CN103292911B - 一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法 - Google Patents

Abstract

一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法，哈特曼复合传感器包含接收光路和发射光路两路探测器，在复合传感器内部加入一路准直细光束激光基准信标，通过分光模块后分别进入两路子传感器，两路子传感器校正光束均为带中心遮拦光束，利用微透镜阵列基片中心遮拦处的聚集透镜将准直细光束激光基准信标成像于各探测器。在工作时同时测量两路探测器各自的基准信标质心偏移相对基准位置的变化量，根据此变化量进行实时闭环控制.本发明有效消除了复合传感器内部各探测器工作过程中由于温漂或振动带来的光轴变化，适合长时间连续工作条件下激光发射，还可避免外部振动等原因带来的误差，且简单有效可靠。

Description

一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法

技术领域

本发明涉及一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法，复合传感器包含接收光路和发射光路两路探测器，该方法有效消除了各探测器工作过程中由于温漂或振动带来的光轴相对变化，实现接收光路和发射光路同轴，适合长时间连续工作条件下激光发射。

背景技术

自适应光学系统中的光束稳定系统是一种实时校正光束整体漂移的光学系统，一般包括光束倾斜传感器、倾斜镜和电控系统，由光束倾斜传感器(一般可以采用哈特曼波前传感器)实时探测得到光束倾斜像差的大小，计算得到倾斜镜所需电压，实时控制倾斜镜进行补偿，实现对光束整体漂移的控制，使得光束的传播方向保持稳定不变。

原有的典型光束稳定系统中光束倾斜传感器用于探测光束漂移情况时，通常总是针对光路中某一扰动源进行。实际上除了外部的扰动，激光器本身的光束漂移现象也需要克服，且很多情况下外部的扰动源也有可能不止一个，原来的光束稳定系统不能同时兼顾进行全光路倾斜像差校正。在工学博士学术论文“自适应光学波前探测新概念研究，侯静”中提出一种全光路光束稳定系统，用于分别探测内外光路的光束倾斜像差，实现对全光路的光束整体漂移的校正，达到光束稳定的目的，但这种方法采用双哈特曼传感器模式时，忽略了复合传感器内部各子传感器本身振动或温漂带来的倾斜误差，是一种伪全光路光束稳定系统，复合传感器工作过程中各子传感器探测CCD温漂或振动等会带来光轴基准变化，使得发射轴与接收轴不重合，造成发射光不能准确到达预定目标。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准在线实时探测方法，这种方法可以有效避免发射轴与接收轴的差别，实现光束发射轴与接收轴的同轴发射，真正实现全光路光束稳定。

本发明的技术解决方案是：一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法，其特征在于：所述哈特曼复合传感器包含接收光路和发射光路两路子传感器，在哈特曼复合传感器内部加入一路准直细光束激光基准信标，通过分光模块后所述信标分别进入两路子传感器，两路子传感器校正光束均为带中心遮拦光束，利用微透镜阵列基片中心遮拦处的聚集透镜将准直细光束激光基准信标成像于各子传感器中的探测器，在工作时同时测量两路探测器各自的基准信标质心偏移相对基准位置的变化量，根据此变化量进行实时闭环控制，控制方法为：首先在工作前两路子传感器分别对基准信标光斑质心位置标定，得到并保存基准信标在两路探测器的质心位置；然后在工作过程中实时测量两路探测器基准信标光斑质心位置，此时的质心位置由于探测器热漂移或振动等原因与起始位置发生变化，工作时的质心位置与工作前的标定位置相减即得到两路探测器的光轴基准相对变化，最后将光轴基准相对变化数据加入闭环控制实现发射光路与接收信标光路同轴。

所述的准直细光束激光基准信标不要求为严格的标准平面波，并且整体倾斜基准信标波长与各子传感器主信标波长不相同。

所述微透镜阵列加工工艺首先根据传感器子孔径排布和主激光波长刻蚀微透镜，中心遮拦处针对基准信标波长的单聚集透镜可采用刻蚀方式，也可采用粘接单透镜方式。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明使用一路准直细光束作为光轴基准信标，同时实时探测复合传感器内两路探测器光轴基准的变化，闭环控制可有效消除各探测器工作过程中由于温漂或振动带来的光轴基准变化，避免了发射轴与接收轴的轴差，实现光束发射轴与接收轴的同轴发射，真正实现全光路光束稳定。本发明中的光轴基准信标位于复合传感器内部，可避免外部振动等原因带来的误差，实现方法简单有效可靠。

附图说明

图1所示为本发明实施的自适应光学系统布局，其中细虚线框部分为复合传感器的示意图；

图2所示为本发明实施的子传感器中重要部件微透镜阵列的示意图；

图3所示为本发明实施的复合传感器的内部布局示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明使用的自适应光学系统包括主激光信标Beacon1、倾斜反射镜TM1、变形反射镜DM1、共孔径分光镜BS、后向反射器、倾斜反射镜TM2、变形反射镜DM2、复合传感器（包含两套子传感器和基准信标）、HS1波前处理机、HS2波前处理机、HS1高压放大器、HS2高压放大器、大气信标Beacon2，其中主激光信标光束Beacon1指向为发射轴方向，Beacon1透过分光镜BS，到达后向反射器件，然后经后向反射器件反射回分光镜BS，再经分光镜BS反射至复合传感器内的发射光路子传感器。大气信标光束Beacon2指向为接收轴方向，Beacon2透过分光镜BS，到达复合传感器内的接收光路子传感器。

微透镜阵列为子传感器中的重要部件，其布局如图2所示，其中最外一圈实线圆表示微透镜阵列基片大小，9x9的正方形表示微透镜阵列排布，各自对各子传感器主信标（Beacon1和Beacon2）成像，但中间4x4区域不刻蚀微透镜，两条圆形虚线之间区域表示缩束后Beacon1和Beacon2到达微透镜阵列时的光斑大小，中间正方形双点划线区域为单透镜（可刻蚀单透镜，也可粘接单透镜），对整体倾斜基准信标成像，中间圆形实线区域为整体倾斜基准信标光斑大小。

本发明技术实施所述的复合传感器内各探测器光轴基准在线实时探测方法如图3所示，包括主缩束模块、反射镜1、分光镜1、反射镜2、分光镜2、基准信标激光器、接收光路子传感器、发射光路子传感器。Beacon1和Beacon2进入复合传感器后，首先经过主缩束模块缩小为一定大小的光束。基准信标激光器发出的光准直为细光束平行光，该平行光经过反射镜1反射，透过分光镜1后到达分光镜2，分光镜2对基准信标激光为半透半反，分光镜2反射Beacon1一半光强的基准信标光，由发射光路微透镜阵列对Beacon1与基准信标光分别聚集成像于发射光路探测器，Beacon1每个子光斑的质心位置即可得到主激光信标光束Beacon1，基准信标光光斑质心位置即可作为发射光路子传感器的倾斜基准原点。同时，另一半光强的基准信标光与Beacon2透过分光镜2，经反射镜2反射后，由接收光路微透镜阵列将Beacon2与基准信标光分别聚集成像于接收光路探测器，Beacon2每个子光斑的质心位置即可得到大气信标光束Beacon2的指向，基准信标光光斑质心位置即可作为接收光路子传感器的倾斜基准原点。

在系统工作时，由于两套子传感器各自针对不同的信标进行工作，而Beacon1和Beacon2同时进入复合传感器，所以可根据需要在两套子探测器前分别使用窄带滤光片，以使自适应光学系统工作时，两套子传感器各自针对自己的信标进行探测而不受干扰。

本发明采用的两套子传感器是哈特曼波前传感器，如文献“HartmannSensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski,B.Martin Levine,BrainMoNeil.SPIE Vol.314，P398,1997)公开的哈特曼传感器。

本发明使用的后向反射器件可以采用文献“角反射器阵列作为伪相位共轭器件的保真度分析，强激光与粒子束，Vol.13,(3)，P287～290,2001”公开的角反射器阵列，也可以采用Beacon1垂直入射的平面反射镜。

本发明对两套子传感器的子孔径光斑质心标定方法，可以采用文献“角椎棱镜阵列对波前传感器探测精度的影响，胡诗杰等，中国激光（增刊），Vol.33，P368～372”提出的一种带着角椎棱镜阵列标定波前传感器的方法。

本发明各子传感器整体倾斜共同基准标定方法的理论分析如下：

图1所示的自适应光学系统在全系统工作状态，复合传感器中的HS1探测的发射轴指向误差为：

其中，G_iB1为主激光信标Beacon1在发射光路子传感器CCD上的每个子孔径光斑的质心位置，G_iHS1定标为发射光路子传感器利用标准平行光事先标定好的每个子孔径光斑的质心位置，N₁为发射光路子传感器总的子孔径数。

同样，HS2探测的接收轴指向误差为：

其中，G_iB2为大气信标Beacon2在接收光路子传感器CCD上的每个子孔径光斑的质心位置，G_iHS2定标为接收光路子传感器利用标准平行光事先标定好的每个子孔径光斑的质心位置，N₂为接收光路子传感器总的子孔径数。

当工作工程中，两子传感器无各自光路振动带来的光轴基准变化，或各自CCD探测器无温度变化带来的光斑温漂，也即两子传感器之间的光轴基准在工作时无相对变化时，则两个子传感器探测器探测到的光轴指向偏差就是实际到达复合传感器时光束携带的整体倾斜信息。那么由图1可看出，各处理机分别通过各自高压放大器输出高压控制倾斜镜TM即可进行光轴控制，实现发射轴与接收轴同轴发射。

实际上，两套子传感器之间的光轴基准在工作时总会发生相对变化，所以，上述理论对实际系统来说存在着一定误差，以下就此问题进行分析。

自适应光学系统工作前发射光路子传感器利用基准信标远场光斑定标的质心原点作为发射光路子传感器倾斜基准原点G_{基准标定1}，工作过程中发射光路子传感器对基准信标远场光斑测量的质心位置为G_{基准测量1}，那么发射光路子传感器自身的倾斜误差为：

G_基准1＝G_{基准测量1}－G_{基准标定1} （3）

同样，自适应光学系统工作前接收光路子传感器利用同一路基准信标远场光斑定标的质心原点作为接收光路子传感器倾斜基准原点G_{基准标定2}，工作过程中接收光路子传感器对基准信标远场光斑测量的质心位置为G_{基准测量2}，那么接收光路子传感器自身的倾斜误差为：

G_基准2＝G_{基准测量2}－G_{基准标定2} （4）

因此，当发射光路子传感器对光轴偏差G_HS1进行闭环控制时，带来发射轴偏差为G_基准1，而接收光路子传感器对光轴偏差G_HS2进行闭环控制时，带来接收轴偏差为G_基准2，当G_基准1与G_基准2不一致时，那么自适应光学全系统光轴闭环会使得发射轴与接收轴不同轴，到达目标处偏差量为：G_基准2-G_基准1。

有两种方案可以解决这个问题。

方案1：两路子传感器各自校正各自的倾斜误差，发射光路倾斜镜TM1校正量为：G_HS1+G_基准1，接收光路倾斜镜TM2校正量为：G_HS2+G_基准2，这样就各自将整体倾斜闭环到标定零点位置，也就实现了发射轴与接收轴同轴，此方案比较简单，但会将基准信标光源振动带来的倾斜带入系统中去，而且会加大倾斜镜的校正量。

方案2：将发射光路子传感器测量到的倾斜误差G_基准1通过数据接口传送给接收光路处理机，发射光路倾斜镜TM1校正量为G_HS1，接收光路倾斜镜TM2校正量为：G_HS2+G_基准2-G_基准1，这样即可消除两路探测器之间的光轴基准相对变化，实现发射轴与接收轴同轴。此方案不会带入基准信标光源振动带来的倾斜，而且也不会加大倾斜镜的校正量，但需要增加数据通讯接口，实现起来相对复杂一点。

因此，本发明公布的复合传感器内各探测器光轴基准在线实时探测方法在工作过程中，在线实时闭环控制发射轴和接收轴的指向误差，可有效消除各探测器工作过程中由于温漂或振动带来的光轴基准变化，实现主激光发射轴和接收轴的同轴发射，适合长时间连续工作条件下激光发射。

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)

1.一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法，其特征在于：所述哈特曼复合传感器包含两路子传感器，即接收光路子传感器和发射光路子传感器，在哈特曼复合传感器内部加入一路准直细光束激光基准信标，通过分光模块后所述信标分别进入两路子传感器，两路子传感器校正光束均为带中心遮拦光束，利用微透镜阵列基片中心遮拦处的聚集透镜将准直细光束激光基准信标成像于各子传感器中的探测器，在工作时同时测量两路探测器各自的基准信标质心偏移相对基准位置的变化量，根据此变化量进行实时闭环控制，控制方法为：首先在工作前两路子传感器分别对基准信标光斑质心位置标定，得到并保存基准信标在两路探测器的质心位置；然后在工作过程中实时测量两路探测器基准信标光斑质心位置，此时的质心位置由于探测器热漂移或振动等原因与起始位置发生变化，工作时的质心位置与工作前的标定位置相减即得到两路探测器的光轴基准相对变化，最后将光轴基准相对变化数据加入闭环控制实现发射光路与接收光路同轴。

2.根据权利要求1所述的哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法，其特征在于：所述的准直细光束激光基准信标不要求为严格的标准平面波，并且整体倾斜基准信标波长与各子传感器主信标波长不相同。

3.根据权利要求1所述的哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法，其特征在于：所述微透镜阵列加工工艺首先根据传感器子孔径排布和主激光波长刻蚀微透镜，中心遮拦处针对基准信标波长的单聚集透镜可采用刻蚀方式，也可采用粘接单透镜方式。