CN114862962A - 一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法，由自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统闭环校正模块、离焦像差标定模块和几何畸变校正模块组成，其中平行光源、倾斜镜、变形镜和哈特曼波前传感器(Shack‑Hartmann wavefront sensor,SH)构成AO系统；焦面相机、离焦面相机和精密平移台构成相位差法(Phase Diversity,PD)成像装置。本发明将AO技术与PD成像装置的标定过程相结合，通过修改SH标定质心，获得离焦补偿的远场光斑，在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限的条件下，引导焦面和离焦面相机装调，标定过程简单高效，获得的已知离焦像差精度更高，有效确保PD算法的重建结果准确可靠。

Description

一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法
技术领域
本发明属于自适应光学成像和高分辨力图像重建技术领域，具体涉及一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法。
背景技术
相位差法(Phase Diversity,PD)的原理是利用同时采集的同一目标的一组或多组焦面和离焦面远场图像，结合焦面和离焦面之间的已知离焦像差，在重建目标清晰像的同时测量出待测畸变波前，具有较高的测量精度和更加可靠的重建结果[RAGonsalves.Phase retrieval and diversity in adaptive optics[J].OpticalEngineering,1982,21(5):829～832.]。但PD成像装置存在一定的装配误差，焦面和离焦面相机之间存在相对平移、旋转和倾斜等问题，导致PD成像装置采集的数据不满足“同一目标的焦面和离焦面图像”的要求，需要对PD成像装置进行标定；另一方面，焦面和离焦面之间的已知离焦像差作为PD重建算法中的重要约束，对PD重建结果的精度有很大影响[杨磊,刘忠,金振宇,于学刚.离焦量误差对相位差法波前重构的影响[J].天文研究与技术,2009,6(01):43-50.]，实际工程应用中需要准确测量已知离焦像差的大小。
自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统主要由变形镜、倾斜镜、波前探测器和波前控制器组成[姜文汉.自适应光学发展综述[J].光电工程,2018,45(03):7-21.]，其中变形镜对波前进行相位调制，倾斜镜可以使波前产生整体倾斜，哈特曼波前传感器(Shack-Hartmann wavefront sensor,SH)是目前AO系统中应用最为广泛的探测器件[姜文汉,鲜浩,杨泽平,姜凌涛,饶学军,许冰.哈特曼波前传感器的应用[J].量子电子学报,1998(02):228-235.]，主要由微透镜阵列和CCD相机组成，波前经微透镜阵列分割并成像于每个子孔径，根据子孔径内成像光斑的质心位置与标定质心之差计算波前斜率，通过修改SH标定质心可以实现任意波前的相位调制，从而获得离焦补偿的远场光斑。
针对PD成像装置标定困难的问题，如果不借助AO系统的波前调制能力，焦面和离焦面相机采集到的远场光斑是一个弥散斑，光斑中心位置难以确定；结合AO系统能动器件及波前调制能力，通过修改SH标定质心，可以获得离焦补偿的远场光斑，使焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限，光斑能量汇聚、中心位置清晰，通过迭代搜索能较为容易的测量出精确已知离焦像差，同时利用倾斜镜依次施加水平和竖直方向上的倾斜量，根据光斑中心位置的移动量判断焦面和离焦面相机之间的几何关系，消除焦面和离焦面相机之间的相对平移、旋转和倾斜，并保证焦面和离焦面相机与AO系统光轴垂直。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：针对PD成像装置焦面和离焦面相机之间的相对平移、旋转和倾斜及与系统光轴垂直标定较为困难，以及焦面和离焦面之间已知像差计算不够准确的问题，提出结合AO系统的PD成像装置标定方法：1、利用AO系统闭环校正光学系统静态像差，根据光斑能量最大值，确定焦面相机和离焦面相机的焦面位置；2、移动离焦面相机从焦面至指定位置，根据理论公式初步计算离焦量大小，通过修改SH标定质心，AO系统闭环补偿离焦像差，当离焦面光斑能量最大时，离焦补偿量即为精确已知离焦像差；3、在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限条件下，通过倾斜镜移动光斑，根据光斑位置的移动量，消除焦面和离焦面相机之间的相对平移、旋转和倾斜，并确保焦面和离焦面相机与AO系统光轴垂直，从而保证PD重建结果准确可靠。
本发明采用的技术方案是：
一种结合自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统的相位差法(Phase Diversity,PD)成像装置标定方法，PD成像装置作为AO系统的成像终端，采集AO系统对平行光源波前调制后的焦面和离焦面远场图像；
通过修改AO系统的哈特曼标定质心，获得离焦补偿的远场光斑；
采用平面波标定的哈特曼质心进行闭环校正，当焦面和离焦面光斑能量达到最大值时，确定焦面和离焦面相机的焦面位置；
移动离焦面相机从焦面位置至指定的离焦面位置，根据移动距离采用理论公式初步计算离焦量大小；
根据理论计算的离焦量修改哈特曼标定质心，AO系统进行离焦补偿，通过离焦面光斑能量变化对离焦量大小进行调整，直至离焦面光斑能量最大，此时的离焦补偿量即为精确已知离焦像差；
在焦面和离焦面图像光斑分别逼近衍射极限的条件下，调整焦面和离焦面相机，使焦面和离焦面光斑中心位置对齐，消除焦面和离焦面相机之间的相对平移；
在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限条件下，倾斜镜依次加入水平和竖直方向上的正负倾斜量，调整焦面和离焦面相机，使光斑沿水平和竖直方向直线运动，且移动距离相等，消除焦面和离焦面相机之间的相对旋转和倾斜，并保证焦面和离焦面相机与光轴垂直。
一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法，由AO系统闭环校正模块、离焦像差标定模块和几何畸变校正模块组成，其中平行光源1、倾斜镜2、变形镜3、第一分光镜4、SH 5构成AO系统；第二分光镜6、焦面相机7、离焦面相机8、精密平移台9和精密平移台10构成PD成像装置；PD成像装置作为AO系统成像终端，采集AO系统闭环校正后的焦面和离焦面远场图像；平行光源1经AO系统波前调制后入射PD成像装置，采用平面波标定的SH5光斑质心闭环校正，找到焦面相机7和离焦面相机8的焦面位置；移动精密平移台10，将离焦面相机8移动至指定离焦面位置，根据移动距离初步计算离焦量大小；通过在SH 5标定质心中叠加离焦像差对应的斜率数据，AO系统闭环补偿离焦像差，当离焦面光斑能量最大时，此时AO系统离焦补偿量即为精确已知离焦像差；在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限的条件下，调整焦面相机7和离焦面相机8，使焦面和离焦面光斑中心位置对齐，消除焦面相机7和离焦面相机8之间的相对平移；倾斜镜2依次施加水平和竖直方向上的倾斜量移动光斑，调整焦面相机7和离焦面相机8，使焦面和离焦面光斑沿水平和竖直方向直线移动，且移动距离相等，消除焦面相机7和离焦面相机8之间的相对旋转和倾斜，保证焦面和离焦面相机与AO系统光轴垂直。
本发明的技术解决方案结合AO系统能动器件及波前调制能力，通过修改SH 5标定质心，使焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限的同时光斑能量最大，在倾斜镜2依次施加水平和竖直方向倾斜量作用下，光斑移动量准确，便于PD成像装置的标定。
本发明的原理是：
(1)根据离焦面相机在精密平移台上移动距离初步计算离焦像差PV如公式(1)所示：
Figure BDA0003610827330000031
其中，Δd(单位：mm)为离焦面相机从焦面移动至离焦面位置的移动距离，F(单位：mm)为系统焦距，D(单位：mm)为PD成像装置有效口径。移动精密平移台，先找到离焦面相机焦面位置，再移动Δd至指定离焦面位置。根据Δd计算出的离焦像差大小通常不够准确但接近真实值，需要对初步计算出的离焦量进行调整；
(2)通过修改SH 5标定质心实现离焦补偿。根据子孔径内光斑质心与标定质心之差计算波前斜率，波前复原算法中波前像差通常用泽尼克(zernike)多项式描述，如公式(2)所示：
Figure BDA0003610827330000032
其中，ak为zernike多项式系数，Zk为第k项zernike多项式，ε为波前复原误差。畸变波前复原过程如公式(3)所示：
Z＝D+×(A-B+δ*C) (3)
其中，Z为畸变波前对应的zernike多项式系数向量，D+为波前重构矩阵，A为SH 5探测到的畸变波前质心，B为平行光标定的SH 5质心，C为离焦像差对应的斜率数据，δ为待补偿离焦像差大小。通过不断修改SH 5标定质心闭环补偿离焦像差，直至离焦面光斑能量最大，此时补偿的离焦像差即为焦面和离焦面之间的精确已知离焦像差；
(3)由于PD成像装置有一定的装配误差，焦面和离焦面相机之间存在相对平移、旋转和倾斜，以及相机靶面与AO系统光轴不垂直等问题。在焦面和离焦面光斑逼近衍射极限条件下，当焦面和离焦面光斑中心对齐时，焦面和离焦面相机之间不存在相对平移；同时倾斜镜依次施加水平和竖直方向上的正负倾斜量，当焦面和离焦面光斑中心位置沿水平和竖直方向直线移动，且移动距离相等时，焦面和离焦面相机之间不存在相对旋转和倾斜，并且保证相机与系统光轴垂直。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)通过AO系统闭环校正光学系统静态像差，根据光斑能量最大时对应的位置，可准确找到焦面和离焦面相机的焦面位置；通过修改哈特曼标定质心补偿离焦像差，根据离焦面光斑能量最大时对应的离焦补偿量，可精确确定焦面和离焦面之间的已知离焦像差，标定精度更高；
(2)在焦面和离焦面光斑逼近衍射极限条件下，光斑能量汇聚、中心位置清晰，通过倾斜镜施加水平和竖直方向上的倾斜量，可直观地引导焦面和离焦面相机的装调，解决焦面和离焦面相机之间存在的相对平移、旋转和倾斜，以及相机靶面与AO系统光轴不垂直等问题，简化了PD成像装置的标定过程，提高了标定精度。
本发明所具有的上述优点，为PD成像装置的标定及精确已知离焦像差的获取提供了一种新的简单方法，具有显著的实用价值。
附图说明
图1为本发明提出的一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法光路结构图，其中，1为平行光源，2为倾斜镜，3为变形镜，4为第一分光镜，5为哈特曼波前传感器SH，6为第二分光镜，7为焦面相机，8为离焦面相机，9为精密平移台，10为精密平移台；
图2为本发明提出的一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法工作流程图；
图3为本发明利用倾斜镜引导相位差法成像装置标定的光斑图像，其中，图3(a)为相机调整前倾斜镜加入竖直方向倾斜量光斑移动前后的位置，图3(b)为相机调整后倾斜镜加入竖直方向倾斜量光斑移动前后的位置；
图4为本发明利用变形镜引导相位差法成像装置标定的光斑图像；其中，图4(a)和图4(b)是在自适应光学系统开环条件下采集的焦面和离焦面光斑图像；图4(c)和图4(d)是采用SH平行光标定质心闭环校正静态像差后采集的焦面和离焦面光斑图像，此时焦面光斑逼近衍射极限且光斑能量最大；图4(e)和图4(f)是修改SH标定质心闭环补偿离焦像差后采集的焦面和离焦面光斑图像，此时离焦面光斑逼近衍射极限且光斑能量最大；
图5为采用本发明标定相位差法成像装置进行扩展目标重建的实验结果；其中，图5(a)和图5(b)是在自适应光学系统开环条件下采集的焦面和离焦面扩展目标图像；图5(c)是PD成像装置存在标定误差时的重建结果，图5(d)是采用本发明准确标定PD成像装置后的重建结果。
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，本发明由AO系统闭环校正模块、离焦像差标定模块和几何畸变校正模块组成，其中平行光源1、倾斜镜2、变形镜3、第一分光镜4和SH 5构成AO系统；第二分光镜6、焦面相机7、离焦面相机8、精密平移台9和精密平移台10构成PD成像装置。PD成像装置作为AO系统成像终端，采集AO系统闭环校正后的焦面和离焦面远场图像。平行光源1发出光波经AO系统波前调制后入射PD成像系统，倾斜镜2依次施加水平和竖直方向上的倾斜量，使光斑移动；通过修改SH 5标定质心，控制变形镜3产生相应的变形，对波前进行相位调制；第一分光镜4将光分为两部分，一部分进入PD成像装置，另一部分进入SH 5进行波前探测；第二分光镜6将光分为两部分，一部分进入焦面相机7成像，另一部分进入离焦面相机8成像。通过移动精密平移台9和精密平移台10，移动焦面相机7和离焦面相机8至指定位置。
标定方法工作流程如图2所示，AO系统闭环校正模块包括：平行光源发出平行光经AO系统波前调制入射PD成像装置，焦面和离焦面相机采集到光斑；先采用平面波标定SH 5质心闭环校正系统静态像差，移动精密平移台9和精密平移台10，将焦面相机7和离焦面相机8移动至焦面位置，此时光斑逼近衍射极限且光斑能量最大；离焦像差标定模块包括：继续移动精密平移台10，将离焦面相机8移动到指定离焦面位置，根据离焦面相机8从焦面移动至离焦面移动的距离初步计算离焦像差大小，修改SH 5标定质心闭环补偿离焦像差，对离焦像差进行调整，直至离焦面光斑能量最大，此时AO系统补偿离焦像差即为PD重建算法中的精确已知离焦像差；几何畸变校正模块包括：修改SH 5标定质心，使焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限，在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限的条件下，调整焦面相机7和离焦面相机8，使焦面和离焦面光斑中心位置对齐；倾斜镜2依次施加水平和竖直方向上的倾斜量使光斑移动，调整焦面相机7和离焦面相机8，使得焦面和离焦面光斑沿水平和竖直方向直线运动，同时沿水平和竖直方向移动距离相等。图3(a)为相机调整前倾斜镜施加竖直方向整体倾斜，光斑不在竖直方向上移动，移动距离d1≠d2；图3(b)为相机调整后光斑在竖直方向上移动，移动距离满足d1＝d2。经过上述过程，焦面相机7和离焦面相机8之间的相对平移、旋转和倾斜被消除，同时保证了相机与AO系统光轴垂直。
图4为本发明利用变形镜引导相位差法成像装置标定的光斑图像；其中，图4(a)和图4(b)是在自适应光学系统开环条件下采集的焦面和离焦面光斑图像；图4(c)和图4(d)是采用SH平行光标定质心闭环校正静态像差后采集的焦面和离焦面光斑图像，此时焦面光斑逼近衍射极限且光斑能量最大；图4(e)和图4(f)是修改SH标定质心闭环补偿离焦像差后采集的焦面和离焦面光斑图像，此时离焦面光斑逼近衍射极限且光斑能量最大；
图5为采用本发明标定相位差法成像装置进行扩展目标重建的实验结果；其中，图5(a)和图5(b)是在自适应光学系统开环条件下采集的焦面和离焦面扩展目标图像；图5(c)是PD成像装置存在标定误差时的重建结果，图5(d)是采用本发明准确标定PD成像装置后的重建结果，对比图5(c)和图5(d)，采用本发明的PD重建结果更清晰，具有更多的细节，证明本发明提出的标定方法简单有效。
总之，本发明提出了一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法，结合自适应光学系统的波前调制能力，简单有效地完成对相位差法成像装置的标定，同时获得的已知离焦像差更加精确，相位差法的重建结果更加准确可靠。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种结合自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统的相位差法(Phase Diversity,PD)成像装置标定方法，其特征是：PD成像装置作为AO系统的成像终端，采集AO系统对平行光源波前调制后的焦面和离焦面远场图像；
通过修改AO系统的哈特曼标定质心，获得离焦补偿的远场光斑；
采用平面波标定的哈特曼质心进行闭环校正，当焦面和离焦面光斑能量达到最大值时，确定焦面和离焦面相机的焦面位置；
移动离焦面相机从焦面位置至指定的离焦面位置，根据移动距离采用理论公式初步计算离焦量大小；
根据理论计算的离焦量修改哈特曼标定质心，AO系统进行离焦补偿，通过离焦面光斑能量变化对离焦量大小进行调整，直至离焦面光斑能量最大，此时的离焦补偿量即为精确已知离焦像差；
在焦面和离焦面图像光斑分别逼近衍射极限的条件下，调整焦面和离焦面相机，使焦面和离焦面光斑中心位置对齐，消除焦面和离焦面相机之间的相对平移；
在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限条件下，倾斜镜依次加入水平和竖直方向上的正负倾斜量，调整焦面和离焦面相机，使光斑沿水平和竖直方向直线运动，且移动距离相等，消除焦面和离焦面相机之间的相对旋转和倾斜，并保证焦面和离焦面相机与光轴垂直。
2.根据权利要求1所述的一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法，其特征是：由AO系统闭环校正模块、离焦像差标定模块和几何畸变校正模块组成，其中平行光源(1)、倾斜镜(2)、变形镜(3)、第一分光镜(4)、SH(5)构成AO系统；第二分光镜(6)、焦面相机(7)、离焦面相机(8)、精密平移台(9)和精密平移台(10)构成PD成像装置；PD成像装置作为AO系统成像终端，采集AO系统闭环校正后的焦面和离焦面远场图像；平行光源(1)经AO系统波前调制后入射PD成像装置，采用平面波标定的SH(5)光斑质心闭环校正，找到焦面相机(7)和离焦面相机(8)的焦面位置；移动精密平移台(10)，将离焦面相机(8)移动至指定离焦面位置，根据移动距离初步计算离焦量大小；通过在SH(5)标定质心中叠加离焦像差对应的斜率数据，AO系统闭环补偿离焦像差，当离焦面光斑能量最大时，此时AO系统离焦补偿量即为精确已知离焦像差；在焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限的条件下，调整焦面相机(7)和离焦面相机(8)，使焦面和离焦面光斑中心位置对齐，消除焦面相机(7)和离焦面相机(8)之间的相对平移；倾斜镜(2)依次施加水平和竖直方向上的倾斜量移动光斑，调整焦面相机(7)和离焦面相机(8)，使焦面和离焦面光斑沿水平和竖直方向直线移动，且移动距离相等，消除焦面相机(7)和离焦面相机(8)之间的相对旋转和倾斜，保证焦面和离焦面相机与AO系统光轴垂直。
3.根据权利要求2所述的一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法，其特征是：结合AO系统能动器件及波前调制能力，通过修改SH(5)标定质心，使焦面和离焦面光斑分别逼近衍射极限，此时光斑能量最大，在倾斜镜(2)依次施加水平和竖直方向倾斜量作用下，光斑移动量准确，便于PD成像装置的标定。
4.根据权力要求2或3所述的一种结合自适应光学系统的相位差法成像装置标定方法，其特征是：具体包括：
(1)根据离焦面相机在精密平移台上移动距离初步计算离焦像差PV如公式(1)所示：
Figure FDA0003610827320000021
其中，Δd(单位：mm)为离焦面相机从焦面移动至离焦面位置的移动距离，F(单位：mm)为系统焦距，D(单位：mm)为PD成像装置有效口径，移动精密平移台，先找到离焦面相机焦面位置，再移动Δd至指定离焦面位置；根据Δd计算出的离焦像差大小通常不够准确但接近真实值，需要对初步计算出的离焦量进行调整；
(2)通过修改SH(5)标定质心实现离焦补偿，根据子孔径内光斑质心与标定质心之差计算波前斜率，波前复原算法中波前像差通常用泽尼克(zernike)多项式描述，如公式(2)所示：
Figure FDA0003610827320000022
其中，ak为zernike多项式系数，Zk为第k项zernike多项式，ε为波前复原误差，畸变波前复原过程如公式(3)所示：
Z＝D+×(A-B+δ*C) (3)
其中，Z为畸变波前对应的zernike多项式系数向量，D+为波前重构矩阵，A为SH(5)探测到的畸变波前质心，B为平行光标定的SH(5)质心，C为离焦像差对应的斜率数据，δ为待补偿离焦像差大小，通过不断修改SH(5)标定质心闭环补偿离焦像差，直至离焦面光斑能量最大，此时补偿的离焦像差即为焦面和离焦面之间的精确已知离焦像差；
(3)由于PD成像装置有一定的装配误差，焦面和离焦面相机之间存在相对平移、旋转和倾斜，以及相机靶面与AO系统光轴不垂直问题，在焦面和离焦面光斑逼近衍射极限条件下，当焦面和离焦面光斑中心对齐时，焦面和离焦面相机之间不存在相对平移；同时倾斜镜依次施加水平和竖直方向上的正负倾斜量，当焦面和离焦面光斑中心位置沿水平和竖直方向直线移动，且移动距离相等时，焦面和离焦面相机之间不存在相对旋转和倾斜，并且保证相机与系统光轴垂直。
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