CN106768395A - 一种自适应光学波前传感器与波前校正器对准误差精密测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，通过对波前校正器的特征驱动器施加电压，利用波前传感器测量光路中的像差变化情况，根据测量的像差变化得到波前校正器的特征驱动器在光路中的位置，从而得到波前校正器的驱动器与波前传感器的对准误差。本发明利用自适应光学系统中的现有条件，无需增加任何额外的设备，实现简单，可以有效地测量波前校正器与波前传感器的对准误差，指导光学系统调整，提高了自适应光学系统的校正能力。

Description

一种自适应光学波前传感器与波前校正器对准误差精密测量 方法

技术领域

本发明涉及自适应光学系统中波前传感器与波前校正器对准误差的精密测量方法，尤其适用于夏克_哈特曼波前传感器与波前校正器的对准误差测量。

背景技术

自适应光学系统中，波前校正器的驱动器布局和波前传感器的子孔径分布是经过优化选择的最佳匹配关系，然而哈特曼传感器和变形镜为两个独立的器件，一般情况下两者之间的距离还比较大，二者之间的对准精度改变了这种对应关系，影响自适应光学系统的波前校正能力。在实际的自适应光学系统调整过程中，通过测量传递函数矩阵，采用斜率影响函数矩阵的条件数判断二者的失配情况，然而这种判断方式只能定性的检测出二者的失配结果，并且无法判断失配的情况；因此对准情况缺乏准确的对准依据，对准精度无法得到保证，无法指导自适应光学系统调整，使自适应光学系统达到最佳校正性能。

发明内容

本发明的目的是：解决自适应光学系统中变形镜和哈特曼传感器的失配问题，提高两者之间的对准精度，从而提高自适应光学系统的校正性能。

本发明的技术解决方案是：一种自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)向特征驱动器施加固定电压，通过波前传感器测量波前斜率；

步骤(2)根据波前斜率采用区域法重构波前像差；

步骤(3)根据施加电压后像差的变化情况计算波前校正器的驱动器在波前传感器上的位置；

步骤(4)通过多个特征驱动器的位置，计算波前校正器与波前传感器的失配情况。

进一步的，所述步骤(1)中的特征驱动器为中心区域的驱动器，驱动器影响的波前传感器上对应的子孔径最多。

进一步的，所述步骤(1)中的波前斜率可以通过向特征驱动器施加固定电压后采集，也可以通过测量传函中得到。

进一步的，所述步骤(2)中重构波前像差采用的是弗雷德模型。

进一步的，所述步骤(3)中计算特征驱动器在波前传感器上的位置时，首先采用区域法重构和波前传感器子孔径行数和列数相对应的波面，然后采用双三次插值法得到较高精度的波面，采用质心算法计算驱动器的位置：

其中，W_i为重构后第i点的波像差，x_i为第i点x方向的值、y_i为第i点y方向的值。

进一步的，所述步骤(4)中计算波前校正器与波前传感器的失配情况时选取的特征驱动器时以波前校正器的中心驱动器为中心建立直角坐标系，选取在坐标轴上、对称并影响区域最广的的驱动器。

进一步的，所述步骤(4)中计算波前校正器与波前传感器的失配情况时首先计算驱动器的旋转情况，然后消除旋转后计算驱动器的X和Y方向的平移情况。

本发明的原理在于：

根据波前传感器和波前校正器的设计情况，选取影响区域最广的驱动器作为特征驱动器，然后向特征驱动器施加电压并分别得到相应的波前传感器子孔径斜率或从测量的传递函数矩阵中得到波前传感器的子孔径斜率；根据子孔径斜率采用区域法进行波前复原得到与子孔径排布相对应的复原波面，然后采用采用双三次插值法得到分辨率更高的复原波面，根据每个特征驱动器时间电压后的特征波面采用质心算法得到特征驱动器的位置；以波前波前校正器中心驱动器为坐标零点建立直角坐标系，选取在坐标轴上的特征驱动器，根据选取的特征驱动器计算波前传感器与波前校正器之间的旋转关系，该计算值即为波前传感器与波前校正器失配的旋转误差，然后将特征驱动器的位置进行消旋，消旋后特征驱动器的位置与设计的位置之差即为波前传感器与波前校正器失配的平移误差。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)根据波前传感器与波前校正器的设计，容易寻找特征驱动器；

(2)特征驱动器施加电压后的子孔径斜率数据可以在特征驱动器施加电压后直接采集，也可以根据系统测量的传递函数矩阵得到；

(3)本发明充分利用现有条件，无需增加或修改系统软硬件的现有状态；

(4)本发明利用区域法对波前传感器的测量数据进行波前复原，然后对低分辨率的波面数据采用双三次插值法得到较高精度的波面，可以减少测量误差，同时提高计算精度，对于子孔径排布较稀疏的波前传感器适用；

(5)本发明在计算波前传感器与波前校正器失配时采用直角坐标系坐标轴上、对称并影响区域最广的的驱动器的驱动器作为特征驱动器，对失配误差计算容易。

附图说明

图1为波前校正器与波前传感器设计匹配关系；

图2为本发明实现流程图；

图3为特征驱动器施加电压后重构波面图，其中，图3(a)为向25号特征驱动器施加1V的电压采用区域法的弗雷德模型得到的波面，图3(b)为采用双三次插值法得到的更高分辨率的波面；

图4为波前校正器与波前传感器失配示意图，其中，图4(a)为Δθ为波前传感器与波前校正器旋转失配情况示意图，图4(b)为对特征驱动器的位置进行消旋后特征驱动器的位置示意图；

图5为采用自适应光学中波前传感器与波前校正器误差精密测量方法调整前后对比图，其中，图5(a)为采用传统方法对光学系统进行精确调整的结果示意图，图5(b)为根据计算结果指导光学系统进行调整后的结果示意图。

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，184单元自适应光学系统波前校正器的驱动器与波前传感器的子孔径最佳匹配关系，波前校正器的驱动器采用15*15的方形布局关系，间距为10mm；波前传感器采用14*14的方形排布，间距为10mm；以波前校正器中心为坐标原点建立直角坐标系，根据影响区域最广原则并为了便于计算选取坐标轴上对称的驱动器25、89、96和160为特征驱动器；向25号特征驱动器施加1V的电压采用区域法的弗雷德模型得到如图3(a)所示波面，刚采用双三次插值法得到如图3(b)所示的更高分辨率的波面；采用质心算法得到特征驱动器的位置，如图3(b)中+所示位置；循环上次操作分别得到89、96和160号驱动器的位置；如图4(a)中所示Δθ为波前传感器与波前校正器旋转失配情况，tan(△θ)＝(y₈₉-y₉₆)/(x₈₉-x₉₆))；对特征驱动器的位置进行消旋后特征驱动器的位置如图4(b)所示，Δx，Δy分别为水平方向和垂直方向的失配情况，△x＝(x₂₅+x₈₉+x₉₆+x₁₆₀)/4，△y＝(y₂₅+y₈₉+y₉₆+y₁₆₀)/4。如图5(a)所示为采用传统方法对光学系统进行精确调整，调整完毕后采用波前传感器与波前校正器对准误差的精密测量方法对波前传感器和波前校正器的对准误差进行计算，结果为条件数为：173.027，旋转为：0.842°，水平方向平移为：2.776mm，垂直方向为:0.486；根据计算结果指导光学系统进行调整，调整后的结果如图5(b)所示条件数为:30.382，旋转为：0.792，水平方向平移为：-0.144mm，垂直方向平移为：0.025mm。采用自适应光学中波前传感器与波前校正器误差精密测量方法调整前后对比表明该方法对提高波前传感器与波前校正器的对准进度，减小两者之间的失配具有最要意义。

综上所述，本发明可以有效地得到波前传感器与波前校正器之间的对准偏差，可以有效的指导自适应光学系统中光机系统调整，从而提高自适应光学系统的校正能力和系统工作的稳定性。

Claims (7)

1.一种自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤(1)向特征驱动器施加固定电压，通过波前传感器测量波前斜率；

步骤(2)根据波前斜率采用区域法重构波前像差；

步骤(3)根据施加电压后像差的变化情况计算波前校正器的驱动器在波前传感器上的位置；

步骤(4)通过多个特征驱动器的位置，计算波前校正器与波前传感器的失配情况。

2.根据权利要求1所述的自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的特征驱动器为中心区域的驱动器，驱动器影响的波前传感器上对应的子孔径最多。

3.根据权利要求1所述的自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的波前斜率可以通过向特征驱动器施加固定电压后采集，也可以通过测量传函中得到。

4.根据权利要求1所述的自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中重构波前像差采用的是弗雷德模型。

5.根据权利要求1所述的自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算特征驱动器在波前传感器上的位置时，首先采用区域法重构和波前传感器子孔径行数和列数相对应的波面，然后采用双三次插值法得到较高精度的波面，采用质心算法计算驱动器的位置：

$x_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{x}_i{W}_i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{W}_i};y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{y}_i{W}_i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{W}_i}$

其中，W_i为重构后第i点的波像差，x_i为第i点x方向的值、y_i为第i点y方向的值。

6.根据权利要求1所述的自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算波前校正器与波前传感器的失配情况时选取的特征驱动器时以波前校正器的中心驱动器为中心建立直角坐标系，选取在坐标轴上、对称并影响区域最广的的驱动器。

7.根据权利要求1所述的自适应光学波前传感器与波前校正器的对准误差精密测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算波前校正器与波前传感器的失配情况时首先计算驱动器的旋转情况，然后消除旋转后计算驱动器的X和Y方向的平移情况。