CN108646406B - 一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，由倾斜镜(1)、变形镜(2)、第一离轴抛物镜(3)、第二离轴抛物镜(4)、分光镜(5)、成像透镜(6)、探测器(7)、调制镜(8)、聚焦透镜(9)、分光棱锥(10)、后继透镜(11)、探测器(12)和波前处理机(13)组成，利用棱锥波前传感器本征模式来获取自适应光学系统的传递函数矩阵，并通过模式滤波来提高传递函数矩阵的稳定性，从而有效提高基于棱锥波前传感器的自适应光学系统闭环稳定性。本发明能够根据实际情况来选择系统的校正效果。本发明充分利用现有棱锥波前传感器设备，无需额外增加光学器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应光学装置，特别是涉及一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置。
背景技术
自适应光学技术利用波前传感器实时测量入射波前畸变像差，通过波前控制器进行复原计算，反馈控制波前校正器进行波前畸变补偿校正，从而保证光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力，因此在高分辨率成像观测、激光通信、人眼像差测量等领域具有重要应用。
波前传感器是自适应光学系统的重要组成部分，其用于对不断变化的波前畸变进行实时探测，因此是实现自适应光学系统稳定工作的核心器件。棱锥波前传感器作为一种新型的波前探测器件，相比传统的哈特曼波前传感器，其具有探测灵敏度高和空间采样率可调等优点，因此从1996年提出棱锥波前传感器概念(参考文献“Pupil plane wavefrontsensing with an oscillating prism”,Journal of Modern Optics 43,1996)以来，其已经在诸多望远镜的自适应光学系统中获得了成功应用。根据文献报道，棱锥波前传感器工作时通常采用Zernike模式法或者K-L模式法进行闭环控制，这些模式算法虽然能够对大气湍流进行比较好的描述，但是并没有对棱锥波前传感器的空间特征进行考虑，没有考虑测量噪声对模式复原过程的影响，而棱锥波前传感器测量过程不可避免会受到测量噪声的影响，这些噪声会造成复原模式之间的耦合效应，从而导致自适应光学系统的探测信噪比低和闭环不稳定等缺点。本发明采用棱锥波前传感器的本征模式进行闭环控制，保证了测量噪声对复原的各阶棱锥波前传感器本征模式的影响相互正交，同时通过模式滤波的方式来消除受噪声影响严重的本征模式项，因此可以在不影响其他复原模式的前提下减小测量噪声对模式控制的影响，有效降低测量噪声对自适应光学系统闭环控制的干扰，提高系统的控制稳定性和波前校正性能。目前国内外未见基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置的相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有基于棱锥波前传感器的自适应光学装置测量噪声影响大，系统闭环稳定性低的不足之处，本发明提出一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，这种模式控制方式能够将测量噪声与探测信号进行正交化解耦处理，通过模式滤波来消除噪声影响严重的本征模式项，从而有效去除棱锥波前传感器测量噪声对探测信号的影响，提高自适应光学系统的闭环稳定性。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，由倾斜镜1、变形镜2、第一离轴抛物镜3、第二离轴抛物镜4、分光镜5、成像透镜6、第一探测器7、调制镜8、聚焦透镜9、分光棱锥10、后继透镜11、第二探测器12和波前处理机13组成。倾斜镜1，变形镜2，第一离轴抛物镜3和第二离轴抛物镜4构成的缩束系统，分光镜5，成像透镜6和第一探测器7构成的远场成像系统，调制镜8、聚焦透镜9、分光棱锥10、后继透镜11和第二探测器12形成的棱锥波前传感器系统，该自适应光学装置工作前，利用变形镜驱动器影响函数重构矩阵的数值处理来获得基于棱锥本征模的闭环传递矩阵；该自适应光学装置工作时，波前处理机13根据第二探测器12获得的棱锥探测信号，结合已经获得的棱锥本征模闭环传递矩阵来计算求解本征模复原系数，根据该复原系数来得到控制倾斜镜1和变形镜2的控制电压，实现倾斜镜1对入射波前整体倾斜的校正和变形镜2对入射波前非整体倾斜高阶像差的校正，利用成像透镜6和第一探测器7构成的远场成像系统来获得校正后的完善成像。
所述的棱锥波前传感器的本征模式传递函数矩阵通过驱动器影响函数的重构函数矩阵进行自相关运算、奇异值分解运算和滤波运算来生成。
所述的倾斜镜1用于实现入射波前畸变的整体倾斜校正，倾斜镜1的驱动器可以采用压电陶瓷驱动器、电致伸缩陶瓷驱动器或音圈电机驱动器。
所述的变形镜2用于实现入射波前畸变的非整体倾斜高阶像差的校正，变形镜2的驱动器可以采用压电陶瓷驱动器、电致伸缩陶瓷驱动器或音圈电机驱动器。
所述的第一离轴抛物镜3和第二离轴抛物镜4构成缩束系统，用于将入射到变形镜上的大口径光束缩小到适合于棱锥波前探测的小口径光束。
所述的分光镜5用于实现对光束的分光作用，可以为强度分光、或光谱分光。
所述的调制镜8用于实现棱锥的调制工作模式，当棱锥采用调制工作模式时，则调制镜8通过施加X和Y两个方向的正弦调制信号来实现对光束的圆周调制；当棱锥采用非调制工作模式时，则调制镜8不施加任何调制信号，仅作为反射镜使用。
所述的分光棱锥10为折射式的四面锥体，可以采用单片玻璃制造而成，也可以采用双片玻璃的胶合形式制造而成。
所述的第一探测器7和第二探测器12为科学级CCD或科学级CMOS。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)本发明采用棱锥波前传感器的本征模式进行闭环控制，这种模式控制方式充分考虑了棱锥波前传感器自身的结构特点，算法具有模式选择功能，因此能够根据实际情况来选择系统的校正效果。
(2)本发明能够通过对棱锥波前传感器本征模式进行滤波处理，从而去除掉测量噪声影响严重的本征模式项，有效提高系统闭环稳定性。
(3)本发明充分利用现有棱锥波前传感器设备，无需额外增加光学器件。
附图说明
图1为本发明一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置整体结构示意图；
图2为棱锥波前传感器本征模式控制算法的基本流程；
图中附图标记含义为：1为倾斜镜，2为变形镜，3为第一离轴抛物镜，4为第二离轴抛物镜，5为分光镜，6为成像透镜，7为第一探测器，8为调制镜，9为聚焦透镜，10为分光棱锥，11为后继透镜，12为第二探测器，13为波前处理机。
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，本发明一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，由倾斜镜1、变形镜2、第一离轴抛物镜3、第二离轴抛物镜4、分光镜5、成像透镜6、第一探测器7、调制镜8、聚焦透镜9、分光棱锥10、后继透镜11、第二探测器12和波前处理机13组成。倾斜镜1用于对入射波前的整体倾斜进行校正；变形镜2用于对入射波前的非整体倾斜高阶像差进行校正；第一离轴抛物镜3和第二离轴抛物镜4形成缩束系统，用于将入射到变形镜上的大口径光束缩小到适合棱锥波前传感器探测的小口径光束；分光镜5用于对光束进行分光；成像透镜6和探测器7用于形成入射光束对应的远场成像系统；调制镜8用于实现棱锥波前传感器的调制工作模式；聚焦透镜9用于将光束聚焦到棱锥顶点；分光棱锥10用于实现光束的四象限分光；后继透镜11用于将光束耦合到第二探测器12上；第二探测器12用于接收棱锥波前探测图像；波前处理机13用于对第二探测器12采集的棱锥波前探测图像进行数据处理，结合棱锥本征模式传递函数矩阵进行复原运算，并根据运算结果将校正电压输出到倾斜镜1和变形镜2上。
该自适应光学装置闭环工作前，需要对棱锥波前传感器的本征模式传递函数矩阵进行测量，算法流程如图2所示，具体步骤如下：①以基准平面波光束入射到自适应光学装置中，然后依次对变形镜各驱动器施加单位电压，每个驱动器施加电压后均可以记录得到棱锥波前传感器的探测信号向量，当所有驱动器都施加电压后，就可以得到驱动器影响函数对应的重构矩阵S；②对矩阵S进行自相关运算，得到自相关矩阵T＝S'×S(其中S'表示矩阵S的反置矩阵)；③对矩阵T进行奇异值分解，得到T＝U×Λ×U'(其中矩阵U'表示矩阵U的反置矩阵，Λ为矩阵T的奇异值构成的对角线矩阵)；④则棱锥本征模式对应的传递函数矩阵P＝S×U；⑤对棱锥本征模式传递函数矩阵进行滤波处理，得到最终系统闭环应用的棱锥本征模传递函数矩阵Q＝P×F(其中F代表采用的滤波矩阵)。
该自适应光学装置闭环工作时，入射光束照射在倾斜镜1上，反射光继续传输照射在变形镜2上，随后从变形镜2反射的光束经过第一离轴抛物镜3和第二离轴抛物镜4后传输到分光镜5上，第一离轴抛物镜3和第二离轴抛物镜4形成缩束系统，用于将入射到变形镜2上的大口径光束转化成适合后面棱锥探测的小口径光束；光束在分光镜5上进行分光，一部分透射光经过成像透镜6后在第一探测器7上形成远场成像光斑；光束在分光镜5上的另外一部分反射光继续传输经过调制镜8和聚焦透镜9(当棱锥采用调制工作模式时，则调制镜8通过施加X和Y两个方向的正弦调制信号来实现对光束的圆周调制；当棱锥采用非调制工作模式时，则调制镜8不施加任何调制信号，仅作为反射镜使用)，聚焦透镜9将光束聚焦在分光棱锥10的顶点处，随后光束经过分光棱锥10后到达后继透镜11，后继透镜11将光束耦合成像在第二探测器12上；波前处理机13对第二探测器12获得的探测图像进行接收，根据该探测图像运算得到棱锥波前传感器的斜率探测信号，根据该斜率探测信号的平均斜率值得到控制倾斜镜1校正电压，从而实现对入射波前倾斜像差的校正，另外将该斜率探测信号与上述得到的棱锥本征模式传递函数矩阵Q进行运算处理，就可以得到棱锥本征模式复原系数向量g，结合棱锥本征模式计算过程中得到的矩阵U，就可以计算得到控制变形镜2的校正电压v，从而实现对入射波前非整体倾斜高阶像差的校正；入射光束经过倾斜镜1和变形镜2的补偿校正后，就能够在第一探测器7上形成完善的远场成像光斑。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，其特征在于：由倾斜镜（1）、变形镜（2）、第一离轴抛物镜（3）、第二离轴抛物镜（4）、分光镜（5）、成像透镜（6）、探测器（7）、调制镜（8）、聚焦透镜（9）、分光棱锥（10）、后继透镜（11）、探测器（12）和波前处理机（13）组成，倾斜镜（1），变形镜（2），第一离轴抛物镜（3）和第二离轴抛物镜（4）构成缩束系统，分光镜（5），成像透镜（6）和探测器（7）构成远场成像系统，调制镜（8）、聚焦透镜（9）、分光棱锥（10）、后继透镜（11）和探测器（12）形成棱锥波前传感器系统，该自适应光学装置工作前，利用变形镜驱动器影响函数重构矩阵的数值处理来获得基于棱锥本征模的闭环传递矩阵；该自适应光学装置工作时，波前处理机（13）根据探测器（12）获得的棱锥探测信号，结合已经获得的棱锥本征模闭环传递矩阵来计算求解本征模复原系数，根据该复原系数来得到控制倾斜镜（1）和变形镜（2）的控制电压，实现倾斜镜（1）对入射波前整体倾斜的校正和变形镜（2）对入射波前非整体倾斜高阶像差的校正，利用成像透镜（6）和探测器（7）构成的远场成像系统来获得校正后的完善成像；
该自适应光学装置闭环工作前，需要对棱锥波前传感器的本征模式传递函数矩阵进行测量，具体步骤如下：①以基准平面波光束入射到自适应光学装置中，然后依次对变形镜各驱动器施加单位电压，每个驱动器施加电压后均记录得到棱锥波前传感器的探测信号向量，当所有驱动器都施加电压后，得到驱动器影响函数对应的重构矩阵S；②对矩阵S进行自相关运算，得到自相关矩阵T=S'×S，其中S'表示矩阵S的反置矩阵；③对矩阵T进行奇异值分解，得到T=U×Λ×U '，其中矩阵U '表示矩阵U的反置矩阵，Λ为矩阵T的奇异值构成的对角线矩阵；④则棱锥本征模式对应的传递函数矩阵P=S×U；⑤对棱锥本征模式传递函数矩阵进行滤波处理，得到最终系统闭环应用的棱锥本征模传递函数矩阵Q=P×F，其中F代表采用的滤波矩阵；
该自适应光学装置闭环工作时，入射光束照射在倾斜镜上，反射光继续传输照射在变形镜上，随后从变形镜反射的光束经过第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜后传输到分光镜上，第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜形成缩束系统，用于将入射到变形镜上的大口径光束转化成适合后面棱锥探测的小口径光束；光束在分光镜上进行分光，一部分透射光经过成像透镜后在第一探测器上形成远场成像光斑；光束在分光镜上的另外一部分反射光继续传输经过调制镜和聚焦透镜，当棱锥采用调制工作模式时，则调制镜通过施加X和Y两个方向的正弦调制信号来实现对光束的圆周调制；当棱锥采用非调制工作模式时，则调制镜不施加任何调制信号，仅作为反射镜使用，聚焦透镜将光束聚焦在分光棱锥的顶点处，随后光束经过分光棱锥后到达后继透镜，后继透镜将光束耦合成像在第二探测器上；波前处理机对第二探测器获得的探测图像进行接收，根据该探测图像运算得到棱锥波前传感器的斜率探测信号，根据该斜率探测信号的平均斜率值得到控制倾斜镜校正电压，从而实现对入射波前倾斜像差的校正，另外将该斜率探测信号与得到的棱锥本征模式传递函数矩阵Q进行运算处理，得到棱锥本征模式复原系数向量g，结合棱锥本征模式计算过程中得到的矩阵U，计算得到控制变形镜的校正电压v，从而实现对入射波前非整体倾斜高阶像差的校正；入射光束经过倾斜镜和变形镜的补偿校正后，就能够在第一探测器上形成完善的远场成像光斑。
2.根据权利要求1所述的一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，其特征在于：倾斜镜（1）用于实现入射波前畸变的整体倾斜校正，倾斜镜（1）的驱动器采用压电陶瓷驱动器、电致伸缩陶瓷驱动器或音圈电机驱动器。
3.根据权利要求1所述的一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，其特征在于：变形镜（2）用于实现入射波前畸变的非整体倾斜高阶像差的校正，变形镜（2）的驱动器采用压电陶瓷驱动器、电致伸缩陶瓷驱动器或音圈电机驱动器。
4.根据权利要求1所述的一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，其特征在于：分光镜（5）用于实现对光束的分光作用，为强度分光或光谱分光。
5.根据权利要求1所述的一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，其特征在于：分光棱锥（10）为折射式的四面锥体，采用单片玻璃制造而成或采用双片玻璃的胶合形式制造而成。
6.根据权利要求1所述的一种基于棱锥波前传感器本征模式控制的自适应光学装置，其特征在于：第一探测器（7）和第二探测器（12）为科学级CCD或科学级CMOS。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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