光路像差然后各自单独校正的方式而言，本发明专利提出的方法能够有效回避校正器非线性响应带来的波前控制误差，对提高应用于成像系统的自适应光学波前控制能力效果明显。
（3）相较于其他测量器件，基于相位差波前传感器的标定方法，能够与成像系统共用光学器件，测量结果直接反映全光路静态像差，不会引入额外像差造成校正误差，对提高标定精度效果明显。
（4）相较于其他测量器件，基于相位差波前传感器的标定方法，能够与成像系统共用光学器件，测量结果直接反映全光路静态像差，不会引入额外像差造成校正误差，对提高标定精度效果明显。
（5）本发明能够在不明显增加系统复杂性的条件下实现对自适应光学系统全光路像差的检测。
总之，本发明能够在不明显增加系统复杂性的条件下，实现对自适应光学系统近场波前传感器进行有效标定，从而提高自适应光学系统的波前校正能力。在某些特殊应用领域，如光学系统静态畸变波前、激光光束波前诊断、人眼像差测量、天文观测等，具有较大的潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为成像系统结构示意图；
图3为相位差波前传感器结构示意图；
图4为相位差波前传感器的复原算法流程图；
图5为基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定方法的光路示意图；
图6为系统全光路像差示意图；
图7为相位差波前传感器工作原理示意图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置包括以下几个部分：波前校正器1，第一分光镜2，近场波前传感器3，波前控制器4，成像系统5和相位差波前传感器6。其中，成像系统5由成像器件7和第一成像探测器8两部分组成；相位差波前传感器6由成像器件7，第二分光镜9，第一成像探测器8，第二成像探测器10和计算机11组成。
如图2所示，成像系统5通常由成像器件7和位于系统焦面位置的第一成像探测器8两部分组成，第一成像探测器8所探测到的光强分布信息包括有近场波前传感器3无法直接探测到自适应光学系统全光路静态像差中非共光路部分。针对基于近场波前传感器的传统型自适应光学系统，在成像系统中增加一个位于已知离焦面位置的成像探测器，即第二成像探测器10，采用相位差波前传感器检测自适应光学系统的全光路静态像差，用于标定近场波前传感器的初始值，从而改善自适应光学系统对波前畸变的校正能力。
如图3所示，用于探测自适应光学系统非共光路像差的相位差波前传感器6由成像器件7，分光镜9，第一成像探测器8，第二成像探测器10和计算机11组成。首先在成像器件7后方的汇聚光路中引入一块分光镜9，透射光束仍然成像于焦平面位置，反射光束成像于具有一定离焦距离的离焦平面位置。然后，由第一成像探测器8和第二成像探测器10同时采集焦面和离焦面光强分布信息图像。计算机11根据实测的焦面和离焦面的光强分布信息，采用相位差复原算法获得全光路静态像差的相位分布信息。
如图5所示，根据相位差波前传感器6对自适应光学系统全光路静态像差
的测量结果，利用波前控制器4计算机11计算出波前校正器1各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器1，使之产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，实现对自适应光学系统中全光路静态像差的校正，最终使得理想光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；最后，完成静态像差校正后，对位于瞳面位置的近场波前传感器的参考位置进行零点标定或对绝对像差进行零点设定，并以此作为该自适应光学系统的波前控制目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。
本发明所提出的相位差法可根据不同位置的像面光强图像可复原得到系统全光路静态像差
如图7所示：
首先，在成像器件7后方的汇聚光路中引入一块分光镜9，透射光束仍然成像于焦平面位置，反射光束成像于离焦平面位置，离焦平面与焦平面之间的距离为已知量，记为d。由第一成像探测器8和第二成像探测器10同时采集焦面和离焦面光强分布信息。其中第一成像探测器8采集到的图像为焦面光强图像I，仅包含系统全光路静态像差
第二成像探测器10采集到的图像为离焦面光强图像Id，包含系统全光路静态像差
和已知离焦量引入的离焦像差
计算机11根据第一成像探测器8和第二成像探测器10实测的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息Id，采用相位差复原算法计算得到系统全光路静态像差
的相位分布信息。该自适应光学系统全光路静态像差
与焦面光强分布信息I、离焦面光强分布信息Id以及二者之间已知的离焦像差大小的定量数学关系如下：
根据公式(1)，并通过相位差复原算法即可反演出自适应光学系统全光路静态像差
根据相位差波前传感器6对自适应光学系统全光路静态像差的检测结果
波前控制器4可以计算出波前校正器1各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器1，使之产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，从而实现对自适应光学系统全光路静态像差的校正，最终使得标定光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；在此最佳状态下，对位于瞳面位置的近场波前传感器3的进行初始像差的零点标定，并以此作为该自适应光学系统的校正目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。
相位差波前传感器从实测的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息Id复原全光路静态像差
的具体算法流程图如图4所示。图中FT和I-FT分别表示傅里叶变换以及傅里叶逆变换，I和Id分别表示焦面和离焦面的光强分布信息；为第二成像探测器10所在位置处的离焦像差的相位分布。算法迭代从左上方出发，当k=1时，相位分布选用初始值
通常可设为零或随机分布值。流程图详细描述了算法的第k次迭代过程，其中
为第k次迭代的相位分布，|Uk|和Фk分别表示经傅里叶变换后焦面位置的光场振幅分布和相位分布，|Ud k|和Фd k分别表示离焦面位置的光场振幅分布和相位分布，qk，qd k+1，
和分别表示基于焦面和离焦面光强分布信息函数进行傅里叶逆变换得到的光瞳面的振幅分布和相位分布。迭代算法跳出的判断依据为傅里叶变换得到的像面振幅分布与实测振幅分布之差，若两者之差E小于预先设定的阈值M，则迭代停止，即为待测畸变波前。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (4)
1.一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置，其特征在于：包括波前校正器(1)、第一分光镜(2)、近场波前传感器(3)、波前控制器(4)、成像系统(5)和相位差波前传感器(6)；相位差波前传感器(6)与成像系统（5）共用成像光路；所述成像系统(5)包括成像器件(8)和位于成像系统焦面位置的第一成像探测器(8)；相位差波前传感器(6)包括成像器件(7)、第二分光镜(9)、第一成像探测器(8)、第二成像探测器(10)和计算机(11)；一束标定光束入射到波前校正器(1)表面，经波前校正器(1)反射后被第一分光镜(2)分为透射光束和反射光束，其中透射光束正入射于近场波前传感器(3)中，反射光束入射于成像系统(5)和相位差波前传感器(6)中；所述标定光束是指经过一定手段处理之后的理想光束，其波前畸变较小，光强分布均匀；标定光束在经过第一分光镜反射(2)后入射于成像系统(5)和相位差波前传感器(6)中，成像器件(5)后方的汇聚光路中引入第二分光镜(9)，透射光束仍然成像于焦面位置，反射光束成像于离焦位置，离焦面位置与相应焦面位置之间的距离为已知量，记为d；第一成像探测器(8)置于透射光束所在的焦面位置，用于测量标定光束经过波前校正器反射并最终进入第一成像探测器(8)光敏面后的光强分布信息I；第二成像探测器(10)置于反射光束所在的离焦面位置，用于测量标定光束经过波前校正器反射并最终进入第二成像探测器(10)光敏面后的光强分布信息Id；标定光束在从波前校正器(1)和第一分光镜(2)反射并最终进入第一成像探测器(8)的传播过程中，由于所述的自适应光学系统共光路静态像差
第二分光镜(9)和成像系统(5)的加工及装配误差引入的额外波前像差，该额外波前像差为不随时间变化的静态像差，记为
该静态像差包含了自适应光学系统共光路静态像差和成像系统像差自适应光学系统全系统像差，将静态像差
称为自适应光学系统全光路静态像差；标定光束在从波前校正器(1)反射并最终进入第二成像探测器(10)的传播过程中，第二成像探测器(10)与第一成像探测器(8)之间仅存在一个已知的离焦像差，该离焦像差与离焦距离d有定量关系，即为
第一成像探测器(8)和第二成像探测器(10)用于同时采集焦面和离焦面光强分布信息I和Id，并将采集到的信息以图像形式传输给计算机(11)；然后，计算机(11)根据第一成像探测器(8)和第二成像探测器(10)实际测量的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息Id，以及二者之间已知的离焦像差大小测量得到自适应光学系统全光路静态像差
该自适应光学系统全光路静态像差
与焦面光强分布信息I、离焦面光强分布信息Id以及二者之间已知的离焦像差大小
的关系如下：
其中，i为虚数单位，
表示傅里叶变换，p(r)表示光瞳振幅分布函数；计算机(11)根据公式(1)，并通过相位差复原算法即反演出自适应光学系统全光路静态像差
根据自适应光学系统全光路静态像差
波前控制器(4)计算出波前校正器(1)各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器(1)，使波前校正器(1)产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，实现对自适应光学系统全光路静态像差的校正，最终使得标定光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；在此最佳状态下，对位于瞳面位置的近场波前传感器(3)的进行初始像差的零点标定，并以此作为该自适应光学系统的校正目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。
2.根据权利要求1所述的基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置，其特征在于：所述近场波前传感器（3）为哈特曼-夏克波前传感器、干涉仪或金字塔波前传感器。
3.根据权利要求1所述的基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置，其特征在于：所述自适应光学系统是对点目标进行波前校正的自适应光学系统，或是对扩展目标进行波前校正的自适应光学系统。
4.一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定方法，其特征在于实现步骤如下：
（1）首先利用第一成像探测器(8)和第二成像探测器(10)同时采集焦面和离焦面光强分布信息I和Id，并将采集到的信息以图像形式传输给计算机（11）；
（2）计算机(11)根据实测的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息Id，采用相位差复原算法计算得到自适应光学系统全光路静态像差的相位分布信息，全光路静态像差
与焦面光强分布信息I、离焦面光强分布信息Id以及离焦像差
之间的数值关系如下：
（3）根据相位差波前传感器(6)对自适应光学系统全光路静态像差
的测量结果，利用波前控制器(4)计算机计算出波前校正器(1)各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器(1)，使之产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，实现对自适应光学系统中全光路静态像差的校正，最终使得理想光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；
（4）完成静态像差校正后，对位于瞳面位置的近场波前传感器的参考位置进行零点标定或对绝对像差进行零点设定，并以此作为该自适应光学系统的波前控制目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。
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