CN106225734A - 一种大动态范围高精度光轴测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大动态范围高精度光轴测量装置，由光束分光模块，成像模块，远场记录模块和远场质心计算模块组成。入射光束经光束分光模块后，由成像模块汇聚在焦点位置，远场记录模块采集光斑分布并交由远场质心计算模块输出入射光束的光轴方向。本发明采用分光元件将入射光束分割成多个具有同样入射方向的光束，增加了光斑探测的信息，从而提高了光斑的探测精度；本发明利用分光元器件，使得光斑分布大于靶面区域，即使光斑跑出靶面区域，仍然能够通过光斑阵列强度分布推算出入射光束的光轴偏移量，从而拓宽了光斑的探测。

Description

一种大动态范围高精度光轴测量装置
技术领域
本发明涉及一种光轴测量装置，特别是一种大动态范围高精度光轴测量装置。
背景技术
同时具备高精度和大动态范围光轴探测是光轴探测中一个重要的分支，特别是对自适应光学中光轴对准的探测，这种探测过程往往需要超过度级的调整过程，同时又需要微弧度的对准精度；然而，大动态范围和高精度探测的实现本质上是一对矛盾的过程，接近上述探测过程一般采用多级分解的探测方法。当光轴偏离较远时，采用动态范围大，探测精度较低的探测方法；当光轴接近中心时，采用高精度的探测设备，此时探测的动态范围较小。
光轴探测范围主要受限于探测器件靶面大小，光轴探测精度越高，光轴灵敏度也相应提高，大的光轴偏移容易使光斑跑出探测器靶面；光轴的探测精度主要受限于探测器的噪声，同时也受光斑大小，探测口径等因素的影响，正如文献《Accuracy analysis of aHartmann-Shack wavefront sensor operated with a faint object》，Opt Eng，1994，33(7)2331，分析的结果，在同等受限条件下，通过提高光轴探测的灵敏度，可以线性的提高探测精度。
为了确保光轴探测的动态范围，在保持光轴探测灵敏度不变的情况下，我们可以通过图像处理的方式，减少噪声等因素对光轴精度的影响，从而提高探测精度，文献《Shack-Hartmann波前传感器图像自适应阈值的选取》光学精密工程，2010，18(2)334，《基于图像处理技术的光斑质心高精度测量》，光电子激光，2011，22(10)1542，等提出了各种提高光斑质心精度的算法，这些算法在不同程度上提高了质心的探测精度，但是，这些方法的提高精度的基础在于假定光斑的分布是对称的，如高斯光斑或者艾里斑等，从这种假定出发分析了各种算法带来的精度提高，这些算法本质上并没有通过获得更多输入信息提高探测精度；对于输入光束含有像差等不符合假定条件的光斑光轴探测情况并不一定有效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对任意输入光束的光轴方向探测，提供一种大动态范围高精度光轴测量装置。本发明利用分光器件将光束分割成若干光束，通过更多光斑信息提高光轴方向的探测精度。
本发明采用的技术方案为：一种大动态范围高精度光轴测量装置，由二维分光模块，成像模块，远场记录模块和远场质心计算模块组成，其中，远场记录模块包含成像CCD和图像记录设备，二维分光模块将入射待测光束分割成若干光强幅度不同，位相分布和光强分布相同的光束，且每一束分光光束与入射光束的光轴方向存在一个固定的偏角，经成像系统后分别汇聚到远场记录模块的不同位置，形成光斑阵列，远场记录模块采集聚焦光斑阵列分布，并交由远场质心计算模块输出入射光束的光轴方向。远场质心计算模块对远场记录模块采集聚焦光斑阵列分布的处理过程描述如下：第一步，求取所有光斑阵列的质心位置，质心求取公式为：其中，为光斑光强分布，C0为当入射光束不含像差时光斑的质心位置，D为有效探测口径，为焦面坐标；第二步，以光斑阵列质心位置为中心，将聚焦光斑阵列按照光斑个数划分子区域，子区域的长宽分别为相邻的两个水平光斑和垂直光斑的距离，划分后的每个子区域内只包含单个光斑；第三步，求取所有子区域光斑的质心位置，第四步，求取所有光斑质心的平均值加上所有光斑阵列的质心位置C作为入射光束的光轴方向。
其中，所述的二维分光模块可以通过两片正交光栅或者两片正交楔镜组成。
本发明的原理是：
a、利用分光元件将入射光束分成不同偏移量的多束光束同时成像于探测元器件靶面位置，由于具有同样光轴方向的光斑增加了，光斑的信息量得到明显增加，通过多个光斑位置可以提高入射光轴的探测精度；
b、通过分光元件获得的光斑阵列，实质上在靶面区域以外也存在，当入射光束光轴偏移量较大时，有部分光斑可能已经偏移出探测器靶面的一侧，但是，另外一些光斑将从靶面的另一侧进入，使得靶面区域光斑数量保持不变，并且，由于光斑阵列中每个光斑的光强总和是相对固定的，因此，可以确定哪些光斑是刚进入靶面的，从而精确的计算出入射光束的光轴位置；
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明采用分光元件将入射光束分割成多个具有同样入射方向的光束，增加了光斑探测的信息，从而提高了光斑的探测精度；
(2)本发明利用分光元器件，使得光斑分布大于靶面区域，即使光斑跑出靶面区域，仍然能够通过光斑阵列强度分布推算出入射光束的光轴偏移量，从而拓宽了光斑的探测。
附图说明
图1为大动态范围高精度光轴测量装置结构示意图；
图2为一帧远场光斑阵列图；
图3为光轴偏移量较大时，部分光斑跑出CCD探测靶面，CCD探测典型图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明包括：大动态范围高精度光轴测量装置，由二维分光模块1，成像模块2，远场记录模块3和远场质心计算模块4组成，其中，远场记录模块3包含成像CCD和图像记录设备。远场记录模块1采集光斑阵列，并保存至远场质心计算模块4的内存中。远场质心计算模块4按照质心计算公式计算出整幅光斑阵列的中心Cx和Cy，并以该中心点选取出中心光斑的计算区域，而后，以平移中心光斑计算区域，获得周围8个光斑的计算区域，如图2中正上方图像则只需平移光斑计算区域，平移量为正上方光斑与中心光斑之间的距离，图像划分完毕后计算出所有子区域内光斑的质心位置，并求取所有光斑质心的平均值Cax和Cay；入射光束光轴方向等于子光斑质心平均值加整幅光斑阵列的中心，即Cx+Cax和Cy+Cay。
图3给出了当入射光轴偏移量较大时，CCD靶面上探测到的光斑分布。此时，部分光斑(图2最上方的一行光斑)聚焦在CCD靶面以外，而原先在CCD靶面以外的光斑(图2最下方以外的一行光斑)却进入CCD靶面，由于光斑阵列的相对强度分布不会因为入射光轴的偏移而发生变化，如图2中，中心光斑与正上方(或正下方)光斑的比值为：1.8:1，中心光斑与正左边(或正右边)的比值为3:1；而图3中，中心光斑与正上方光斑的比值为：1:1.8，中心光斑与正下方光斑的比值为：9:1，中心光斑与正左边(或正右边)的比值为3:1，从光斑的比值关系可以确定光轴向上发生了一个大的偏移，并且原光轴中心光斑已偏移至图3中的正上方光斑，同样的道理，通过计算幅光斑阵列的中心Cx和Cy和所有光斑质心的平均值Cax和Cay，我们便可以较为准确的评估光轴的偏移量，当然，通过采用模式拟合的方法我们可以更为准确的获得光斑的偏移量。

Claims (2)

1.一种大动态范围高精度光轴测量装置，其特征在于：该装置由二维分光模块(1)，成像模块(2)，远场记录模块(3)和远场质心计算模块(4)组成，其中，远场记录模块(3)包含成像CCD和图像记录设备，二维分光模块(1)将入射待测光束分割成若干光强幅度不同，相位分布和光强分布相同的光束，且每一束分光光束与入射光束的光轴方向存在一个固定的偏角，经成像系统后分别汇聚到远场记录模块(3)的不同位置，形成光斑阵列，远场记录模块(3)采集聚焦光斑阵列分布，并交由远场质心计算模块(4)输出入射光束的光轴方向，远场质心计算模块(4)对远场记录模块(3)采集聚焦光斑阵列分布的处理过程描述如下：第一步，求取所有光斑阵列的质心位置，质心求取公式为：其中，为光斑光强分布，C0为当入射光束不含像差时光斑的质心位置，D为有效探测口径，为焦面坐标；第二步，以光斑阵列质心位置为中心，将聚焦光斑阵列按照光斑个数划分子区域，子区域的长宽分别为相邻的两个水平光斑和垂直光斑的距离，划分后的每个子区域内只包含单个光斑；第三步，求取所有子区域光斑的质心位置；第四步，求取所有光斑质心的平均值加上所有光斑阵列的质心位置C作为入射光束的光轴方向。
2.根据权利要求1所述的大动态范围高精度光轴测量装置，其特征在于：所述的二维分光模块(1)可以通过两片正交光栅或者两片正交偰镜组成。
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