CN103412404B - 一种基于多视场波前探测与全视场优化的波前校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于多视场波前探测与全视场优化的波前校正方法，通过多视场波前探测器实现光学系统多个视场的波前信息的精确探测，通过波前控制器将多个视场的波前信息进行综合解算，求解出最优控制信号，实现光学系统全视场波前像差的最优校正。该方法可以将大视场的光学系统各个视场波前像差校正进行平衡和寻优，实现了大视场光学系统全视场波前像差的良好校正，可以显著提高了自适应光学系统的波前校正效能。本发明具有校正视场大、可以实现全视场最优校正的优点。

Description

一种基于多视场波前探测与全视场优化的波前校正方法

技术领域

本发明属于自适应光学领域，涉及一种应用于大视场光学系统的全视场波前误差最优校正的方法。

背景技术

大口径长焦距空间相机容易受到受重力场变化、温度场变化的影响，进而严重影响成像质量。为了保证大口径长焦距空间相机的在轨成像质量，需要采用自适应光学技术将光学系统的波前像差补偿校正掉。

然而，传统自适应光学系统主要用于地面天文望远镜、激光系统等小视场光学系统，仅能对小视场光学系统进行良好的波前校正。这是因为传统的自适应光学系统的波前探测器只对单一视场进行波前探测，获取的单一视场的波前信息，对其他视场波前信息不清楚；波前控制器针对单一视场的波前信息来控制运算，并得到单一视场的最佳控制信号；因而，波前校正器只能根据单一视场的最佳控制信号对单一视场进行良好校正。也就是说，只有单一视场能够获得良好像质，而其它视场的像质较差。而大口径长焦距空间相机的视场比较大，要求整个视场都具有较好的像质，因而要求自适应光学系统能够将全视场的波前像差进行良好的校正。传统的传统自适应光学系统已经无法实现大口径长焦距空间相机等视场较大的光学系统的全视场波前像差的良好校正。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于多视场波前探测与全视场优化的波前校正方法，解决了现有技术中只能对单一视场进行校正，无法兼顾整个视场的问题。

本发明的技术方案是：基于多视场波前探测与全视场优化的波前校正方法，步骤如下：

1）不同视场的光线依次通过波前校正器和透镜后，被分束器分为两路，即反射支路和透射至路；其中反射支路光线到达成像探测器并成像，透射支路光线入射至波前探测器；所述成像探测器与波前探测器接收到的光线的视场范围相同；

2）根据波前像差随视场的分布情况，将成像探测器探测到的光线的全视场分成的N个视场区域，其中每个视场区域内的波前像差变化量在预设误差范围内；

3）波前探测器包括N个子波前探测器，每个子波前探测器探测步骤2）中成像探测器分成的N个视场区域中的一个区域的波前信息；

4）向波前校正器施加一系列已知的控制信号，用波前探测器的N个子波前探测器分别探测N个相应视场区域的波前信息改变量，进而获得波前校正器与波前探测器N个子波前探测器之间的响应关系；

5）波前探测器探测将探测到的N个视场区域的波前信息发送至波前控制器，波前控制器根据步骤4）中得到的响应关系，求解出波前校正器的控制信号；

6）波前控制器将步骤5）求解出的控制信号发给波前校正器，驱动波前校正器产生共轭面形，校正反射支路光线各视场的波前像差，并将反射支路光线在成像探测器上从新成像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明方法通过采用多视场波前探测可以获得大视场光学系统整个视场的波前信息；

（2）本发明方法通过测量波前校正器与N个子波前探测器之间的响应关系，采用波前控制器对N个波前信息进行综合控制运算，计算出波前校正器的最优控制信号，进而实现全视场的最优校正；

（3）本发明有效解决了传统自适应光学系统仅能对小视场光学系统进行波前像差校正的问题，实现了大视场光学系统全视场波前像差的良好校正，可以显著提高了自适应光学系统的波前校正效能。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2本发明方法与传统方法的校正效果对比结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明方法的主要步骤如下：

（1）各视场光线通过前面的波前校正器1、透镜2后，由分束器3分成两个支路，一路到达成像探测器4上，用于成像，一路到达波前探测器5上，用来探测波前。这两个支路具有相同的视场和波前。

（2）成像探测器4上的不同区域对应着光学系统的不同视场，不同视场的波前像差不同。根据光学系统的波前像差随视场变化情况，将光学系统的视场分成N个视场区域，这些视场区域一般按照对称分布的方法划分，且各视场区域面积相近，保证每个视场区域内波前像差变化很小，在误差允许范围内（一般在λ/10RMS以内，λ为波长）。每个视场区域中心部分的波前像差可以代表每个视场区域的波前信息；

（3）波前探测器5包括N个子波前探测器，即图中第一子波前探测器51至第N子波前探测器5N，每个子波前探测器对应成像探测器4上N个区域中的一个区域，即对应着光学系统N个视场区域中的一个视场区域。N个子波前探测器，分别用来探测全视场N个视场区域的波前信息，通过N个离散视场的波前信息，可以基本掌握整个大视场的波前信息；

（4）在对光学系统波前像差进行校正之前，首先需要测量波前校正器1与波前探测器5之间的响应关系，为波前控制运算提供依据。具体方法是，给波前校正器1施加一系列已知的控制信号，通常是给波前校正器1各个驱动器依次施加单位电压信号，使其产生一系列面形，并导致光学系统波前改变；用波前探测器5的N个子波前探测器分别探测N个相应视场的波前改变量，进而获得波前校正器1与波前探测器5的N个子波前探测器之间的N个响应关系；

（5）波前探测器5将N个子波前探测器探测到的N个视场区域的波前信息发给波前控制器6，波前控制器6根据响应关系对N个波前信息进行综合解算，求解出全视场最优控制信号；

（6）波前校正器1根据波前控制器6发来的控制信号，产生相应的共轭面形，将光学系统波前像差补偿掉，实现全视场波前像差的最优校正，进而保证光学系统全视场都获得良好的像质。

如图2所示，对本发明方法与传统自适应光学方法的校正效果进行仿真对比，结果如下：

（1）设计一口径3m焦距35m、全视场角1.6度的大口径长焦距空间光学系统，分别采用本发明方法与传统自适应光学方法对光学系统进行波前像差补偿校正；

（2）本发明方法将光学系统的视场分成5个视场区域，每个视场区域分别用1个子波前探测器进行波前像差探测，波前控制器对5个波前信息进行综合解算，将求解的最优控制信号发给波前探测器实现了全视场波前像差的良好校正，校正后各视场的斯特列尔比均在0.8以上。

（3）采用传统自适应光学方法，对中心视场的波前像差进行探测，并进行控制信号解算，实现了中心视场的最优校正，中心视场的斯特列尔比达到0.9，但是边缘视场的斯特列尔比下降到0.4；

（4）传统自适应光学方法虽然中心视场波前校正效果很好，但是边缘视场的波前校正效果较差；本发明方法可以实现包括中心视场和边缘视场在内全视场的最优波前校正，具有明显的优势。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于多视场波前探测与全视场优化的波前校正方法，其特征在于步骤如下：

1）不同视场的光线依次通过波前校正器（1）和透镜（2）后，被分束器（3）分为两路，即反射支路和透射至路；其中反射支路光线到达成像探测器（4）并成像，透射支路光线入射至波前探测器（5）；所述成像探测器（4）与波前探测器（5）接收到的光线的视场范围相同；

2）根据波前像差随视场的分布情况，将成像探测器（4）探测到的光线的全视场分成的N个视场区域，其中每个视场区域内的波前像差变化量在预设误差范围内；

3）波前探测器（5）包括N个子波前探测器，每个子波前探测器探测步骤2）中成像探测器（4）分成的N个视场区域中的一个区域的波前信息；

4）向波前校正器（1）施加一系列已知的控制信号，用波前探测器（5）的N个子波前探测器分别探测N个相应视场区域的波前信息改变量，进而获得波前校正器（1）与波前探测器（5）N个子波前探测器之间的响应关系；

5）波前探测器探测（5）将探测到的N个视场区域的波前信息发送至波前控制器（6），波前控制器（6）根据步骤4）中得到的响应关系，求解出波前校正器（1）的控制信号；

6）波前控制器（6）将步骤5）求解出的控制信号发给波前校正器（1），驱动波前校正器（1）产生共轭面形，校正反射支路光线各视场的波前像差，并将反射支路光线在成像探测器（4）上从新成像。