CN114777933B - 一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置及测量方法 - Google Patents

一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置及测量方法 Download PDF

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CN114777933B CN202210696386.9A CN202210696386A CN114777933B CN 114777933 B CN114777933 B CN 114777933B CN 202210696386 A CN202210696386 A CN 202210696386A CN 114777933 B CN114777933 B CN 114777933B
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Abstract

本发明公开了一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置及测量方法，测量装置包括沿光路设置的光束匹配组件，分光棱镜、微透镜阵列一、探测器一、微透镜阵列二、探测器二、同步触发器与数据处理器。测量方法为；步骤S1：采用标准平行光源对该装置进行标定，并建立微透镜阵列一、探测器一、与微透镜阵列二、探测器二上靶面点阵的共线关系；步骤S2：通过同步触发器触发探测器一采集被测透射光束波前点阵信息，触发探测器二采集被测反射光束波前点阵信息；步骤S3:确定步骤S2中透射光束波前点阵；步骤S4:求取被测激光束波前。本发明不采用哈特曼网格，不受网格限制，无需跨网格光斑点阵识别，提高了波前探测的动态范围。

Description

一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，更具体地讲，涉及一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置及测量方法。
背景技术
激光束波前探测是大气自适应光学及激光通信等领域中的关键技术，而哈特曼波前传感器则广泛地应用于激光束波前探测中。将入射波前用微透镜阵列等器件，在空间分割成许多子波前，利用波前斜率重构出波前。传统的哈特波前传感器，根据微透镜阵列子孔径口径，焦距及探测器像元尺寸，建立哈特曼网格，随之确定哈特波前传感器的动态范围。以哈特曼网格为界限搜索光斑点阵，结合参考波前质心坐标，即可获得每个子区域上的波前斜率信息，最后采用模式法或区域法即可计算出被测激光束的波前。该类型的哈特波前传感器典型结构可参见专利（CN1245904A）中公开的一种光学波前传感器。该类型的哈特曼结构得到了广泛应用，但对超出哈特曼网格界限的光斑却无很好的识别方法，这类哈特曼波前传感器的动态范围难以得到近一步提升。
在专利（CN101261161A）中公开了一种大动态范围的哈特曼波前传感器及其测试方法。通过一维平移台带动光电探测器的移动，来识别越界的光斑点阵，该方法仍然基于哈特曼网格，且需要人为过多的干预，难以满足实时性的要求。可以看出，近一步提升哈特曼波前传感器的动态范围在目前应用中有着重大需求，也是该技术发展的瓶颈之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置及测量方法；相比现有技术，本发明不采用哈特曼网格，不受网格限制，无需跨网格光斑点阵识别，大幅提高波前探测的动态范围。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置，包括沿光路设置的光束匹配组件、将光束分离为反射光束和透射光束的分光棱镜、用于接收透射光束的微透镜阵列一、用于接收反射光束的微透镜阵列二、用于采集透射光束波前信息的探测器一、用于采集反射光束波前信息的探测器二、分别与探测器一和探测器二输出端连接的同步触发器、以及与同步触发器输出端连接的数据处理器。
在一些可能的实施方式中，所述反射光束和透射光束的轴线所形成的夹角为90°。
在一些可能的实施方式中，所述微透镜阵列一与微透镜阵列二的子孔径相同。
在一些可能的实施方式中，所述微透镜阵列二的子孔径焦距为微透镜阵列一的子孔径焦距的1.1-1.5倍。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现数据的相同采集；
所述探测器一与探测器二为型号相同的面阵相机。
另一方面：
一种利用以上所述的无网格大动态范围哈特曼波前测量装置进行测量的测量方法，
步骤S1:标定；
采用标准平行光源对该装置进行标定，并建立微透镜阵列一、探测器一、与微透镜阵列二、探测器二上靶面点阵的共线关系；
步骤S2:通过同步触发器触发探测器一采集被测透射光束波前点阵信息，触发探测器二采集被测反射光束波前点阵信息；
步骤S3:基于步骤S1中共线关系，确定步骤S2中透射光束波前点阵；
步骤S4:求取被测激光束波前。
在一些可能的实施方式中，具体包括以下步骤：
所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11:根据装置测试波长λ、微透镜阵列一或微透镜阵列二的子孔径口径D、探测器一或探测器二的像元尺寸A、微透镜阵列一焦距
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、以及微透镜阵列二焦距
Figure 340013DEST_PATH_IMAGE002
，计算得到微透镜阵列一单个子孔径一倍衍射极限直径，在探测器一靶面上所占的像素个数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，以及微透镜阵列二单个子孔径一倍衍射极限直径，在探测器二靶面上所占的像素个数
Figure 60844DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S12:采用标准平行光源进行初始位置标定，记录：
探测器一上的光斑点阵质心坐标位置为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
探测器二上的光斑点阵质心坐标位置
Figure 491826DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，i=1-n，j=1-m，n与m为光斑点阵长度与宽度上的光斑个数；
步骤S13:建立探测器一与探测器二上对应位置光斑所对应的基准位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
根据
Figure 589095DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 421921DEST_PATH_IMAGE010
共线，求出探测器一与探测器二上对应位置光斑所对应的基准位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S3具体是指：
步骤S31:根据标定方法中记录的标定位置
Figure 313654DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，以
Figure 231932DEST_PATH_IMAGE014
为中心位置，建立
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的矩阵搜索框，采用阈值法搜索中心位置处的光斑点阵，搜索到距离最近的光斑记为
Figure 132891DEST_PATH_IMAGE016
；
按同样方法，以
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为中心位置，建立
Figure 554645DEST_PATH_IMAGE018
的矩形搜索框，采用阈值法搜索中心位置处的光斑点阵，搜索到距离最近的光斑记为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
步骤S32:计算测量位置坐标
Figure 882859DEST_PATH_IMAGE020
；
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE021
与
Figure 22853DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
共线，求出测量位置坐标
Figure 724574DEST_PATH_IMAGE024
，同时计算出
Figure 469676DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 234370DEST_PATH_IMAGE011
的距离；
步骤S33:当距离值小于两个像素时，则判定
Figure 64923DEST_PATH_IMAGE016
即为
Figure 573264DEST_PATH_IMAGE014
位置处的波面点阵；
否则剔除上述结果，搜索第二距离近点，重复步骤S31-步骤S33，当搜索半径超过2D/A像素值时，则该中心位置处按无光处理。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41:根据步骤S3，搜索到单帧数据的所有波面点阵
Figure 172873DEST_PATH_IMAGE016
，结合标定数据
Figure 108468DEST_PATH_IMAGE014
，采用模式法或区域法计算出被测光束单帧波前；
步骤S42:按步骤S41中单帧数据的处理方式，完成序列数据的处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明中的测量装置通过沿90°布置的两组同子孔径口径不同焦距的微透镜阵列及探测器组件，同步数据采集，建立探测器靶面点阵与微透镜阵列之间的共线关系，求取被测激光束波前，相较于传统的哈特波前传感器，无需建立网格，即无需跨网格光斑点阵识别，同时大幅提高波前探测的动态范围。
附图说明
图1为本发明中测量装置的连接关系示意图；
图2为本发明中测量方法的原理图；
其中：1、被测激光装置；2、光束匹配组件；3、分光棱镜；4、微透镜阵列一；5、探测器一；6、微透镜阵列二；7、探测器二；8、同步触发器；9、数据处理器。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明进行详细说明。
如图1所示；
一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置，包括沿光路设置的光束匹配组件、将光束分离为反射光束和透射光束的分光棱镜、用于接收透射光束的微透镜阵列一、用于接收反射光束的微透镜阵列二、用于采集透射光束波前信息的探测器一、用于采集反射光束波前信息的探测器二、分别与探测器一和探测器二输出端连接的同步触发器、以及与同步触发器输出端连接的数据处理器。
需要说明的是，被测激光装置发射激光束经光束匹配组件，光束匹配组件进行口径及强度调制处理后，由分光棱镜分为强度一致的透射光束和反射光束，透射光束依次进入微透镜阵列一与探测器一，反射光束依次进入微透镜阵列二与探测器二，同步触发器控制探测器一与探测二进行同步数据采集，数据处理器根据集成的算法计算出被测光束的波前。
在一些可能的实施方式中，所述反射光束和透射光束的轴线所形成的夹角为90°。
分光棱镜将激光光束分为强度一致且轴线相互垂直的透镜光束和反射光束。
在一些可能的实施方式中，所述微透镜阵列一与微透镜阵列二的子孔径相同。
在一些可能的实施方式中，所述微透镜阵列二的子孔径焦距为微透镜阵列一的子孔径焦距的1.1-1.5倍。
这样设置，使得透镜光束、反射光束的焦距不同，进而使得在空间上的位置不会重合在一个点上。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现数据的相同采集；所述探测器一与探测器二为型号相同的面阵相机。
本装置的工作原理为：在使用时，被测激光装置发射激光束经光束匹配组件，光束匹配组件进行口径及强度调制处理后，由分光棱镜分为两束成90°夹角且强度一致的激光束，透射光束依次进入微透镜阵列一与探测器一，反射光束依次进入微透镜阵列二与探测器二，同步触发器控制探测器一与探测器二进行同步数据采集，根据建立的微透镜阵列及两组探测器靶面点阵共线关系，确定被测光束波面点阵，结合标准平行光源标定出的初始位置点阵，由数据处理器解算出子区域上的波前斜率信息，即可计算出被测光束波前。该装置不受网格限制，具有较大的动态范围，特别适合高畸变波前激光束的像差测试。
另一方面：
如图2所示，透镜Ⅰ与透镜Ⅱ共面，记为平面E，透镜Ⅰ焦面记为平面B，透镜Ⅱ焦面记为平面C，两透镜中心轴的平行轴记为F，则同一激光束透过透镜Ⅰ与透镜Ⅱ，形成的焦点与透镜中心连线，与中心轴所成夹角应同为β，根据两焦斑位置坐标即可解算出透镜中心的位置，根据透镜中心位置同样也可锁定焦斑位置；即同一激光束通过共轴的两个透镜，则焦斑中心与透镜中心的连线与透镜中心轴的夹角相同。
基于上述原理，一种利用以上所述的无网格大动态范围哈特曼波前测量装置进行测量的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:标定；
采用标准平行光源对该装置进行标定，并建立微透镜阵列一、探测器一、与微透镜阵列二、探测器二上靶面点阵的共线关系；
所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11:根据装置测试波长λ，以及微透镜阵列一或微透镜阵列二的子孔径口径D、探测器一或探测器二的像元尺寸A、微透镜阵列一焦距
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、以及微透镜阵列二焦距
Figure 223054DEST_PATH_IMAGE026
，计算得到微透镜阵列一单个子孔径一倍衍射极限直径，在探测器一靶面上所占的像素个数
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，以及微透镜阵列二单个子孔径一倍衍射极限直径，在探测器二靶面上所占的像素个数
Figure 3929DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤S12:采用标准平行光源进行初始位置标定，记录：
探测器一上的光斑点阵质心坐标位置为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
探测器二上的光斑点阵质心坐标位置
Figure 520361DEST_PATH_IMAGE030
，
其中，i=1-n，j=1-m，n与m为光斑点阵长度与宽度上的光斑个数；
步骤S13:建立探测器一与探测器二上对应位置光斑所对应的基准位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
根据
Figure 361278DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 963160DEST_PATH_IMAGE034
共线，求出探测器一与探测器二上对应位置光斑所对应的基准位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。
步骤S2:通过同步触发器触发探测器一采集被测透射光束波前点阵信息，触发探测器二采集被测反射光束波前点阵信息；
步骤S3:基于步骤S1中共线关系，确定步骤S2中透射光束波前点阵；
所述步骤S3具体是指：
步骤S31:根据标定方法中记录的标定位置
Figure 547725DEST_PATH_IMAGE036
与
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，以
Figure 918664DEST_PATH_IMAGE038
为中心位置，建立
Figure DEST_PATH_IMAGE039
的矩阵搜索框，采用阈值法搜索中心位置处的光斑点阵，搜索到距离最近的光斑记为
Figure 930482DEST_PATH_IMAGE040
；
按步骤S31同样的方法，以
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为中心位置，建立
Figure 754082DEST_PATH_IMAGE042
的矩形搜索框，采用阈值法搜索中心位置处的光斑点阵，搜索到距离最近的光斑记为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
步骤S32:计算测量位置坐标
Figure 142338DEST_PATH_IMAGE044
；
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE045
与
Figure 367783DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE047
共线，求出测量位置坐标
Figure 550502DEST_PATH_IMAGE048
，同时计算出
Figure 330240DEST_PATH_IMAGE048
与
Figure 259537DEST_PATH_IMAGE035
的距离；
步骤S33:当距离值小于两个像素时，则判定
Figure 605068DEST_PATH_IMAGE040
即为
Figure DEST_PATH_IMAGE049
位置处的波面点阵；
否则，剔除上述结果，搜索第二距离近点，重复步骤S31-步骤S33，当搜索半径超过2D/A像素值时，则该中心位置处按无光处理；
这里的否则是指距离值大于或等于两个像素时。
步骤S4:求取被测激光束波前；具体包括以下步骤：
步骤S41:根据步骤S3，搜索到单帧数据的所有波面点阵
Figure 224268DEST_PATH_IMAGE040
，结合标定数据
Figure 491301DEST_PATH_IMAGE049
，采用模式法或区域法计算出被测光束单帧波前；
步骤S42:按步骤S41中单帧数据的处理方式，完成序列数据的处理。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置，其特征在于，包括沿光路设置的光束匹配组件、将光束分离为反射光束和透射光束的分光棱镜、用于接收透射光束的微透镜阵列一、用于接收反射光束且子孔径与微透镜阵列一相同的微透镜阵列二、用于采集透射光束波前信息的探测器一、用于采集反射光束波前信息的探测器二、分别与探测器一和探测器二输出端连接的同步触发器、以及与同步触发器输出端连接的数据处理器所述反射光束和透射光束的轴线所形成的夹角为90°；
所述微透镜阵列二的子孔径焦距为微透镜阵列一的子孔径焦距的1.1-1.5倍；
所述微透镜阵列一与微透镜阵列二共面，记为平面E，微透镜阵列一焦面记为平面B，微透镜阵列二焦面记为平面C，两微透镜阵列对应位置子孔径透镜中心轴的平行轴记为F，则同一激光束透过微透镜阵列一与微透镜阵列二，形成的焦点与对应透镜中心连线，与中心轴所成夹角同为β；根据两焦斑位置坐标即可解算出透镜中心的位置，根据透镜中心位置同样也可锁定焦斑位置；即同一激光束通过共轴的两个透镜，则焦斑中心与透镜中心的连线与透镜中心轴的夹角相同；
其测量方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:标定；
采用标准平行光源对该装置进行标定，并建立微透镜阵列一、探测器一、与微透镜阵列二、探测器二上靶面点阵的共线关系；
所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11:根据装置测试波长λ，以及微透镜阵列一或微透镜阵列二的子孔径口径D、探 测器一或探测器二的像元尺寸A、微透镜阵列一焦距
Figure 587841DEST_PATH_IMAGE001
、以及微透镜阵列二焦距
Figure 808738DEST_PATH_IMAGE002
，计算得 到微透镜阵列一单个子孔径一倍衍射极限直径，在探测器一靶面上所占的像素个数
Figure 365621DEST_PATH_IMAGE003
，以 及微透镜阵列二单个子孔径一倍衍射极限直径，在探测器二靶面上所占的像素个数
Figure 163813DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S12:采用标准平行光源进行初始位置标定，记录：
探测器一上的光斑点阵质心坐标位置为
Figure 284085DEST_PATH_IMAGE005
，
探测器二上的光斑点阵质心坐标位置
Figure 484122DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，i=1-n，j=1-m，n与m为光斑点阵长度与宽度上的光斑个数；
步骤S13:建立探测器一与探测器二上对应位置光斑所对应的基准位置坐标
Figure 211907DEST_PATH_IMAGE007
；
根据
Figure 638340DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 906510DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 164316DEST_PATH_IMAGE010
共线，求出探测器一与探测器二 上对应位置光斑所对应的基准位置坐标
Figure 249953DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤S2:通过同步触发器触发探测器一采集被测透射光束波前点阵信息，触发探测器二采集被测反射光束波前点阵信息；
步骤S3:基于步骤S1中共线关系，确定步骤S2中透射光束波前点阵；
所述步骤S3具体是指：
步骤S31:根据标定方法中记录的标定位置
Figure 288316DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 297860DEST_PATH_IMAGE013
，以
Figure 347856DEST_PATH_IMAGE014
为中心位 置，建立
Figure 214181DEST_PATH_IMAGE015
的矩阵搜索框，采用阈值法搜索中心位置处的光斑点阵，搜索到距离最近的 光斑记为
Figure 864474DEST_PATH_IMAGE016
；
按步骤S31同样的方法，以
Figure 677709DEST_PATH_IMAGE017
为中心位置，建立
Figure 972424DEST_PATH_IMAGE018
的矩形搜索框，采用阈值法 搜索中心位置处的光斑点阵，搜索到距离最近的光斑记为
Figure 478492DEST_PATH_IMAGE019
；
步骤S32:计算测量位置坐标
Figure 835655DEST_PATH_IMAGE020
；
根据
Figure 514898DEST_PATH_IMAGE021
与
Figure 546611DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 20318DEST_PATH_IMAGE023
共线，求出测量位置坐标
Figure 192674DEST_PATH_IMAGE024
，同时计算出
Figure 285394DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 492385DEST_PATH_IMAGE011
的距离；
步骤S33:当距离值小于两个像素时，则判定
Figure 136993DEST_PATH_IMAGE016
即为
Figure 983595DEST_PATH_IMAGE025
位置处的波面点 阵；
否则，剔除上述结果，搜索第二距离近点，重复步骤S31-步骤S33，当搜索半径超过2D/A像素值时，则该中心位置处按无光处理；
这里的否则是指距离值大于或等于两个像素时；
步骤S4:求取被测激光束波前。
2.根据权利要求1所述的一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置，其特征在于，所述探测器一与探测器二为型号相同的面阵相机。
3.根据权利要求1或2所述的一种无网格大动态范围哈特曼波前测量装置，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41:根据步骤S3，搜索到单帧数据的所有波面点阵
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，结合标定数据
Figure 473482DEST_PATH_IMAGE027
，采用模式法或区域法计算出被测光束单帧波前；
步骤S42:按步骤S41中单帧数据的处理方式，完成序列数据的处理。
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