CN102967379B - 一种用于太阳自适应光学系统的波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于太阳自适应光学系统的波前传感器，包括准直器(1)、窄带滤光器(2)、取样反射镜(3)、中继系统(4)、扩束器(5)、衰减器(6)、移相器(7)、采集器件(8)和数据处理模块(9)，其利用了太阳辐射强度均匀性和半波损失移相原理，克服传统太阳自适应光学系统中相关哈特曼-夏克波前探测技术存在的探测空间分辨率低、低对比度扩展目标波前探测精度低、以及波前探测计算量大、效率较低等不足。本发明光学结构简单，计算量小，波前探测及处理速度快，探测效率高，且对太阳表面活动区目标对比度要求不高，可以用于中等、甚至差视宁度条件下，对低对比度扩展目标的波前测量，能够有效提高太阳自适应光学系统的校正带宽，并扩大其工作时段，提高校正效果。

Description

一种用于太阳自适应光学系统的波前传感器

技术领域

本发明主要涉及太阳自适应光学系统中的波前探测技术，尤其是针对太阳自适应光学系统中基于干涉原理的新型波前探测技术，提供一种用于太阳自适应光学系统的波前传感器。

背景技术

太阳自适应光学系统是目前国内外绝大多数太阳望远镜，尤其是大口径太阳望远镜，成功实现对太阳表面活动区观测的必要手段之一。太阳望远镜对太阳表面观测的理论分辨力与其观测口径有关，定性地来说，口径越大的太阳望远镜，其对应的观测分辨率越高。对于太阳活动区观测而言，更小空间尺度活动规律的观测为研究人员理解宏观现象提供了基础，这也要求不断增加太阳望远镜的口径。然而，事实并非如此简单，当人们努力建造更大口径的太阳望远镜时，其空间分辨能力并未得到明显提高，甚至不超过20cm口径望远镜所达到的分辨能力。而造成这一切的根源是大气湍流对太阳望远镜成像质量的影响，降低对太阳表面观测的分辨力。为了能够充分发挥大口径太阳望远镜的成像能力，使之达到或接近衍射极限观测性能，需要为其配备相应的自适应光学系统。配备了自适应光学系统的太阳望远镜，不仅能在良好视宁度条件下对太阳表面进行接近衍射极限的高分辨力成像，即使在中等视宁度条件下，也能够获得较好、甚至接近衍射极限的高分辨力观测，从而满足对太阳活动区长时间、高精度观测需求。

与传统自适应光学系统相比较，太阳自适应光学系统最大的不同在于波前传感器不同。目前，世界上大多数太阳自适应光学系统中主要采用相关哈特曼-夏克波前传感器探测波前畸变信息，这主要得益于哈特曼-夏克波前传感器光学结构简单、波前提取算法成熟。随着我国及世界太阳物理学科的发展，对太阳表面活动区以及其他区域的观测空间频率和时间带宽不断增大，这也间接对太阳望远镜以及太阳自适应光学系统提出了更高的要求，传统的哈特曼-夏克波前传感器的波前探测能力则越来越不能满足系统要求，这主要体现在以下两个方面：

(1)波前探测运算量大，波前探测效率低；

(2).对低对比度扩展目标波前探测精度较低。

为了解决以上问题，世界各国太阳观测研究人员提出几种可能的相关哈特曼-夏克波前传感器替代方案，如美国国家太阳观测站(NSO)研究人员Thomas R.Rimmele和Jose Marino在他们2011年合作撰写的”Solar Adaptive Optics”一书中指出，相位差(Phase Diversity，PD)波前传感器是相关哈特曼-夏克波前探测器的可能替代者之一，这主要是由于相位差波前传感器可以在较大视场范围内工作，且图像分辨率可以大大提高，对于低对比度扩展目标的波前探测精度相对相关哈特曼-夏克波前传感器有较大提高。但在当前阶段，相位差波前传感器仍是未来潜在的替代方案，并没有被成功应用于太阳自适应光学系统中，主要原因是从像面强度信息复原波前畸变信息算法复杂，运算量很大，在当前计算机的处理能力下，已使用的相位差波前传感器探测时间带宽仅能达到100Hz左右，严重制约了太阳自适应光学系统的校正能力。

本发明提出采用两步移相干涉仪对太阳观测系统中的波前畸变进行实时探测。本发明旨在利用太阳光强度分布的均匀性，根据两步移相干涉仪原理，设计出适合于太阳望远镜波前探测的干涉仪结构，并通过对相关理论和算法的研究，使之更适合完成实际观测系统的波前探测任务，为相关哈特曼-夏克波前传感器增加一个有力的补充。这种探测方法相位提取算法简单，速度较快，极大放松了传统自适应光学系统波前探测的时间要求；此外，提出的探测方法回避了图像相关运算，因此对成像对比度要求不高，这大大提高了太阳自适应光学系统的工作时段和环境适应能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服传统太阳自适应光学系统中相关哈特曼-夏克波前传感器对低对比度扩展目标波前探测能力的不足，同时解决随着太阳望远镜口径不断增大、太阳自适应光学系统校正单元数不断增多而带来的计算量大、波前探测效率较低等问题。本专利旨在利用太阳光强度分布的均匀性，根据两步移相干涉仪原理，设计出适合于太阳望远镜波前探测的干涉仪结构，并通过对相关理论和算法的研究，使之更适合完成实际观测系统的波前探测任务，为因太阳望远镜口径的不断增大以及相应太阳自适应光学系统校正单元数不断增多所带来的问题提供解决方案。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于太阳自适应光学系统的波前传感器，包括：准直器、窄带滤光器、取样反射镜、中继系统、扩束器、衰减器、移相器、采集器件、数据处理模块；首先在太阳望远镜像面后端增加一个准直器，将太阳望远镜入射光束准直为合适口径的平行光束，并通过窄带滤光器将入射全波段太阳光谱限制在某较窄光谱范围内；取样反射镜被放置于位于出瞳位置的平行光束中，并将其中一部分光束反射进入扩束器中，使得反射的部分小口径平行光被扩束至取样前相同口径；被取样后的平行光束经过中继系统，并被衰减器降低整体光强；经过扩束器的光束和经过中继系统后的光束具有相同口径和近似功率密度，并同时进入由分光镜组成的移相器中，形成相移量分别为0和π的两幅干涉图，通过采集器件得到相应的干涉图样强度分布信息；最后利用干涉数据处理模块对采集器件采集到的干涉图像进行数据处理后，可以得到对应的太阳望远镜系统中待测畸变波前信息；所述的数据处理过程如下：

设入射光束经过窄带滤光器后的光束口径为D，光束强度分布为I，经过取样反射镜从主光束中取出部分光束口径设为d，该取样光束经过扩束器后，扩束光束口径为D’，则扩束后的光束强度分布I₁表示为：

I₁＝I×(d/D’)²                        (1)

取样后的光束，经过中继系统后其口径大小也为D’，设衰减器的衰减系数为η，则取样后光束的强度分布I₂表示为：

I₂＝I×(D×D’)²×η                   (2)

设待测畸变波前为

则经过由分光镜组成的半波移相器后形成两幅相移量分别为0和π的干涉图，干涉图强度分布I_A(x,y)和I_B(x,y)如下式所示：

由公式(3)得到干涉图强度分布I_A(x,y)和I_B(x,y)与待测畸变波前

之间的定量关系，表示为公式(4)所示：

将公式(1)和公式(2)代入公式(4)后，得到：

经过反余弦计算以及余弦相位解缠绕后即可得出待测畸变波前

其中，所述的窄带滤光器是指能够将太阳光谱限制在一定范围内的光学器件。

其中，所述的窄带滤光器，其位置放置于准直器之后，或者放置于准直器之前，或者由两个独立的窄带滤光器组成，分别放置于两幅干涉图形成之前的某一位置。

其中，所述的采集器件是CCD相机，或者CMOS相机，或者是其他种类的光强分布探测器。

其中，所述的采集器件采集两幅干涉图，其由一个采集器件同时采集两幅干涉图，或者由两个独立采集器件分别采集两幅干涉图。

其中，所述的扩束器，其将取样后的小口径光束扩束后的光束口径D’通常与取样前光束口径D相同，即D’＝D，但在实际操作中，二者也可以不相同；当二者不同时，中继系统将变成缩束器或扩束器，且缩束或扩束后的光束口径应与扩束器扩束后的口径相同。

其中，所述的移相器，其用于在形成两幅干涉图的光路中引入的总相位差为π，其利用半波损失原理直接由一个分光镜组成，或者在其中一路光路中增加一个半波片组成。

其中，所述的准直器，其用于将从太阳望远镜出射的具有一定视场的会聚光束，准直成一定口径的平行光束；该准直器是通过适当玻璃材料加工而成的透射器件，或者是由离轴抛物面反射镜做成的反射器件。

其中，所述的数据处理模块，其用于从采集器件所采集到的干涉图样信息中获取待测光束波前畸变信息的过程，主要包含干涉图预处理、解余弦运算、余弦解缠绕运算过程。

本发明具有的优点如下：

（1）、本发明对太阳表面活动区目标对比度要求不高，能够实现在低视宁度条件下，对低对比度扩展目标的波前探测任务。

（2）、本发明对干涉图处理算法简单，波前探测速度快，能够满足大口径太阳望远镜对波前探测器探测带宽的要求。

（3）、本发明利用窄带滤光器实现准单色光干涉，大大降低干涉光路的调试难度，使得波前探测可行性提高。

（4）、本发明利用半波损失原理实现两步移相，简化光路结构，减少误差源，且大大缩减应用成本。

总之，本发明的可用于太阳自适应光学系统的干涉波前传感器，旨在利用太阳光强度分布的均匀性，根据两步移相干涉仪原理，设计出适合于太阳望远镜波前探测的干涉光学系统结构，并通过对相关理论和算法的研究，使之更适合完成实际观测系统的波前探测任务，为相关哈特曼-夏克波前传感器增加一个有力的补充。这种探测方法相位提取算法简单，速度较快，极大放松了传统自适应光学系统波前探测的时间要求；此外，提出的探测方法回避了图像相关运算，因此对成像对比度要求不高，这大大提高了太阳自适应光学系统的工作时段和环境适应能力。

附图说明

图1为本发明的用于太阳自适应光学系统中的波前传感器结构示意图；

图2为本发明的其中一种可能的光学系统设计方案。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例具体说明本发明。

本发明提出的一种可用于太阳自适应光学系统的新型波前传感器，其原理结构图如附图1所示，由准直器1、窄带滤光器2、取样反射镜3、中继系统4、扩束器5、衰减器6、移相器7、采集器件8、数据处理模块9等9个模块组成。首先在太阳望远镜像面后端增加一个准直器1，将太阳望远镜入射光束准直为合适口径的平行光束，并通过窄带滤光器2将入射全波段太阳光谱限制在某较窄光谱范围内；取样反射镜3被放置于位于出瞳位置的平行光束中，并将其中一部分光束反射进入扩束器5中，使得反射的部分小口径平行光被扩束至取样前相同口径；被取样后的平行光束经过中继系统4，并被衰减器6降低整体光强；经过扩束器的光束和经过中继系统后的光束具有相同口径和近似功率密度，并同时进入由分光镜组成的移相器中，形成相移量分别为0和π的两幅干涉图，通过采集器件8得到相应的干涉图样强度分布信息；最后利用干涉数据处理模块9对采集器件8采集到的干涉图像进行数据处理后，可以得到对应的太阳望远镜系统中待测畸变波前信息。

设入射光束经过窄带滤光器后的光束口径为D，光束强度分布为I，经过取样反射镜3从主光束中取出部分光束口径设为d，该取样光束经过扩束器5后，扩束光束口径为D’，则扩束后的光束强度分布I₁可以表示为：

I₁＝I×(d/D’)²                    (1)

取样后的光束，经过中继系统4后其口径大小也为D’，设衰减器6的衰减系数为η,则取样后光束的强度分布I₂可以表示为：

I₂＝I×(D/D’)²×η                    (2)

设待测畸变波前为则经过由分光镜组成的半波移相器7后形成两幅相移量分别为0和π的干涉图，干涉图强度分布I_A(x,y)和I_B(x,y)如下式所示：

由公式(3)可以得到干涉图强度分布I_A(x,y)和I_B(x,y)与待测畸变波前

之间的定量关系，可以表示为公式(4)所示：

将公式(1)和公式(2)代入公式(4)后，可以得到：

经过反余弦计算以及余弦相位解缠绕后即可得出待测畸变波前

本发明的一种可能解决方案之一如图2所示，其中1为准直器；2为窄带滤光器；3为取样反射镜；4为两个透镜组成的中继系统；5为两个不同焦距组成的扩束器；6为衰减器；7和8为平面反射镜；9为一个底板镀分光膜的分光镜，其作为移相器使用；10为3个平面反射镜组成的空间光路编排系统；11为CCD相机，其作为采集器件；12为进行波前相位反演和控制等的数据处理模块。L_A1与L_A2为两个成像透镜，共同构成扩束器5；经过取样反射镜3后的直射光束被衰减器6衰减后，进入由成像透镜L_B1和L_B2组成的中继系统4中；最后，图2所示的光路A和光路B所示的共同经过一侧镀分光膜的分光镜BS组成的移相器7中，利用半波损失原理，形成两个相位差分别为0和π的光束对，并同时入射到采集器件8(Camera)的光敏面上。利用主要由计算机及其运算模块组成的数据处理模块9，即可反演出待测光束畸变波前。太阳光经过望远镜后被准直器1，将太阳望远镜入射光束准直为合适口径的平行光束，并通过窄带滤光器2将入射全波段太阳光谱限制在某较窄光谱范围内；取样反射镜3被放置于位于出瞳位置的平行光束中，并将其中一部分光束反射进入扩束器5中，使得反射的部分小口径平行光被扩束至取样前相同口径；被取样后的平行光束经过中继系统4，并被衰减器6降低整体光强；经过扩束器的光束和经过中继系统后的光束具有相同口径和近似功率密度，并被平面反射镜7和8反射，同时进入由分光镜9组成的移相器中，形成相移量分别为0和π的两个光束对；这两个光束对经过3个平面反射镜组成的空间编排系统10同时投射到CCD相机11中，并形成两幅干涉图；最后利用干涉数据处理模块12对采集器件11采集到的干涉图像进行数据处理后，可以得到对应的太阳望远镜系统中待测畸变波前信息。

Claims (8)

1.一种用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于，包括：准直器(1)、窄带滤光器(2)、取样反射镜(3)、中继系统(4)、扩束器(5)、衰减器(6)、移相器(7)、采集器件(8)、数据处理模块(9)；

一个准直器(1)设置在太阳望远镜像面后端，准直器将太阳望远镜入射光束准直为合适口径的平行光束，并通过窄带滤光器(2)将入射全波段太阳光谱限制在某较窄光谱范围内；

取样反射镜(3)被放置于位于出瞳位置的平行光束中，并将其中一部分光束反射进入扩束器(5)中，使得反射的部分小口径平行光被扩束至取样前相同口径；

经过取样反射镜(3)被取样后的平行光束经过中继系统(4)，并被衰减器(6)降低整体光强；

经过扩束器的光束和经过中继系统后的光束具有相同口径和近似功率密度，并同时进入由分光镜组成的移相器(7)中，形成相移量分别为0和π的两幅干涉图，通过采集器件(8)得到相应的干涉图样强度分布信息；

数据处理模块(9)对采集器件(8)采集到的干涉图像进行数据处理后，得到对应的太阳望远镜系统中待测畸变波前信息；

所述的数据处理过程如下：

设入射光束经过窄带滤光器后的光束口径为D，光束强度分布为I，经过取样反射镜(3)从主光束中取出部分光束口径设为d，该取样光束经过扩束器(5)后，扩束光束口径为D’，则扩束后的光束强度分布I₁表示为：

I₁＝I×(d/D’)²    (1)

取样后的光束，经过中继系统(4)后其口径大小也为D’，设衰减器(6)的衰减系数为η,则取样后光束的强度分布I₂表示为：

I₂＝I×(D/D’)²×η       (2)

设待测畸变波前为

则经过由分光镜组成的半波移相器(7)后形成两幅相移量分别为0和π的干涉图，干涉图强度分布I_A(x,y)和I_B(x,y)如下式所示：

由公式(3)得到干涉图强度分布I_A(x,y)和I_B(x,y)与待测畸变波前

之间的定量关系，表示为公式(4)所示：

将公式(1)和公式(2)代入公式(4)后，得到：

经过反余弦计算以及余弦相位解缠绕后即可得出待测畸变波前

2.根据权利要求1所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的窄带滤光器(2)，其位置放置于准直器(1)之后，或者放置于准直器(1)之前，或者由两个独立的窄带滤光器组成，分别放置于两幅干涉图形成之前的某一位置。

3.根据权利要求1所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的采集器件(8)是CCD相机，或者CMOS相机，或者是其他种类的光强分布探测器。

4.根据权利要求3所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的采集器件(8)采集两幅干涉图，其由一个采集器件同时采集两幅干涉图，或者由两个独立采集器件分别采集两幅干涉图。

5.根据权利要求1所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的扩束器(5)，使取样后的小口径光束扩束后的光束口径D’与取样前光束口径D相同，即D’＝D。

6.根据权利要求1所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的移相器(7)用于在形成两幅干涉图的光路中引入的总相位差为π，其利用半波损失原理直接由一个分光镜组成。

7.根据权利要求1所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的准直器(1)，其用于将从太阳望远镜出射的具有一定视场的会聚光束，准直成一定口径的平行光束；该准直器是通过适当玻璃材料加工而成的透射器件，或者是由离轴抛物面反射镜做成的反射器件。

8.根据权利要求1所述的用于太阳自适应光学系统的波前传感器，其特征在于：所述的数据处理模块(9)，用于从采集器件(8)所采集到的干涉图样信息中获取待测光束波前畸变信息的过程，主要包含干涉图预处理、解余弦运算、余弦解缠绕运算过程。

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