CN108287025B - 一种哈特曼波前传感器自动对准方法 - Google Patents

一种哈特曼波前传感器自动对准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种哈特曼波前传感器自动对准装置和方法，将哈特曼波前传感器固定到一个带有三维平移和二维倾斜调整的五维的电动调整架上，通过获取光瞳在哈特曼波前传感器上的斜率和有效性信息，计算调节量并控制调整架控制器调节电动调整架，实现哈特曼波前传感器的自动对准。本装置和方法简单、稳定、易实现，能直观实时的显示调整过程和结果，从而降低了对使用人员的要求，减少了调节时间，提高了哈特曼波前探测器的自动化程度。

Description

一种哈特曼波前传感器自动对准方法
技术领域
本发明涉及一种哈特曼波前传感器的自动对准装置和方法，特别是一种简单、快捷、自动化程度高地实现光束对准的哈特曼波前传感器。
背景技术
哈特曼波前传感器是一种常用的光波前探测器，它可以测量待测波前与参考波前之间的相位差，被广泛应用在光束诊断、天体成像、生物医学成像、光束控制和自适应光学相关领域。哈特曼波前传感器在使用前，需要将哈特曼波前传感器放置于与待测量波前共轭的位置，并实现光瞳和倾斜量的对准。实际工作的时候，共轭位置容易保证，但光瞳与倾斜量常不在合适的位置，需要对哈特曼波前传感器对准后才能进行有效的波前测量。通过手工实现哈特曼波前传感器的对准，需要操作人员有一定的技术基础，并且需要花费大量的时间，并且不适合一些比较特殊的场合，如强辐射、空间狭小等。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种哈特曼波前传感器自动对准装置和方法，该方法可以简单、快捷、自动的实现哈特曼波前传感器与待测量波前的光瞳和倾斜量对准。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种哈特曼波前传感器自动对准装置，包括哈特曼波前传感器、五维电动调整架、调整架控制器和计算机，五维电动调整架能够X、 Y、Z三维的平移调整和绕X、Y轴的二维旋转调节，即X、Y方向的倾斜，哈特曼波前传感器固定在五维电动调整架上，计算机通过获取光瞳在哈特曼波前传感器上的斜率和有效性信息，计算调节量并控制调整架控制器调节五维电动调整架，实现哈特曼波前传感器的自动对准。
其中，计算机可获取哈特曼波前传感器所有子孔径的X、Y方向的斜率和有效性信息。
其中，计算机可以通过调整架控制器控制五维电动调整架运动。
哈特曼波前传感器自动对准方法，利用的哈特曼波前传感器自动对准装置包括哈特曼波前传感器、五维电动调整架、调整架控制器和计算机。五维电动调整架包括X、Y、Z三个方向的平移调节和X、Y方向的旋转调节。哈特曼波前传感器固定在五维电动调整架上，计算机可以通过调整架控制器控制五维电动调整架的运动。该方法的流程为：
1)将固定在五维电动调整架上的哈特曼波前传感器放置到待测量光的合适位置，在 XY方向，使待测量光照射到哈特曼波前传感器上，并在Z方向使哈特曼波前传感器在待测量波前的共轭位置；
2)令哈特曼波前传感器的子孔径有N行，M列， x(m,n),y(m,n),m＝1,2,3,...,M,n＝1,2,3,...N分别为哈特曼波前传感器坐标为(m,n)的子孔径的X和Y方向中心位置，位于哈特曼波前传感器定义的光轴处的子孔径的x(m,n)和 y(m,n)均为0；计算机读取哈特曼波前传感器的所有子孔径的斜率和有效性信息 Sx(m,n),Sy(m,n),V(m,n),m＝1,2,3,...M，n＝1,2,3,...,N，其中，Sx(m,n)和Sy(m,n)分别为坐标为(m,n)的子孔径X和Y方向的斜率，V(m,n)为坐标为(m,n)的子孔径的有效性，值为1表示有效，为0表示无效。计算X和Y方向的光轴中心Px和Py：
Figure BDA0001558130670000021
3)若|Px|＜αx且|Py|＜αy，则跳转到步骤6)，其中αx和αy分别为光轴X和Y方向光轴中心对准精度；
4)计算X、Y方向的平移调节量Δx和Δy：
Δx＝-k1Px，Δy＝-K2Py (2)
其中k1和k2为调节系数，由五维电动调整架和调整架控制器的特性决定。
5)计算机发送X、Y方向的平移调节量Δx和Δy给调整架控制器，控制五维电动调节架的X和Y方向分别移动Δx和Δy；
6)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并计算X和Y方向的平均光轴倾斜角Tx和Ty：
Figure BDA0001558130670000031
7)若|Tx|＜βx且|Ty|＜βy，则跳转到步骤11)，其中βx和βy分别为光轴X和Y方向光轴倾斜对准精度；
8)计算X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy：
ΔTx＝-k3Tx，ΔTy＝-k4Ty (4)
其中k3和k4为调节系数，由五维电动调整架和调整架控制器的特性决定。
9)计算机发送X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy给调整架控制器，控制五维电动调节架的X和Y方向分别倾斜ΔTx和ΔTy；
10)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并按公式(1)计算X和Y方向的光轴中心Px和Py，若|Px|＜αx且|Py|＜αy则转到步骤11)，否则跳转到步骤4)；
11)计算机(4)发送Z方向的平移量Δz给调整架控制器，控制五维电动调整架在Z方向平移Δz
12)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并按公式(1)计算X和Y方向的光轴中心Px和Py
13)计算机发送Z方向的平移量-Δz给调整架控制器，控制五维电动调整架在Z方向平移-Δz
14)若|Px|＜αx且|Py|＜αy，自动对准结束。
15)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并计算X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy：
ΔTx＝sgn(Px)·Kx，ΔTy＝sgn(Py)·Ky
其中sgn(·)为符号函数，Kx和Ky分别为哈特曼波前传感器的子孔径在X和Y方向的动态范围。
16)发送X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy给调整架控制器(3)，控制五维电动调节架的X和Y方向分别倾斜ΔTx和ΔTy
17)跳转到步骤2)。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1.本发明所公开的一种哈特曼波前传感器的自动对准装置和方法仅由哈特曼波前传感器、五维电动调整架、调整架控制器和计算机组成，所有元件价格便宜，宜于购买。
2.本发明所公开的一种哈特曼波前传感器的自动对准装置和方法在自动对准时，仅需要哈特曼波前传感器的子孔径斜率信息和有效性信息，数据接口简单。
3.本发明所公开的一种哈特曼波前传感器的自动对准装置和方法在自动对准的时候，使用计算机通过调整架控制器实现对五维电动调整架的控制，三者均通过线缆连接，可根据实际需要放置在不同的位置，方便部署。
4.本发明所公开的一种哈特曼波前传感器的自动对准装置和方法在实施时，仅需要将哈特曼波前传感器置于待测波前的共轭位置，简单，易于操作，对操作人员的要求低，剩余流程无需人工参与。
附图说明
图1为本发明的装置组成示意图；
图2为本发明自动对准方法流程图；
图3为使用本发明自动对准前的哈特曼波前传感器图像；
图4为使用本发明自动对准后的哈特曼波前传感器图像。
具体实施方案
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本实施方案采用的是微棱镜阵列结构的哈特曼波传感测器，描述一种哈特曼波前传感器的自动对准装置和方法，装置的组成如图1所示，待测量光沿Z方向入射到固定在五维电动调整架上的哈特曼波前传感器上，计算机可通过采集系统读取哈特曼波前传感器所有子孔径的斜率和有效性，实施使用的哈特曼波前传感器子孔径有24列，24行，哈特曼波前传感器的图像分辨率为1392x1040，自动对准的流程如下：
1)将固定在五维电动调整架上的哈特曼波前传感器放置到待测量光的合适位置，在 XY方向，使待测量光照射到哈特曼波前传感器上，并在Z方向使哈特曼波前传感器在待测量波前的共轭位置，此时哈特曼波前传感器上的图像如图3所示，其中，子孔径用方框显示；
2)令x(m,n),y(m,n),m＝1,2,3,...,24,n＝1,2,3,...24分别为哈特曼波前传感器坐标为(m,n)的子孔径的X和Y方向中心位置，位于哈特曼波前传感器定义的光轴处的子孔径的 x(m,n)和y(m,n)均为0；计算机读取哈特曼波前传感器的所有子孔径的斜率和有效性信息 Sx(m,n),Sy(m,n),V(m,n),m＝1,2,3,...24，n＝1,2,3,...,24，其中，Sx(m,n)和Sy(m,n)分别为坐标为(m,n)的子孔径X和Y方向的斜率，V(m,n)为坐标为(m,n)的子孔径的有效性，值为1表示有效，为0表示无效。计算X和Y方向的光轴中心Px和Py：
3)若|Px|＜αx且|Py|＜αy，则跳转到步骤6)，其中αx＝5和αy＝5分别为光轴X 和Y方向光轴中心对准精度；
4)计算X、Y方向的平移调节量Δx和Δy：
Δx＝-k1Px，Δy＝-K2Py (2)
其中k1＝1和k2＝2为调节系数，由五维电动调整架和调整架控制器的特性决定。
5)计算机发送X、Y方向的平移调节量Δx和Δy给调整架控制器，控制五维电动调节架的X和Y方向分别移动Δx和Δy；
6)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并计算X和Y方向的平均光轴倾斜角Tx和Ty：
Figure BDA0001558130670000061
7)若|Tx|＜βx且|Ty|＜βy，则跳转到步骤11)，其中βx＝1和βy＝1分别为光轴X 和Y方向光轴倾斜对准精度；
8)计算X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy：
ΔTx＝-k3Tx，ΔTy＝-k4Ty (4)
其中k3＝1和k4＝1为调节系数，由五维电动调整架和调整架控制器的特性决定。
9)计算机发送X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy给调整架控制器，控制五维电动调节架的X和Y方向分别倾斜ΔTx和ΔTy；
10)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并按公式(1)计算X和Y方向的光轴中心Px和Py，若|Px|＜αx且|Py|＜αy则转到步骤11)，否则跳转到步骤4)；
11)计算机(4)发送Z方向的平移量Δz＝10给调整架控制器，控制五维电动调整架在Z方向平移Δz
12)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并按公式(1)计算X和Y方向的光轴中心Px和Py
13)计算机发送Z方向的平移量-Δz给调整架控制器，控制五维电动调整架在Z方向平移-Δz
14)若|Px|＜αx且|Py|＜αy，自动对准结束，此时，哈特曼波前传感器图像如图4所示，其中，子孔径用方框显示。
15)计算机读取哈特曼波前传感器的斜率和有效性信息并计算X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy：
ΔTx＝sgn(Px)·Kx，ΔTy＝sgn(Py)·Ky
其中sgn(·)为符号函数，Kx＝36和Ky＝36分别为哈特曼波前传感器的子孔径在X和Y方向的动态范围。
16)发送X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy给调整架控制器(3)，控制五维电动调节架的X和Y方向分别倾斜ΔTx和ΔTy
17)跳转到步骤2)。

Claims (1)

1.一种哈特曼波前传感器自动对准方法，利用哈特曼波前传感器自动对准装置，包括哈特曼波前传感器(1)、五维电动调整架(2)、调整架控制器(3)和计算机(4)，五维电动调整架(2)能够X、Y、Z三维的平移调整和绕X、Y轴的二维旋转调节，即X、Y方向的倾斜，哈特曼波前传感器(1)固定在五维电动调整架(2)上，计算机(4)通过获取光瞳在哈特曼波前传感器(1)上的斜率和有效性信息，计算调节量并控制调整架控制器(3)调节五维电动调整架，实现哈特曼波前传感器(1)的自动对准，其特征在于，包括自动对准的步骤如下：
1)将固定在五维电动调整架(2)上的哈特曼波前传感器(1)放置到待测量光的合适位置，在X方向与Y方向，使待测量光照射到哈特曼波前传感器(1)上，并在Z方向使哈特曼波前传感器在待测量波前的共轭位置；
2)令哈特曼波前传感器(1)的子孔径有N行，M列，x(m,n),y(m,n),m＝1,2,3,...,M,n＝1,2,3,...N分别为哈特曼波前传感器(1)坐标为(m,n)的子孔径的X和Y方向中心位置，位于哈特曼波前传感器(1)定义的光轴处的子孔径的x(m,n)和y(m,n)均为0；计算机(4)读取哈特曼波前传感器(1)的所有子孔径的斜率和有效性信息Sx(m,n),Sy(m,n),V(m,n),m＝1,2,3,...M,n＝1,2,3,...,N，其中，Sx(m,n)和Sy(m,n)分别为坐标为(m,n)的子孔径X和Y方向的斜率，V(m,n)为坐标为(m,n)的子孔径的有效性，值为1表示有效，为0表示无效，计算X和Y方向的光轴中心Px和Py：
Figure FDA0002239188070000011
3)若|Px|＜αx且|Py|＜αy，则跳转到步骤6)，其中αx和αy分别为光轴X和Y方向光轴中心对准精度；
4)计算X、Y方向的平移调节量Δx和Δy：
Δx＝-k1Px，Δy＝-K2Py (2)
其中k1和k2为调节系数，由五维电动调整架(2)和调整架控制器(3)的特性决定；
5)计算机(4)发送X、Y方向的平移调节量Δx和Δy给调整架控制器(3)，控制五维电动调节架的X和Y方向分别移动Δx和Δy；
6)计算机(4)读取哈特曼波前传感器(1)的斜率和有效性信息并计算X和Y方向的平均光轴倾斜角Tx和Ty：
Figure FDA0002239188070000021
7)若|Tx|＜βx且|Ty|＜βy，则跳转到步骤11)，其中βx和βy分别为光轴X和Y方向光轴倾斜对准精度；
8)计算X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy：
ΔTx＝-k3Tx，ΔTy＝-k4Ty (4)
其中k3和k4为调节系数，由五维电动调整架(2)和调整架控制器(3)的特性决定；
9)计算机(4)发送X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy给调整架控制器(3)，控制五维电动调节架(2)的X和Y方向分别倾斜ΔTx和ΔTy；
10)计算机(4)读取哈特曼波前传感器(1)的斜率和有效性信息并按公式(1)计算X和Y方向的光轴中心Px和Py，若|Px|＜αx且|Py|＜αy则转到步骤11)，否则跳转到步骤4)；
11)计算机(4)发送Z方向的平移量Δz给调整架控制器(3)，控制五维电动调整架(1)在Z方向平移Δz；
12)计算机(4)读取哈特曼波前传感器(1)的斜率和有效性信息并按公式(1)计算X和Y方向的光轴中心Px和Py；
13)计算机(4)发送Z方向的平移量-Δz给调整架控制器(3)，控制五维电动调整架(1)在Z方向平移-Δz；
14)若|Px|＜αx且|Py|＜αy，自动对准结束；
15)计算机(4)读取哈特曼波前传感器(1)的斜率和有效性信息并计算X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy：
ΔTx＝sgn(Px)·Kx，ΔTy＝sgn(Py)·Ky
其中sgn(·)为符号函数，Kx和Ky分别为哈特曼波前传感器的子孔径在X和Y方向的动态范围；
16)发送X、Y方向的倾斜调节量ΔTx和ΔTy给调整架控制器(3)，控制五维电动调节架(1)的X和Y方向分别倾斜ΔTx和ΔTy；
17)跳转到步骤2)。
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