CN111238664B - 基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法包括：将微透镜阵列划分为多个探测区域，每个探测区域包含多个探测子孔径；不同探测区域之间至少有一行或者一列探测子孔径重叠，确保了探测区域对整体波前的完整覆盖；在每个探测区域内部选择一个探测子孔径作为参考子孔径，不同探测区域基于不同的参考子孔径分别进行区域内子孔径图像的相关运算和倾斜量提取，可以在确保在相关算法有效的前提下提高夏克哈特曼的动态测量范围；将探测区域内部其它子孔径图像与参考子孔径图像进行相关运算和倾斜量提取，获得探测波前的倾斜；根据获得的探测波前的倾斜求解波前像差量。该方案可应用于扩展目标的探测领域，能够有效提高夏克哈特曼的动态测量范围。

Description

基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法

技术领域

本发明涉及光学波前探测技术领域，特别涉及一种基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法。

背景技术

夏克哈特曼波前传感器由于结构简单，实时性强，对工作环境要求低等优点，被广泛应用于自适应光学和主动光学的实时波前探测，激光光束质量诊断，大型光学元件的面形检测，天文望远镜的像质检测以及眼科科学等领域。在天文望远镜相关的波前探测和像质检测领域，夏克哈特曼波前传感器主要用于望远镜运行过程中对随机大气湍流的探测或者望远镜自身由于重力，温度等环境因素变化导致的像质变化，这两类误差导致的波前起伏范围相对较小。而在望远镜装调过程中由于初始误差较大，往往需要采用其他动态测量范围更大的探测手段。同时，随着望远镜口径增大，与望远镜口径相关的随机大气湍流导致的波前像差随之增大，相应的自适应波前探测要求的捕捉范围也随之增大，需要采用动态测量范围更大的波前探测方法。

夏克哈特曼波前探测是利用微透镜阵列对测试系统瞳面的波前进行分割，通过对探测子图像的处理获得探测波前的倾斜，从而反演波前的像差。其动态测量范围与测量系统的设计参数，如微透镜阵列子透镜的焦比有关，焦比越小，动态测量范围越大，而测量的分辨率(灵敏度)会较低。在不更改测量系统硬件配置的情况下，目前增大夏克哈特曼动态范围的方法有：利用反卷积的方法重新建立起像斑与微透镜子孔径的对应关系；按照坐标位置对像斑阵列和微透镜阵列进行排序，建立像斑与微透镜之间的某种对应关系；利用外推法，在预先知道某个子孔径对应的像斑的前提下，以此为起始点外推得到其他子孔径对应的像斑；或者采用自动搜索法将排列不规则的像斑归位到各自原来的位置，重新排列成规则的像斑阵列，通过某个光斑为微透镜的对应关系，得到所有光斑与微透镜阵列的对应关系。这些方法都是利用点光源作为参考目标，将超出探测视场的像斑与微透镜阵列建立对应关系，并且利用一个统一的参考子波前对整个波前进行相对的倾斜量探测。

而在一些波前探测的应用中，需要利用扩展源作为参考目标进行波前倾斜量的探测和提取，比如太阳望远镜的像质检测利用太阳上的某一特征区域作为参考目标。利用扩展源作为参考目标，需要采用相关算法计算子图像之间的偏移量，进而提取波前的倾斜，而较大像差可能会导致距离较远的探测子孔径获得扩展目标中不同视场的结构，子图像的结构特征不同，因此，无法利用统一的参考子图像对其他子图像进行相关获得波前的倾斜量。本发明旨在针对望远镜装调过程或者大口径望远镜自适应光学，利用扩展源作为参考目标，实现大动态范围像差探测的夏克哈特曼波前探测方法。

发明内容

针对现有技术的不足和应用的局限，本发明提供一种基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法。该方法能够在不更改硬件配置的条件下，利用扩展源作为测量参考，实现大动态测量范围的波前探测。

本发明基于波前探测的两个特性：1、入射波前具有连续性；2、探测阵列中距离较近的子孔径间波前起伏的差别较小，从而扩展目标形成的子图像的结构特征差异较小。鉴于波前探测的上述特性，本发明提出的夏克哈特曼波前探测的实施采用如下技术方案：

S1、将微透镜阵列划分为多个探测区域，每个探测区域包含多个探测子孔径，不同探测区域之间至少有一行或者一列探测子孔径重叠；

S2、在每个探测区域内部选择一个探测子孔径作为参考子孔径；

S3、将各探测区域内部其它子孔径图像与参考子孔径图像进行相关运算和倾斜量提取，获得探测波前的倾斜；

S4、根据获得的探测波前的倾斜求解波前像差量。

由于采用了多个参考子孔径，上述方法可以确保不同区域内部基于各个参考子图像特征结构的差异较小，能够以较高的精度通过相关算法提取波前的倾斜量，从而提高了夏克哈特曼波前探测器的动态测量范围。

上述技术方案适用于采用模式法对波前进行探测和重构，对应的波前探测和重构模型如下：

将波前分区域进行探测，探测区域的数量为n，第n个探测区域内的探测子孔径的数目为m_n，即各个探测区域内的探测子孔径的数目分别为m₁，m₂，……，m_n；各个探测区域的波前信息分别表示为W₁，W₂，……W_n；采用模式法进行波前重构的矩阵表达如(1)式；

W＝Za (1)

Z＝[Z₂ Z₃ …… Z₃]

其中

式中，W为分区域的波前，Z_i是一种表述波前的正交模式，Z_i1，Z_i2，……，Z_in表示第i个模式在不同探测区域内对应子孔径上的值，系数a_i对应模式波前的量级。

在实施过程中由于夏克哈特曼波前探测器测量的是波前的倾斜量，如上述技术方案，将波前倾斜量W′与波前的模式导数值Z′按照(1)式中的探测区域进行划分，并且在探测区域内选择一个探测子孔径作为参考子孔径，波前倾斜量与模式导数的展开表达为(2)式：

W′＝Z′a (2)

其中

Z′＝[Z₂′ Z₃′……Z_s′]

其中

在波前探测的实施过程中，Z′为已知量，通过解析表达式或者数值方法预先获得，W′为实时探测获得的子孔径波前倾斜。

基于上述波前探测和重构模型，优选地，可以通过最小二乘法或者其他优化算法求解波前像差各个模式分量的值。

本发明提供的技术方案对波前探测动态测量范围的扩展程度与探测子区域选择的形式有关，需要根据实际的测量要求进行测量方案的设计。

本发明的有益效果：

1、采用多个波前探测基准，可以确保采用扩展源作为探测目标相关算法实施的有效性。

2、能够有效扩大传统夏克哈特曼的动态测量范围。

3、可以使夏克哈特曼用于望远镜装调阶段或者自适应光学中大像差的探测，不需要更改硬件配置，提高夏克哈特曼在望远镜光学检测中的利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法的实现流程图；

图2为常规望远镜波前探测的夏克哈特曼波前探测器微透镜阵列示意图；

图3为分区域波前探测微透镜阵列区域划分示意图。

具体实施方式

下面将结合附图通过实施例对本发明实施的技术方案进行清楚、完整的描述。在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

针对望远镜装调过程或者大口径望远镜自适应光学，利用扩展源作为参考目标，实现大动态范围像差探测的夏克哈特曼波前探测和重建。图1为本发明提供的基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法的实现流程图。如图1所示，本实施例的实施步骤包括：

S1、将微透镜阵列划分为多个探测区域，每个探测区域包含多个探测子孔径，不同探测区域之间至少有一行或者一列探测子孔径重叠。

为了保证探测区域对整体波前的完整覆盖，不同探测区域之间需要至少有一行或者一列子口径重叠。

S2、在每个探测区域内部选择一个探测子孔径作为参考子孔径。

不同探测区域基于不同的参考子孔径分别进行区域内子孔径图像的相关运算和倾斜量提取，可以在确保在相关算法有效的前提下提高夏克哈特曼的动态测量范围。

S3、将各探测区域内部其它子孔径图像与参考子孔径图像进行相关运算和倾斜量提取，获得探测波前的倾斜。

S4、根据获得的探测波前的倾斜求解波前像差量。

一般天文望远镜的孔径都是圆形或者由于副镜遮挡导致的环形孔径，其夏克哈特曼波前探测器在望远镜出瞳面的微透镜阵列一般如图2所示。图2是为一个2米口径望远镜像质检测设计的一个21*21单元的波前探测阵列(孔径直径上对应的微透镜个数为21，每个子孔径对应主镜上约95mm的尺度)。根据上述技术方案利用模式法进行波前探测和重构的模型如下：

将波前进行分区域进行探测，如图3所示将微透镜阵列划分为若干探测区域，探测区域的数量为n。第n个探测区域内的探测子孔径的数目为m_n，即各个探测区域内的探测子孔径的数目分别为m₁，m₂，……，m_n。图3左侧给出了部分采用了3*3＝9个探测子孔径的探测区域，右侧给出了部分采用5*5＝25个探测子孔径的探测区域。由于孔径几何形状限制，每个探测区域子孔径的数目并非完全相等。各个探测区域的波前信息分别表示为W₁，W₂，……W_n。对于圆形孔径或者副镜遮挡比明显小于0.45的环形孔径可以采用圆形Zernike多项式作为正交模式对入射波前进行描述，其波前探测和重构的矩阵表达如(1)式。

W＝Za (1)

Z＝[Z₂ Z₃ …… Z_s]

其中

式中，W为分区域的波前，Z_i为圆形Zernike多项式，其中低阶项Z₂，Z₃分别表示波前X方向和Y方向的整体倾斜，Z₄表示波前的离焦量，Z₅，Z₆分别表示波前X方向和Y方向的象散，z₇，Z₈分别表示波前X方向和Y方向的彗差，波前整体倾斜并不影响望远镜像质，在望远镜装调过程中会面临的主要是镜组失配导致的离焦，象散和彗差等低阶像差，而大气湍流导致的波前误差中上述低阶项所占比例大于95％。Z_i1，Z_i2，……，Z_in分别表示第i项Zernike多项式在不同探测区域内对应子孔径上的值，，系数a_i对应Zernike像差模式的量级。

由于夏克哈特曼波前探测器测量的是波前的倾斜量，如上述技术方案，将波前倾斜量W′与波前的Zernike多项式的导数值Z′按照(1)式中的探测区域进行划分，并且在探测区域内选择一个探测子孔径作为参考子孔径，波前倾斜量与Zernike多项式导数的展开表达为(2)式：

W′＝Z′a (2)

其中

Z′＝[Z₂′ Z₃′ …… Z_s′]

其中

在波前探测的实施过程中，Z′为已知量，通过解析表达式或者数值方法预先获得，W′为实时探测获得的子孔径波前倾斜。

基于上述波前探测和重构模型，可以通过最小二乘法或者其他优化算法求解波前像差各个模式分量的值。

本技术方案波前探测动态测量范围的扩展程度与探测子区域选择的形式有关，需要根据实际的测量要求进行测量方案的设计。

以望远镜离焦像差Z₄的探测为例，采用图3所示的21*21单元探测阵列，探测系统硬件决定的基本动态测量范围(探测视场)为M1，其对应于探测阵列中斜率相差最大的两个子孔径的斜率差。图中X方向最大斜率差由最左和最右的子孔径提供，其斜率分别为[-6.59a,+6.59a]，斜率差即动态测量范围M1为13.2a，Y方向最大斜率差由Y方向最上和最下的子孔径提供，由于离焦像差的圆对称性，Y方向的探测斜率和动态测量范围与X方向一致。a为离焦像差系数，6.59为单位离焦像差在上述探测子孔径中的倾斜。在5*5探测区域内，硬件决定的探测范围对应的子孔径斜率差，是以中心子孔径(3,3)为参考，(3,1)和(3,5)子口径的斜率差分别为[-6.59a,+6.59a]，这时对应的离焦像差系数为5a，而由于中心孔径被部分遮挡，因此5*5单元探测区域能够将离焦像差的探测能力提高4倍。如果采用3*3探测区域，硬件决定的探测范围对应的斜率差以中心子孔径(2,2)为参考，(2,1)和(2,3)子口径的斜率差分别为[-6.59a,+6.59a]，这时对应的离焦像系数为10a，扣除中心被遮挡部分，能够将离焦像差探测能够提高8倍。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法，其特征在于，包括：

S1、将微透镜阵列划分为多个探测区域，每个探测区域包含多个探测子孔径，不同探测区域之间至少有一行或者一列探测子孔径重叠；

S2、在每个探测区域内部选择一个探测子孔径作为参考探测子孔径；

S3、将各探测区域内部其它探测子孔径图像与参考探测子孔径图像进行相关运算和倾斜量提取，获得探测波前的倾斜；

S4、根据获得的探测波前的倾斜求解波前像差量。

2.如权利要求1所述的基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法，其特征在于，所述方法采用模式法对波前进行探测和重构，对应的波前探测和重构模型如下：

将波前分区域进行探测，探测区域的数量为n，第n个探测区域内的探测子孔径的数目为m_n，即各个探测区域内的探测子孔径的数目分别为m₁，m₂，……，m_n；各个探测区域的波前信息分别表示为W₁，W₂，……W_n；采用模式法进行波前重构的矩阵表达如(1)式；

W＝Za (1)

Z＝[Z₂ Z₃ …… Z_s]

其中

式中，W为分区域的波前，Z_i是一种表述波前的正交模式，Z_i1，Z_i2，……，Z_in表示第i个模式下不同探测区域内的探测子孔径上的值，系数a_s对应模式波前的量级。

3.如权利要求2所述的基于区域探测和重构的夏克哈特曼波前探测方法，其特征在于，将波前倾斜量W′与波前的模式导数值Z′按照(1)式中的探测区域进行划分，并且在探测区域内选择一个探测子孔径作为参考探测子孔径，波前倾斜量与模式导数的展开表达为(2)式：

W′＝Z′a (2)

其中

Z′＝[Z₂′ Z₃′ …… Z_s′]

其中

在波前探测的实施过程中，Z′为已知量，通过解析表达式或者数值方法预先获得，W′为实时探测获得的探测子孔径波前倾斜。

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