CN112484865A - 一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时偏振调制哈特曼‑夏克波前探测装置，利用波前探测目标光与背景杂散光之间偏振特性差异，通过在微透镜阵列与光强探测器之间增加微偏振片阵列，对经微透镜阵列分割后的入射光束进行0°、45°、90°和135°线性偏振调制，同时获取不同偏振调制状态下的强度分布，并计算入射光束的偏振度、偏振相位角等偏振维度信息，最终得到波前斜率并复原波前像差，实现对入射光束波前探测。相对于传统哈特曼‑夏克波前探测装置，本发明将波前探测从强度探测维度变换到偏振探测维度，利用目标光与背景杂散光偏振特性差异，将目标光从背景杂散光中分离出来，极大提升信背比，实现强背景下波前探测。本发明专利结构紧凑、实时性强。

Description

一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置
技术领域
本发明属于波前像差测量的技术领域，特别涉及一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置。
背景技术
哈特曼-夏克波前探测技术是一种通用的经典波前相位检测技术，其广泛应用于自适应光学、天文、光学检测、生物医学等重要领域。当背景杂散光不强时，哈特曼-夏克波前探测技术不仅可以应用于点源目标探测，还可以应用于扩展目标探测，并分别采用质心算法和互相关算法获取高精度波前相位信息。当目标探测的信背比较低或背景杂散光较强时，点源目标或扩展目标在哈特曼-夏克传感器微透镜阵列子孔径中的成像信息就会被淹没，对比度极大下降，无法以来传统质心算法或互相关算法有效提取成像强度信息在单个子孔径中的位置偏移，并导致波前探测精度降低甚至失效。因此，传统哈特曼-夏克波前探测技术无法应用于强背景杂散光条件下进行波前探测，应用领域和探测能力均受到极大限制。减固定阈值(姜文汉等，夏克-哈特曼波前传感器的探测误差[J].量子电子学报，02:218，1998)、窄带光谱滤波(J.Beckers et al.,Using laser beacons for daytimeadaptive optics[J].Experimental Astronomy,11(2):133,2001)、视场偏移(C.Li etal.,Field of view shifted Shack-Hartmann wavefront sensor for daytimeadaptive optics system[J].Optics Letters,31(19):2821,2006)等方法虽然在一定程度上能够提升波前探测信背比，但依然无法实现强背景杂散光波前探测应用场景。
上述问题的根源在于传统哈特曼-夏克波前探测技术，其波前误差信息提取均停留在强度维度，目标信号光与背景杂散光融为一体，虽然通过减固定阈值等手段可一定程度上减弱背景杂散光影响，但无法从根本上对二者进行区分。偏振是光的固有属性，它反映了光的横波特性。相对于传统强度成像技术，偏振成像技术能够同时获取目标物体空间分布信息和理化信息，大大提高了目标信息量，具有传统强度成像所不具备的能力和特点。
基于以上背景，本发明一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其利用目标信号光与背景杂散光的偏振特性差异，在偏振维度对入射的目标信号光和背景杂散光进行区分，改变传统哈特曼-夏克波前探测装置在强度维度无法区分的状态，显著提升信背比，拓展哈特曼-夏克波前探测装置的应用领域和探测精度。相比于传统旋转波片的偏振调制哈特曼-夏克波前传感器，其结构更为紧凑、实时性更高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何在偏振维度对入射的目标信号光和背景杂散光进行实时区分，从而在保证波前探测实时性的基础上提升哈特曼-夏克波前探测信背比，拓展应用领域和探测精度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：利用波前探测目标光与背景杂散光之间偏振特性差异，通过在微透镜阵列与光强探测器之间增加微偏振片阵列，对经微透镜阵列分割后的入射光束进行0°、45°、90°和135°线性偏振调制，同时获取不同偏振调制状态下的强度分布，并计算入射光束的偏振度、偏振相位角等偏振维度信息，最终计算波前斜率并复原波前像差，实现对入射光束波前探测。
本发明装置由微透镜阵列1、微偏振片阵列2、光强探测器3、数据处理器4组成。含目标光和背景杂散光在内的入射光进入微透镜阵列1后被分割为M×N个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像并进入微偏振片阵列2的对应子区域。微偏振片阵列为2×2的周期性线偏振片阵列，相邻4个微偏振片的检偏角度与水平方向夹角分别为0°、45°、90°和135°，单个微偏振片尺寸与光强探测器(3)的像元尺寸相同或为整数倍，且一一对应排列。单个微透镜子区域对应多个微透镜阵列周期，记为(k,j)且均大于1。因此，光强探测器3将探测到经微透镜阵列1分割成像且被微偏振片阵列2多角度偏振调制后的强度分布，微透镜阵列1、微偏振片阵列2和光强探测器3也实际上组成了M×N个独立的偏振成像微系统，从而可以输出至数据处理器4中在偏振维度分析单个微透镜对应子区域的光束偏振特性。
数据处理器4的数据处理过程如下：
单个子孔径区域可以看成一个偏振成像微系统，入射光束经微透镜成像并被微偏振片阵列偏振调制后得到光强分布为I(2k,2j,m,n)，其中(k,j)为单个微透镜对应的2×2个微偏振片周期数，(m,n)为微透镜的序号。按照偏振调制方向不同，可以从总光强分布I(2k,2j,m,n)中分别抽取0°、45°、90°以及135°四个偏振调制态的光强分布，分别记为I(m,n,1)，I(m,n,2)，I(m,n,3)和I(m,n,4)。由此可以求解入射光束的斯托克斯矢量线偏振分量，如下式所示：
Figure BDA0002790074050000031
利用(3)式求解入射光的偏振态后，可以进一步获取入射光的偏振度、偏振相位角等信息，如下式所示：
Figure BDA0002790074050000032
至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角等是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式。利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数(记为P)，应用质心算法或互相关算法等即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。
所述的微偏振片阵列呈2×2周期性排布的微线偏振片，其相邻4个微偏振片检偏角度分别为0°、45°、90°和135°，具体排序方式不限。
所述的微偏振片阵列能够实现对入射光束进行4个方向的线性滤波，可以采用微纳光学加工的线性光栅实现，也可以通过液晶阵列等其他方式实现；
所述的实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置可以应用于不同哈特曼-夏克波前探测场景，探测对象可以是点目标，也可以是扩展目标。
所述的偏振度和偏振相位角仅为表征入射光偏振信息的常用参数，也可以根据实际需要采用线偏振度、圆偏振度、椭偏角或其他可以表征偏振特性的参数，或是上述偏振特征参数的融合。
所述光强探测器3能够探测入射光束的强度，其可以采用CCD相机、CMOS相机、EMCCD相机，只要满足光强探测和采集功能即可。
本发明的原理在于：利用入射的目标信号光与背景杂散光偏振特性差异，在偏振维度进行波前探测，获取不同线偏振调制状态下的强度分布阵列，并利用偏振复原方法得到单个微透镜对应区域光束偏振信息，最终计算波前斜率并复原波前像差，实现对入射光束波前实时探测。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明提供的新型波前探测装置，利用入射的目标信号光与背景杂散光偏振特性差异，将传统哈特曼-夏克波前探测技术在强度维度无法区分的目标信号光和背景杂散光，变换到偏振维度进行区分。相对传统哈特曼-夏克波前探测器，本发明提供装置波前探测信背比更高，特别适用于背景杂散光较强的场合，提升波前探测精度。相对旋转波片式偏振哈特曼-夏克波前探测器，本发明提供装置结构紧凑、基本不增加波前探测复杂度、实时性强，更适用于背景杂散光强且探测速度快的波前探测应用场景。
附图说明
图1为一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置示意图。其中，1为波片，2为波片旋转机构，3为检偏器，4为微透镜阵列，5为光强探测器，6为数据处理器。
图2为一种19单元偏振调制哈特曼-夏克波前传感器子孔径排布示意图。
图3为对应单个子孔径内部微偏振片阵列及其线偏振调制方向示意图。
图4为含较强背景杂散光的点源目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像对比示意图。
图5为含较强背景杂散光的扩展目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像在偏振度维度对比示意图。
图6为含较强背景杂散光的扩展目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像在偏振相位角维度对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。
如图1所示，一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，由微透镜阵列1、微偏振片阵列2、光强探测器3、数据处理器4组成。含目标光和背景杂散光在内的入射光进入微透镜阵列1后被分割为M×N个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像并进入微偏振片阵列2的对应子区域。微偏振片阵列为2×2的周期性线偏振片阵列，相邻4个微偏振片的检偏角度与水平方向夹角分别为0°、45°、90°和135°，单个微偏振片尺寸与光强探测器3的像元尺寸相同或为整数倍，且一一对应排列。单个微透镜子区域对应多个微透镜阵列周期，记为(k,j)且均大于1。因此，光强探测器3将探测到经微透镜阵列1分割成像且被微偏振片阵列2多角度偏振调制后的强度分布，微透镜阵列1、微偏振片阵列2和光强探测器3也实际上组成了M×N个独立的偏振成像微系统，从而可以输出至数据处理器4中在偏振维度分析单个微透镜对应子区域的光束偏振特性。数据处理器4的数据处理过程如公式(1)和公式(2)所示。
至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角等是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式。利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数(记为P)，应用质心算法或互相关算法等即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。
图2-3给出了本发明提出的实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置一种可能的微透镜阵列子孔径布局方式(19单元)。图4显示了含较强背景杂散光的点源目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像在偏振度维度对比示意图。图5和图6分别显示了含较强背景杂散光的扩展目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像在偏振度维度和偏振相位角维度的对比示意图。从示意图中可以看出，采用本发明的实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其单个子孔径内点源目标和扩展目标相对背景杂散光的信背比得到显著增强，波前探测信标提取精度更高，波前探测更准确。
需要指出的是，图4、图5和图6仅给出了点源目标和扩展目标单一偏振度或偏振相位角信息，在实际应用中还可以给出点源目标和扩展目标的偏振椭圆度信息及其他可以表征偏振状态的参数及其融合，在偏振信息表达上存在较多中可能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本发明为详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：该装置利用波前探测目标光与背景杂散光之间偏振特性差异，通过在微透镜阵列与光强探测器之间增加微偏振片阵列，对经微透镜阵列分割后的入射光束进行0°、45°、90°和135°线性偏振调制，同时获取不同偏振调制状态下的强度分布，并计算入射光束的偏振度、偏振相位角等偏振维度信息，最终计算波前斜率并复原波前像差，实现对入射光束波前探测；
该装置由微透镜阵列(1)、微偏振片阵列(2)、光强探测器(3)、数据处理器(4)组成，含目标光和背景杂散光在内的入射光进入微透镜阵列(1)后被分割为M×N个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像并进入微偏振片阵列(2)的对应子区域，微偏振片阵列为2×2的周期性线偏振片阵列，相邻4个微偏振片的检偏角度与水平方向夹角分别为0°、45°、90°和135°，单个微偏振片尺寸与光强探测器(3)的像元尺寸相同或为整数倍，且一一对应排列，单个微透镜子区域对应多个微透镜阵列周期，记为(k,j)且均大于1，光强探测器(3)将探测到经微透镜阵列(1)分割成像且被微偏振片阵列(2)多角度偏振调制后的强度分布，微透镜阵列(1)、微偏振片阵列(2)和光强探测器(3)也实际上组成了M×N个独立的偏振成像微系统，从而可以输出至数据处理器(4)中在偏振维度分析单个微透镜对应子区域的光束偏振特性；
数据处理器(4)的数据处理过程如下：
单个子孔径区域可以看成一个偏振成像微系统，入射光束经微透镜成像并被微偏振片阵列偏振调制后得到光强分布为I(2k,2j,m,n)，其中(k,j)为单个微透镜对应的2×2个微偏振片周期数，(m,n)为微透镜的序号，按照偏振调制方向不同，可以从总光强分布I(2k,2j,m,n)中分别抽取0°、45°、90°以及135°四个偏振调制态的光强分布，分别记为I(m,n,1)，I(m,n,2)，I(m,n,3)和I(m,n,4)，由此可以求解入射光束的斯托克斯矢量线偏振分量，如下式所示：
Figure RE-FDA0002895828030000011
利用(1)式求解入射光的偏振态后，可以进一步获取入射光的偏振度、偏振相位角信息，如下式所示：
Figure RE-FDA0002895828030000021
至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角等是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式，利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数(记为P)，应用质心算法或互相关算法即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。
2.根据权利要求1所述的一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：微偏振片阵列呈2×2周期性排布的微线偏振片，其相邻4个微偏振片检偏角度分别为0°、45°、90°和135°，具体排序方式不限。
3.根据权利要求2所述的一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：所述的微偏振片阵列，能够实现对入射光束进行4个方向的线性滤波，可以采用微纳光学加工的线性光栅实现，也可以通过液晶阵列等其他方式实现。
4.根据权利要求1所述的一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：其可以应用于不同哈特曼-夏克波前探测场景，探测对象可以是点目标，也可以是扩展目标。
5.根据权利要求1所述的一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：偏振度和偏振相位角仅为表征入射光偏振信息的常用参数，也可以根据实际需要采用线偏振度、圆偏振度、椭偏角或其他可以表征偏振特性的参数，或是上述偏振特征参数的融合。
6.根据权利要求1所述的一种实时偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：光强探测器(3)能够探测入射光束的强度，其可以采用CCD相机、CMOS相机、EMCCD相机，只要满足光强探测和采集功能即可。
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