CN108955904B - 一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置，通过将点光源与面光源相结合，将点目标夏克‑哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克‑哈特曼法波前探测光路、面目标相位差法波前探测光路整合在一起，通过变形镜面形产生各种静态或动态的像差，用点目标夏克‑哈特曼法波前探测器探测的波前信息对相关夏克‑哈特曼法与相位差法两种面目标波前探测器的波前探测精度和性能进行评测与校准。本发明具有集成度高、功能多样、操作简单、性能可靠、精度较高、易于对比检校等优点，是进行点面目标复合波前探测的有效装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置，可用于面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器和面目标相位差法波前探测器的实验验证和精度分析，属于光学检测前沿领域。
背景技术
传统的波前探测器一般采用点目标作为信标，相关的理论和技术已经比较成熟，且可实现高精度的波前探测。然而在一些特殊应用领域，比如卫星对地观测、太阳观测等，无法获得适用于传统波前探测用的点目标。为了实现上述领域高精度高分辨率观测，需要利用面目标，如地物或太阳表面，进行精确的波前探测，因此需要开展面目标波前探测技术研究。目前面目标波前探测方法主要包括相关夏克-哈特曼法和相位差法。然而，面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器和面目标相位差法波前探测器的探测精度和范围受到约束较多，需要进行评测和校准，因此一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置，提高面目标的波前探测精度和可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置，解决了现有技术中只能对点目标或面目标进行波前探测，无法兼顾点目标波前探测与面目标波前探测、无法进行实时比对与实时检校、无法进行多条件(如不同光束口径、不同视场大小、不同位置偏差和相对离焦等)下波前探测性能评测等问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置，其特征在于包括：点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路和面目标相位差法波前探测光路；其中，所述点目标夏克-哈特曼法波前探测器探测得到参考波前信息；所述面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路探测得到第一波前信息；所述面目标相位差法波前探测光路探测得到第二波前信息；根据参考波前信息和第一波前信息得到相关夏克-哈特曼法的波前探测精度和探测性能；根据参考波前信息和第二波前信息得到相位差法的波前探测精度和探测性能。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，所述点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路包括点光源、分束片一、透镜一、孔径光阑、透镜二、视场光阑、透镜三、变形镜、分束片二、透镜四、透镜五、点目标夏克-哈特曼波前传器和计算机一；其中，点光源发出的光依次经过分束片一、透镜一、孔径光阑、透镜二、视场光阑、透镜三、变形镜、分束片二、透镜四和透镜五后到达点目标夏克-哈特曼波前传器，点目标夏克-哈特曼波前传器将采集的信号发给计算机一，通过处理得到参考波前信息。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，点目标夏克-哈特曼波前传器、计算机一和变形镜三者形成闭环回路，能够控制变形镜的面形改变，产生光学系统各种静态或动态像差。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，所述面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路包括面光源、分束片一、透镜一、孔径光阑、透镜二、视场光阑、透镜三、变形镜、分束片二、透镜六、分束片三、透镜七、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器和计算机二；其中，面光源发出的光依次经过分束片一、透镜一、孔径光阑、透镜二、视场光阑、透镜三、变形镜、分束片二、透镜六、分束片三和透镜七后到达面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器，面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器将采集的信号发给计算机二，通过处理得到光学系统的第一波前信息，根据参考波前信息和第一波前信息得到得到相关夏克-哈特曼法的波前探测精度和探测性能。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，所述面目标相位差法波前探测光路包括面光源、分束片一、透镜一、孔径光阑、透镜二、视场光阑、透镜三、变形镜、分束片二、透镜六、分束片三、透镜八、透镜九、分束片四、面目标相位差法波前探测器和计算机三；其中，面光源发出的光依次经过分束片一、透镜一、孔径光阑、透镜二、视场光阑、透镜三、变形镜、分束片二、透镜六、分束片三、透镜八、透镜九和分束片四后到达面目标相位差法波前探测器，面目标相位差法波前探测器将采集的信号发给计算机三，通过运算分析得到光学系统的第二波前信息，根据参考波前信息和第二波前信息得到相位差法的波前探测精度和探测性能。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，所述面目标相位差法波前探测器包括焦面CCD1和离焦CCD2；其中，光束经过分束片四分束，一束光到达焦面CCD1，另一束光到达离焦CCD2。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，所述点光源发出的中心波长808nm、谱段宽度30nm的近红外光。
上述兼顾点面目标的多功能波前探测装置中，所述面光源发出波长为400nm-760nm的可见光。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的实验装置可以基于一套光路同时实现点目标夏克-哈特曼法波前探测、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测、面目标相位差法波前探测等三种波前探测形式，并可用高精度点目标夏克-哈特曼法波前探测器对面目标相关夏克-哈特曼法波前探测、面目标相位差法波前探测的波前探测精度进行评测与校准；
(2)本发明的点目标夏克-哈特曼法波前探测器探测器、计算机一和变形镜三者形成闭环控制回路，可实现变形镜面形精确控制，使系统精确产生各种不同静态或动态像差，可以全面、精确验证上述两种面目标波前探测器对不同像差的波前探测精度与性能；
(3)本发明的点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路、面目标相位差法波前探测采用部分共光路和各光路像差补偿校正方案，提高波前探测检校精度和系统可靠性；
(4)本发明实验装置可以通过调整孔径光阑、视场光阑、面目标波前探测器的位置，可以分析光束口径、视场大小、位置偏差、相对离焦等波前探测精度的影响；
(5)本发明的兼顾点面目标的多功能波前探测装置具有集成度高、功能多样、操作简单、性能可靠、精度较高、易于对比分析的优点。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的兼顾点面目标的多功能波前探测装置示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的兼顾点面目标的多功能波前探测装置示意图。由图1可知，该兼顾点面目标的多功能波前探测装置，包括：点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路和面目标相位差法波前探测光路等三个光路；
点目标夏克-哈特曼法波前探测光路中，点光源2发出的中心波长808nm、谱段宽度30nm的近红外光经过分束片一3反射后依次通过透镜一4、孔径光阑5、透镜二6、视场光阑7、透镜三8后，经变形镜9和分束片二反射后、依次通过透镜四11、透镜五12后到达点目标夏克-哈特曼法波前探测器13，点目标夏克-哈特曼波法前传感器13将采集的信号发给计算机一14，通过运算分析得到光学系统的波前信息，将其作为参考波前信息；
面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路中，面光源1发出的可见光(400nm-760nm，中心波长和谱段宽度可根据需要通过加滤光片等途径调整)依次经过分束片一3、透镜一4、孔径光阑5、透镜二6、视场光阑7、透镜三8后、经变形镜9反射后、依次通过分束片二10、透镜六15，经分束片三16后、通过透镜七17后到达面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18，面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18将采集的信号发给计算机二19，通过运算分析得到光学系统的第一波前信息。
面目标相位差法波前探测光路中，面光源1发出的可见光(400nm-760nm，中心波长和谱段宽度可根据需要通过加滤光片等途径调整)依次经过分束片一3、透镜一4、孔径光阑5、透镜二6、视场光阑7、透镜三8后、经变形镜9反射后、依次通过分束片二10、透镜六15，分束片三16、透镜八20、透镜九21后，由分束片四22分成反射和透射两个相同支路，透射支路到达焦面CCD123，反射支路到达离焦CCD2 24，二者将采集的信号发给计算机三25，通过运算分析得到光学系统的第二波前信息。
计算机一14、变形镜9、点目标夏克-哈特曼波前传器13三者形成闭环回路，变形镜9根据计算机一14发送的控制指令精确产生各种静态或动态像差；点目标夏克-哈特曼波前传器13、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18、面目标相位差法波前探测器(包括焦面CCD1 23和离焦CCD2 24)对光学系统的波前进行实时测量；通过将面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18、面目标相位差法波前探测器(包括焦面CCD1 23和离焦CCD2 24)测量的波前信息分别与点目标夏克-哈特曼波前传器13测量的波前(参考波前信息)进行对比分析，进而分析验证面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18、面目标相位差法波前探测器(包括焦面CCD1 23和离焦CCD2 24)波前探测精度和能力。
点目标夏克-哈特曼波前传器13和面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18可进行精密位置调整，保证二者微透镜阵列应位于两个光路实出瞳处；面目标相位差法波前探测器的焦面CCD1 23位于支路一的焦面位置，离焦CCD2 24位于支路二焦面附近，具有一定的离焦(波长级)，二者可以根据需要进行精密位置调整。
孔径光阑5用来控制光学系统的通光口径，进而控制进入波前探测器的光束口径；通过视场光阑7用来控制进入光学系统的视场范围，进而控制进入波前探测器的视场角。
对点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路和面目标相位差法波前探测光路进行像差(包括色差)补偿与校正，减小三个光路之间的相对误差。点目标夏克-哈特曼波前传器(13)应具有高阶像差探测能力和优于1/100λRMS的波前探测精度，以提高波前探测检校精度。
面光源1、点光源2具有不同的谱段。通过分束片一3、分束片二10、分束片三16、分束片四22分束作用，将点光源2发出的光发送到点目标夏克-哈特曼波前传器13，而面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18和面目标相位差法波前探测器(包括焦面CCD1 23和离焦CCD2 24)接收不到点光源2发出的光；通过分束片一3、分束片二10、分束片三16、分束片四22分束作用，将将面光源1发出的光发送到面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器18和面目标相位差法波前探测器(包括焦面CCD1 23和离焦CCD2 24)，而点目标夏克-哈特曼波前传器13接收不到点光源2发出的光。
本实施例将点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路和面目标相位差法波前探测光路等三个光路整合在一起，共用前端光路，减小非共光路像差；通过计算机一和点目标夏克-哈特曼波前传器可以精确控制变形镜面形，使光学系统精确产生各种静态或动态像差；实现面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器、面目标相位差法波前探测器的精度和性能的全面评测；通过调整孔径光阑、视场光阑、离焦CCD与焦面CCD的位置与相对离焦，分析光束口径、视场大小、位置偏差、相对离焦等波前探测精度的影响。
本实施例可以同时实现面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器、面目标相位差法波前探测器波前探测精度和性能的精确分析与验证，系统操作简单，功能多样，精确可达λ/100rms。
本实施例可以用于面目标相关夏克-哈特曼法和面目标相位差法波前探测的实验验证与精度分析，用来提高面目标波前探测性能和精度，进而显著提高卫星对地观测、太阳观测等面目标观测任务的分辨率和精度。
本实施例的实验装置可以基于一套光路同时实现点目标夏克-哈特曼法波前探测、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测、面目标相位差法波前探测等三种波前探测形式，并可用高精度点目标夏克-哈特曼法波前探测器对面目标相关夏克-哈特曼法波前探测、面目标相位差法波前探测的波前探测精度进行评测与校准；本实施例的点目标夏克-哈特曼法波前探测器探测器、计算机一和变形镜三者形成闭环控制回路，可实现变形镜面形精确控制，使系统精确产生各种不同静态或动态像差，可以全面、精确验证上述两种面目标波前探测器对不同像差的波前探测精度与性能；本实施例的点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路、面目标相位差法波前探测采用部分共光路和各光路像差补偿校正方案，提高波前探测检校精度和系统可靠性；本实施例可以通过调整孔径光阑、视场光阑、面目标波前探测器的位置，可以分析光束口径、视场大小、位置偏差、相对离焦等波前探测精度的影响；本实施例的兼顾点面目标的多功能波前探测装置具有集成度高、功能多样、操作简单、性能可靠、精度较高、易于对比分析的优点。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种兼顾点面目标的多功能波前探测装置，其特征在于包括：点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路和面目标相位差法波前探测光路；其中，
所述点目标夏克-哈特曼法波前探测器探测得到参考波前信息；
所述面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路探测得到第一波前信息；
所述面目标相位差法波前探测光路探测得到第二波前信息；
根据参考波前信息和第一波前信息得到相关夏克-哈特曼法的波前探测精度和探测性能；
根据参考波前信息和第二波前信息得到相位差法的波前探测精度和探测性能；
所述点目标夏克-哈特曼法波前探测器光路包括点光源(2)、分束片一(3)、透镜一(4)、孔径光阑(5)、透镜二(6)、视场光阑(7)、透镜三(8)、变形镜(9)、分束片二(10)、透镜四(11)、透镜五(12)、点目标夏克-哈特曼波前传器(13)和计算机一(14)；其中，
点光源(2)发出的光依次经过分束片一(3)、透镜一(4)、孔径光阑(5)、透镜二(6)、视场光阑(7)、透镜三(8)、变形镜(9)、分束片二(10)、透镜四(11)和透镜五(12)后到达点目标夏克-哈特曼波前传器(13)，点目标夏克-哈特曼波前传器(13)将采集的信号发给计算机一(14)，通过处理得到参考波前信息；
点目标夏克-哈特曼波前传器(13)、计算机一(14)和变形镜(9)三者形成闭环回路，能够控制变形镜(9)的面形改变，产生光学系统各种静态或动态像差；
所述面目标相关夏克-哈特曼法波前探测光路包括面光源(1)、分束片一(3)、透镜一(4)、孔径光阑(5)、透镜二(6)、视场光阑(7)、透镜三(8)、变形镜(9)、分束片二(10)、透镜六(15)、分束片三(16)、透镜七(17)、面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器(18)和计算机二(19)；其中，
面光源(1)发出的光依次经过分束片一(3)、透镜一(4)、孔径光阑(5)、透镜二(6)、视场光阑(7)、透镜三(8)、变形镜(9)、分束片二(10)、透镜六(15)、分束片三(16)、和透镜七(17)后到达面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器(18)，面目标相关夏克-哈特曼法波前探测器(18)将采集的信号发给计算机二(19)，通过处理得到光学系统的第一波前信息，根据参考波前信息和第一波前信息得到相关夏克-哈特曼法的波前探测精度和探测性能；
所述面目标相位差法波前探测光路包括面光源(1)、分束片一(3)、透镜一(4)、孔径光阑(5)、透镜二(6)、视场光阑(7)、透镜三(8)、变形镜(9)、分束片二(10)、透镜六(15)、分束片三(16)、透镜八(20)、透镜九(21)、分束片四(22)、面目标相位差法波前探测器和计算机三(25)；其中，
面光源(1)发出的光依次经过分束片一(3)、透镜一(4)、孔径光阑(5)、透镜二(6)、视场光阑(7)、透镜三(8)、变形镜(9)、分束片二(10)、透镜六(15)、分束片三(16)、透镜八(20)、透镜九(21)和分束片四(22)后到达面目标相位差法波前探测器，面目标相位差法波前探测器将采集的信号发给计算机三(25)，通过运算分析得到光学系统的第二波前信息，根据参考波前信息和第二波前信息得到相位差法的波前探测精度和探测性能。
2.根据权利要求1所述的兼顾点面目标的多功能波前探测装置，其特征在于：所述面目标相位差法波前探测器包括焦面CCD1(23)和离焦CCD2(24)；其中，
光束经过分束片四(22)分束，一束光到达焦面CCD1(23)，另一束光到达离焦CCD2(24)。
3.根据权利要求1所述的兼顾点面目标的多功能波前探测装置，其特征在于：所述点光源(2)发出的中心波长808nm、谱段宽度30nm的近红外光。
4.根据权利要求1所述的兼顾点面目标的多功能波前探测装置，其特征在于：所述面光源(1)发出波长为400nm-760nm的可见光。
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