CN103226243A - 一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法，在波前校正器致动器的控制电压处于初始值时采集图像，计算采集图像的第一像质评价函数值；对致动器施加控制电压后，再次采集图像，计算再次采集图像的第二像质评价函数值；按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值，再次计算第一像质评价函数值和第二像质评价函数值；当满足停止计算条件，则停止计算致动器的控制电压初始值，完成对非共光路误差的校正；当不满足停止计算条件，迭代次数t加1。本发明还公开了一种校正自适应光学系统非共光路误差的系统。应用本发明实施例后，能够在不增加额外器件，无需移动成像探测器的情况下，校正非共光路误差。

Description

一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法和系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法和系统。

背景技术

基于波前补偿这一自适应光学原理，通常采用附图1所示的自适应光学系统补偿波前畸变以获得接近衍射极限的像质。附图1所示的自适应光学系统由变形镜、分束镜、成像探测器和波前传感器组成。其中，波前传感器为哈特曼-夏克传感器。

自适应光学系统对点目标进行观测时，点目标发出的光波在传播过程中受到外界干扰产生畸变。自适应光学系统通过对波前误差的测量和校正实现对图像质量的提升。

自适应光学系统接收畸变的波前，首先入射到变形镜上，再经过分束镜分成两束，一束进入波前传感器测量波前误差，形成测量光路；另一束进入成像探测器，形成成像光路。但是由于测量光路和成像光路所包含的光学元件不同，波前传感器的波前误差测量结果和成像光路中实际的波前误差存在一定差异，这一差异即非共光路误差。如果不考虑非共光路误差，直接根据波前传感器的波前误差测量结果进行校正，则不能完全消除成像光路中的波前误差，得到最佳的成像质量。

目前，对自适应光学系统非共光路误差的校正主要是利用相位差异技术校准非共光路误差，通过采集焦面和离焦面的多帧短曝光图像来估算波前相位误差。该方法需要通过高精度平移台移动成像探测器采集焦面和离焦面的多幅图像，在结构上比较复杂。

发明内容

本发明实施例提出一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法，能够在不改变自适应光学系统原有光路的情况下，校正非共光路误差。

本发明实施例还提出一种校正自适应光学系统非共光路误差的系统，能够在不改变自适应光学系统原有光路的情况下，校正非共光路误差。

本发明实施例的技术方案如下：

一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法，所述方法包括：

在波前校正器致动器的控制电压处于初始值时采集图像，根据像质评价函数计算所采集图像的像质评价函数值即第一像质评价函数值，首次校正非共光路误差时，致动器的控制电压初始值为零；

对致动器施加控制电压后再次采集图像，根据像质评价函数计算再次采集图像的像质评价函数值即第二像质评价函数值，所述控制电压等于致动器产生的随机电压与致动器的控制电压初始值之和；

按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值，再次计算第一像质评价函数值和第二像质评价函数值；

当满足停止计算条件，则停止计算致动器的控制电压初始值，记录波前传感器各个子孔径对应的光斑的质心位置，以所述位置作为波前传感器后续测量波前时的参考；

当不满足停止计算条件，迭代次数t加1；

所述停止计算条件包括：T（t-1）小于预设的阈值，T(t)=T₀/ln(1+t)，T₀是预设的初始值。

所述像质评价函数包括光斑的均方根半径函数。

所述按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值包括：

所述差值小于等于数值零，重新确定后的致动器的控制电压初始值等于当前致动器的控制电压。

所述按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数值的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值包括：

所述差值大于数值零，且接受概率大于等于r，重新确定后的致动器的控制电压初始值等于当前致动器的控制电压。

接受概率等于P(ΔG)=exp(ΔG/T(t-1))，ΔG是第一像质评价函数值与第二像质评价函数值的差值，r是[0,1]区间上均匀分布的伪随机数。

所述按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值包括：

所述差值大于数值零，且接受概率小于r，则重新确定后的致动器的控制电压初始值等于重新确定之前的控制电压。

所述波前校正器包括变形镜。

一种校正自适应光学系统非共光路误差的系统，所述系统包括：点光源、第一透镜、反射镜、波前校正器、分束镜、第二透镜、成像探测器、第三透镜、第四透镜和波前传感器；

点光源发出的光由第一透镜经过反射镜入射到波前校正器上；

波前校正器的出射光经过分束镜分为两束光，一束光经第二透镜在成像探测器上成像；

另一束依次经第三透镜和第四透镜后进入波前传感器；

波前传感器记录各个子孔径对应的光斑的质心位置，以所述位置作为波前传感器后续测量波前时的参考。

所述波前校正器包括至少一个致动器。

所述波前校正器包括变形镜。

所述波前传感器包括哈特曼-夏克波前传感器。

从上述技术方案中可以看出，在波前校正器致动器的控制电压处于初始值时采集图像，根据像质评价函数计算所采集图像的像质评价函数即第一像质评价函数值；对致动器施加控制电压后再次采集图像，根据像质评价函数计算再次采集图像的像质评价函数即第二像质评价函数值；按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数值的差值和数值零比较，重新确定致动器的控制电压初始值，再次计算第一像质评价函数值和第二像质评价函数值；当满足停止计算条件，则停止计算致动器的控制电压初始值，记录波前传感器各个子孔径对应的光斑的质心位置，以所述位置作为波前传感器后续测量波前的参考；当不满足停止计算条件，迭代次数t加1；所述停止计算条件包括：T（t-1）小于预设的阈值，T(t)=T₀/ln(1+t)。

由于在校正自适应光学系统非共光路误差的过程中并未新增任何的仪器，通过对波前校正器致动器施加电压后得到像质评价函数的差值，通过像质评价函数差值与数值0比较调整致动器的控制电压初始值，当满足停止计算条件时，在不改变自适应光学系统原有光路的情况下，校正了非共光路误差。

附图说明

图1为自适应光学系统补偿波前畸变示意图；

图2为校正自适应光学系统非共光路误差的方法流程示意图；

图3为校正自适应光学系统非共光路误差的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

在本发明实施例中，通过对波前校正器的致动器施加控制电压后，由像质评价函数差值评测波前误差的大小，当达到停止计算条件，则确定能够校正非共光路误差。

在自适应光学系统中，像质评价函数包含了波前误差信息，通过计算像质评价函数值可以间接评价波前误差的大小。当不断改变变形镜致动器的控制电压时，像质评价函数值也会发生变化，像质评价函数达到极值时，认为波前误差也同时得到了校正。

参见附图2是校正自适应光学系统非共光路误差的方法流程示意图，具体包括以下步骤：

201、依据波前校正器中致动器的控制电压初始值，用成像探测器采集一帧图像，根据像质评价函数计算所采集图像的像质评价函数值即第一像质评价函数值G₀。

在本发明中波前校正器是变形镜。变形镜有多个致动器，可以对各个致动器施加不同的控制电压，从而改变变形镜的面形，实现对波前误差的校正。在本发明中对致动器施加控制电压与对各个致动器施加控制电压的含义相同。

首次校正非共光路误差时，致动器的控制电压初始值为零。即变形反射镜的各个致动器控制电压置零，即：

v⁽⁰⁾是致动器的控制电压初始值，N为变形镜驱动器单元数。再次校正非共光路误差时，v⁽⁰⁾是由步骤203确定。

获得点光源在成像探测器上所成的图像，计算此时所采集图像的像质评价函数值G₀。

本发明中采用光斑的均方根半径作为像质评价函数：

$G=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{\Δ}{x}_{i,j}\right)}^2\·(I_{i,j}/I_{\mathrm{Total}})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{\Δ}{y}_{i,j}\right)}^2\·(I_{i,j}/I_{\mathrm{Total}})}$

其中Δx_(i,j)和Δy_(i,j)是位于像平面上坐标为（i，j）处的像元到像斑质心在x方向和y方向的距离，I_(i,j)是该像元的光强，I_Total是所有像元的光强之和。

当像质评价函数G的值达到极小值时，认为完成了非共光路误差的校正。

202、对变形镜施加控制电压后，成像探测器再次采集一帧图像，根据像质评价函数计算再次采集图像的像质评价函数值即第二像质评价函数值G₁，致动器控制电压等于随机电压与致动器的控制电压初始值之和。

对变形镜的各个致动器产生符合均匀分布的随机电压扰动信号

t为迭代次数，即t=1，2，3……。

随机电压与致动器的控制电压初始值相加，得到控制电压v⁽¹⁾：

$v^{\left(1\right)}=[v_1^{\left(0\right)}+\mathrm{\Δ}{v}_1^{\left(1\right)},v_2^{\left(0\right)}+\mathrm{\Δ}{v}_2^{\left(1\right)},...,v_N^{\left(0\right)}+\mathrm{\Δ}{v}_N^{\left(1\right)}]=[v_1^{\left(1\right)},v_2^{\left(1\right)},...,v_N^{\left(1\right)}]$

计算施加控制电压后再次采集图像的像质评价函数值G₁。

203、按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值，再次计算第一像质评价函数值和第二像质评价函数值。

计算第一像质评价函数值与第二像质评价函数值的差：ΔG=G₁-G₀。

（1）ΔG小于等于零，重新确定后的致动器的控制电压初始值v⁽⁰⁾等于当前致动器的控制电压。例如第二次校正非共光路误差，重新确定后的致动器的控制电压初始值等于致动器产生的随机电压与首次致动器的控制电压初始值之和，由于首次致动器的控制电压初始值为零，则重新确定后的致动器的控制电压初始值等于致动器产生的随机电压。

（2）ΔG大于零，且接受概率大于等于r，则重新确定后的致动器的控制电压初始值等于当前致动器的控制电压；

接受概率等于P(ΔG)=exp(ΔG/T(t-1))，r是[0,1]区间上均匀分布的伪随机数。T(t)=T₀/ln(1+t)，T₀是预设的一个大于零的初始值，T₀的选取一般根据大量的实验结果分析确定。

（3）ΔG大于零，且接受概率小于r，则致动器的控制电压初始值为等于重新确定之前的控制电压。例如第二次校正非共光路误差，重新确定后的致动器的控制电压初始值等于首次致动器的控制电压初始值，由于首次致动器的控制电压初始值为零，则重新确定后的致动器的控制电压初始值等于零。

204、当满足停止计算条件，则停止计算致动器的控制电压初始值，此时像质评价函数G的值到达极小值，记录波前传感器各个子孔径对应的光斑的质心位置，以所述位置作为波前传感器后续测量波前时的参考；当不满足停止计算条件，迭代次数t加1。

停止计算条件包括：T（t-1）小于预设的阈值，该阈值根据实验确定。T(t)=T₀/ln(1+t)。

当T（t-1）小于预设的阈值，认为完成了非共光路误差的校正，此时结束迭代，记录哈特曼-夏克波前传感器探测器上的光斑质心位置，作为后续波前误差测量的参考光斑。否则返回202步重新进行迭代运算。

由哈特曼-夏克波前传感器的波前误差测量原理可知，如果在校正非共光路误差后记录哈特曼-夏克波前传感器各个子孔径对应光斑的质心位置，并以这些位置作为参考点进行后续的波前误差测量，则后续的波前校正都可以排除非共光路误差，获得最佳的成像质量。

参见附图3是校正自适应光学系统非共光路误差的系统结构示意图，包括点光源、第一透镜（L1）、反射镜、波前校正器、分束镜、第二透镜（L2）、成像探测器、第三透镜（L3）、第四透镜（L4）和波前传感器。其中，波前校正器以变形镜，波前传感器以哈特曼-夏克波前传感器为例进行说明。

点光源发出的光由L1准直之后经过反射镜入射到变形镜上，由变形镜出射的光经过分束镜，其中一束光经过L3，L4后进入哈特曼-夏克波前传感器。L3，L4是为了匹配哈特曼-夏克传感器子透镜阵列宽度和变形镜尺寸大小。另一束光经过L2后成像到探测器上。其中变形镜和成像探测器都由一台计算机控制。

点光源在L1的前焦面上，即点光源到L1的距离为L1的焦距f1，且L1经反射镜到变形镜中心的距离为f1。变形镜到L2的距离为L2的焦距f2，L2到成像探测器的距离为f2。L3、L4的焦距分别为f3，f4，L3到L4的距离为f3+f4，并且满足f3/f4=变形镜的直径/D，其中D表示哈特曼-夏克传感器中子透镜阵列的宽度。变形镜经过分束镜到L3的距离为f3，L4到哈特曼-夏克传感器的距离为f4。哈特曼-夏克波前传感器所测量的波前和变形镜位置处的波前满足共轭关系。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种校正自适应光学系统非共光路误差的方法，其特征在于，所述方法包括：

在波前校正器致动器的控制电压处于初始值时采集图像，根据像质评价函数计算所采集图像的像质评价函数值即第一像质评价函数值，首次校正非共光路误差时，致动器的控制电压初始值为零；

对致动器施加控制电压后再次采集图像，根据像质评价函数计算再次采集图像的像质评价函数值即第二像质评价函数值，所述控制电压等于致动器产生的随机电压与致动器的控制电压初始值之和；

按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值，再次计算第一像质评价函数值和第二像质评价函数值；

当满足停止计算条件，则停止计算致动器的控制电压初始值，记录波前传感器各个子孔径对应的光斑的质心位置，以所述位置作为波前传感器后续测量波前时的参考；

当不满足停止计算条件，迭代次数t加1；

所述停止计算条件包括：T（t-1）小于预设的阈值，T(t)=T₀/ln(1+t)，T₀是预设的初始值。

2.根据权利要求1所述校正自适应光学系统非共光路误差的方法，其特征在于，所述像质评价函数包括光斑的均方根半径函数。

3.根据权利要求1所述校正自适应光学系统非共光路误差的方法，其特征在于，所述按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值包括：

所述差值小于等于数值零，重新确定后的致动器的控制电压初始值等于当前致动器的控制电压。

4.根据权利要求1所述校正自适应光学系统非共光路误差的方法，其特征在于，所述按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数值的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值包括：

所述差值大于数值零，且接受概率大于等于r，重新确定后的致动器的控制电压初始值等于当前致动器的控制电压。

接受概率等于P(ΔG)=exp(ΔG/T(t-1))，ΔG是第一像质评价函数值与第二像质评价函数值的差值，r是[0,1]区间上均匀分布的伪随机数。

5.根据权利要求1所述校正自适应光学系统非共光路误差的方法，其特征在于，所述按照第一像质评价函数值与第二像质评价函数的差值和数值零，重新确定致动器的控制电压初始值包括：

所述差值大于数值零，且接受概率小于r，则重新确定后的致动器的控制电压初始值等于重新确定之前的控制电压。

6.根据权利要求1所述校正自适应光学系统非共光路误差的方法，其特征在于，所述波前校正器包括变形镜。

7.一种校正自适应光学系统非共光路误差的系统，其特征在于，所述系统包括：点光源、第一透镜、反射镜、波前校正器、分束镜、第二透镜、成像探测器、第三透镜、第四透镜和波前传感器；

点光源发出的光由第一透镜经过反射镜入射到波前校正器上；

波前校正器的出射光经过分束镜分为两束光，一束光经第二透镜在成像探测器上成像；

另一束依次经第三透镜和第四透镜后进入波前传感器；

波前传感器记录各个子孔径对应的光斑的质心位置，以所述位置作为波前传感器后续测量波前时的参考。

8.根据权利要求7所述校正自适应光学系统非共光路误差的系统，其特征在于，所述波前校正器包括至少一个致动器。

9.根据权利要求7所述校正自适应光学系统非共光路误差的系统，其特征在于，所述波前校正器包括变形镜。

10.根据权利要求7所述校正自适应光学系统非共光路误差的系统，其特征在于，所述波前传感器包括哈特曼-夏克波前传感器。

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