CN114967165A - 采用双通道偏振编码的波前传感系统、波前信息解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用双通道偏振编码的波前传感系统、波前信息解码方法，首次利用了波前信号中的偏振信息，实现了光斑图案位置信息的偏振编码和解码，摆脱了传统夏克‑哈特曼传感器对光电阵列传感器的依赖，同时也解决了暗弱目标波前探测方面的痛点，探索了单点探测器在波前传感领域的应用潜力，也进一步拓展了自适应光学系统的应用领域。

Description

采用双通道偏振编码的波前传感系统、波前信息解码方法

技术领域

本发明涉及自适应光学领域，特别是一种采用双通道偏振编码的波前传感系统、波前信息解码方法。

背景技术

在自适应光学领域中，能够实时测量波前像差的波前传感系统具有重要的作用，其中应用最广泛的是夏克-哈特曼波前传感系统。对于常规目标，夏克-哈特曼传感系统能够实现稳定准确的波前探测，但对于暗弱目标，受到光电阵列传感器自身的灵敏度和噪声限制，该系统无法实现有效的波前探测。实际上，由于观测目标的回波信号非常微弱，即使采用能够深度制冷的高端阵列传感器也无法显著改善系统的信噪比，同时还增加了上百万元的系统成本。因此，有必要针对暗弱目标开发出一套灵敏度高、信噪比高、成本低廉的波前传感系统，进一步拓展自适应光学系统的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种采用双通道偏振编码的波前传感系统、波前信息解码方法，无需人工干预偏振编码工作，解决编码延时的问题；解决现有夏克-哈特曼波前传感系统在暗弱目标探测方面灵敏度低、信噪比低、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种采用双通道偏振编码的波前传感系统，包括：

分光棱镜，用于将目标回波信号分为光强相等的两路光，且目标回波信号相位信息不变(即两路光的相位信息相同)；

所述两路光分别为两个结构相同的波前传感单元的入射光；

所述波前传感单元包括：

微透镜阵列，用于聚焦入射光；

偏振编码元件，用于将微透镜阵列聚焦后得到的入射光斑的位置信息编码到二位偏振信息上；

4F传像系统，用于将偏振编码元件得到的聚焦光斑图案成像在光斑分选系统上；

光斑分选系统，用于通过同步信号触发将光斑依次反射或透射进入偏振解码系统。

本发明中，两个波前传感单元的微透镜阵列焦平面垂直。

本发明将哈特曼传感器聚焦光斑的位置信息直接编码到偏振信息上，偏振编码工作在信号传输的物理过程中即可自然完成，无需人工干预；偏振编码过程对于所有光斑同时发生，并且由于是物理过程，因此没有产生任何编码延时。本发明采用双通道方案(分光棱镜将目标回波信号分为光强相等的两路光)，相比单通道方案的系统精度更高。由于用偏振度信息解算光斑位置是在理想状态下推导的结果，实际中存在一定误差，单通道方案的精度受到该误差的影响，导致精度相对较低，本发明的双通道方案可以规避误差的影响，极大地提高了系统精度。

所述微透镜阵列的子透镜为圆形、矩形或六边形结构。

所述偏振编码元件为径向偏振片、角向偏振片、径向偏振片阵列、角向偏振片阵列中的一种；所述径向偏振片阵列，或角向偏振片阵列的子单元与所述微透镜阵列的子透镜具有相同的外形尺寸，且所述径向偏振片或径向偏振片阵列的子单元、所述微透镜阵列的子透镜的投影面均垂直于光轴平面。

所述偏振编码元件设置于所述微透镜阵列的焦平面处。

本发明采用的传像系统为4F传像系统，所述4F传像系统两个正透镜之间的间距为两个正透镜焦距之和；所述4F传像系统的前焦面与所述微透镜阵列的焦平面重合。

所述光斑分选系统包括全内反射棱镜、空间光调制器、聚焦透镜；所述空间光调制器的工作面与传像系统的后焦面重合；所述聚焦透镜的光轴与所述空间光调制器工作面法线在同一平面上，且聚焦透镜的光轴、空间光调制器工作面法线关于所述全内反射棱镜的分光面法线对称。

所述传像系统将经过偏振编码元件的聚焦光斑图案成像在空间光调制器的工作面上，根据空间光调制器工作面上光斑的数量N将工作面的有效区域划分为N个面积相等的子区域，通过同步信号触发控制空间光调制器将N个子区域上的光斑依次反射或透射进入偏振解码系统；优选地，所述子区域为矩形、圆形或三角形。

本发明中，偏振解码系统为阵列探测器系统或单点探测器系统。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种上述波前传感系统的波前信息解码方法，该方法包括：

根据光斑偏振信息(AOP1、AOP2)，在坐标系XOY中找到径向偏振角度AOP1与角向偏振角度AOP2的唯一交点，此交点即为光斑质心在XOY坐标系中的位置坐标(x,y)；其中，XOY坐标系是指以偏振编码元件圆心O为中心，以偏振编码元件中0°偏振片的偏振方向为X轴，垂直X轴为Y轴建立的平面直角坐标系；

对于所述波前传感系统的任一个波前传感单元，其光斑偏振信息

光强信号为I_0°/I_45°/I_90°时，

光强信号为I_0°/I_60°/I_120°时，

光强信号为I_0°/I_45°/I_90°/I_135°时，

本发明的偏振解码过程仅涉及简单的四则运算和三角函数运算，解码过程简单，实用性强，节省了传统哈特曼波前传感系统在光斑形心位置估计上花费的大量时间，极大地提高了解码效率。本发明中，双通道方案的解码只需要计算AOP，不需要计算DOP(偏振度)，而且计算出来的AOP可以直接映射到XOY坐标系中，进而得到光斑位置，而单通道方案需要根据AOP和DOP的计算结果再进行一次解算才能得到光斑位置。因此，双通道方案具有更高的传感效率。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种上述波前传感系统的波前传感方法，包括：

1)对于波前传感系统的任一个波前传感单元，采用同步信号触发控制空间光调制器，使空间光调制器的N个子区域上的光斑依次通过偏振解码系统，并依次完成每个光斑的位置信息解算，从而生成整个微透镜阵列的聚焦光斑图案，即当前帧的光斑位置信息集合{(x_N,y_N)}；其中，所述光斑位置信息集合中的各位置信息(x,y)通过上述解码方法计算得到；

2)重复上述步骤1)，得到相邻帧之间的光斑位置变化信息集合{(Δx_N,Δy_N)}。

本发明首次利用了波前信号中的偏振信息，实现了光斑图案位置信息的偏振编码和解码，摆脱了传统夏克-哈特曼传感器对光电阵列传感器的依赖，解决了现有夏克-哈特曼波前传感系统在暗弱目标探测方面灵敏度低、信噪比低、成本高的问题。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明首次利用了波前信号中的偏振信息，实现了光斑图案位置信息的偏振编码和解码，摆脱了传统夏克-哈特曼传感器对光电阵列传感器的依赖，同时也解决了暗弱目标波前探测方面的痛点，探索了单点探测器在波前传感领域的应用潜力，也进一步拓展了自适应光学系统的应用领域；

2、由于采用了灵敏度极高的单点探测器作为偏振解码的核心器件，从传感机理上就大幅提高了系统的灵敏度和信噪比，并且实现了系统成本的大幅削减；

3、本发明偏振编码工作在信号传输的物理过程中即可自然完成，无需人工干预，也无需占用额外时间，节省了编码时间；

4、本发明的偏振解码过程仅涉及简单的四则运算和三角函数运算，在数据处理系统的FPGA加速电路中也能高速完成，节省了传统哈特曼波前传感系统在光斑形心位置估计上花费的大量时间；

5、本发明高效的编码和解码设计不仅完全能够满足波前传感对系统帧率的要求，而且还为进一步增加微透镜阵列子孔径数量、提高系统波前传感精度预留了算力。

附图说明

图1为本发明一种实施例提供的基于单通道偏振编码的波前传感系统的结构原理示意图；

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为线偏振片0°/45°/90°、0°/60°/120°、0°/45°/90°/135°组合下单点探测器系统对应的的波前传感系统的结构原理示意图；

图3为本发明一种实施例平行光经过径向/角向偏振片调制后的全局效果图；

图4为本发明一种实施例某个经径向/角向偏振片编码后的光斑在偏振相机中的成像实拍图；

图5为本发明一种实施例径向/角向偏振片中筛选出的符合AOP1/AOP2取值范围的像素分布图；

图6为本发明一种实施例根据像素分布图拟合得到的光斑质心“经度”和“纬度”图像；

图7为光斑质心“经度”和“纬度”分别在径向/角向偏振片上的对应位置图；

图8为光斑质心“经度”和“纬度”在同一坐标系中的交点位置图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种实施例包括分光棱镜，两个波前传感单元，波前传感单元包括微透镜阵列、偏振编码元件、4F传像系统、光斑分选系统、偏振解码系统、数据处理系统。

远距离目标的波前信息首先被分成光强相等的两路，然后分别经过微透镜阵列聚焦后变为微透镜阵列焦平面上的光斑图案分布，再经过径向/角向偏振片后光斑图案分布从空间维度被编码到了偏振维度，且不同光斑所携带的偏振态信息都不同，接下来经过4F传像系统将光斑图案放大或缩小到合适的尺寸并成像到数字微镜器件表面，数字微镜器件通过分焦平面的方式将光斑依次反射进入成像镜头，并在黑白偏振相机内进行偏振解码成像，最终结果被微处理器记录并处理。

分光棱镜在保持入射光相位信息不变的基础上，将其分为光强相等的两路光。

微透镜阵列的子单元(子透镜)包括但不限于圆形、矩形、六边形等结构。

本发明实施例中，偏振编码元件可以采用径向偏振片、角向偏振片、径向偏振片阵、列角向偏振片阵列中的一种。径向偏振片阵列、角向偏振片阵列的子单元应与微透镜阵列的子单元具有相同的外形尺寸和垂直光轴平面的空间投影位置；再进一步地，偏振编码元件位于微透镜阵列的焦平面处，并对入射的微透镜阵列聚焦光斑进行偏振编码，不同微透镜阵列子单元对应的聚焦光斑经过偏振编码元件出射后将携带有不同的偏振信息，且该偏振信息与其在偏振编码元件上的投射位置满足唯一对应关系。

4F传像系统包括两个焦距已知的正透镜，两个透镜的间距为二者焦距之和，其作用是将微透镜聚焦形成的光斑图案缩放到合适的大小。4F传像系统位于偏振编码元件之后，且4F传像系统的前焦面与微透镜阵列的焦平面重合。

光斑分选系统包括全内反射(TIR)棱镜、空间光调制器、聚焦透镜。全内反射棱镜搭配反射型空间光调制器使用，其全反射角可以根据光路结构计算得到(潘成.基于数字微反射镜阵列的高速扫描成像系统[D].南京理工大学,2012.)。空间光调制器包括但不限于液晶空间光调制器、微通道板空间光调制器、数字微镜器件(DMD,Digital MicromirrorDevice)等。光斑分选系统位于4F传像系统之后，并且保证空间光调制器的工作面与4F传像系统的后焦面重合，同时聚焦透镜的光轴与空间光调制器工作面法线在同一个平面，且二者关于光斑分选系统中全内反射棱镜的分光面法线对称。

进一步地，偏振解码系统可以是阵列探测器系统或单点探测器系统。阵列探测器系统包括但不限于黑白偏振相机、彩色偏振相机中的一种。单点探测器系统包括分光元件、线偏振片、单点探测器。分光元件包括三路分光的四胶合分光镜、两路分光的分光镜组合、两路分光的分光膜组合等，并且通过分光元件后出射光的偏振特性和频率特性保持不变。线偏振片包括0°/45°/90°(如图2(a))、0°/60°/120°(如图2(b))、0°/45°/90°/135°(如图2(c))等组合。单点探测器可以采用雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)、光电倍增管(PMT,Photomultiplier Tube)、单光子计数器(SPC,Single Photon Counter)等。单点探测器系统可以根据不同的偏振解算组合采用三路分光方案或四路分光方案，并且每一个分光路都包含一个线偏振片和一个单点探测器，从而能够同步获得该偏振角度下的光强信息。

本发明的实验场景包括大口径平行光源、微透镜阵列、径向偏振片阵列、4F传像系统、全内反射棱镜、数字微镜器件、成像镜头、黑白偏振相机和微处理器。需要说明的是，无穷远处的目标回波信号可以近似地认为是平行光，因此实验中采用了大口径平行光源作为系统的入射光来尽可能地模拟这一过程。需要说明的是，由于图1中两分光路中除偏振编码元件外其余结构完全一样，所以实验中采用更换偏振编码元件的方法来压缩光路体积。

本发明一种实施例中，数据处理系统包括但不限于数据采集卡、微处理器、工控机等，通过微处理器可以控制数据采集卡按照同步信号来驱动空间光调制器，同时采集各单点探测器获取的光强信号。

本发明另一实施例提供了一种采用径向偏振元件的波前信息编码方法，利用偏振编码元件将聚焦光斑的位置信息偏码到偏振信息上，包括下述步骤：

首先分光棱镜将无穷远处的目标回波信号分成光强相等的两路光；

再通过微透镜阵列将两路入射光聚焦，构建传统哈特曼的传感结构；

然后利用位于微透镜阵列焦平面的偏振编码元件分别将两路入射光斑的位置信息编码到二维偏振信息上，偏振编码过程对于所有光斑同时发生，并且由于是物理过程，因此没有产生任何编码延时；

最后通过4F传像系统将经过偏振编码的两路聚焦光斑图案分别成像在空间光调制器的工作面上，根据空间光调制器工作面上光斑的数量N将工作面的有效区域划分为N个面积相等的子区域，其中子区域可以是矩形、圆形、三角形等，通过同步信号触发控制空间光调制器将N个子区域上的光斑依次反射或透射进入偏振解码系统。

本发明另一实施例提供了一种采用多路分光结构的波前信息解码方法，通过多路偏振信息解算出光斑在偏振编码元件上的位置信息，并包括下述步骤：

首先经过光斑分选系统逐一传输的光斑被分光元件分为三路或四路(偏振相机为多路同轴系统)，并且每个分光路的光斑光强相等；

然后光斑在分光路中通过不同角度的线偏振片，并进入探测器生成光强信号，根据所采用的分光结构和偏振片组合不同，得到的光强信号分别为I_0°/I_45°/I_90°、I_0°/I_60°/I_120°、I_0°/I_45°/I_90°/I_135°等，上述过程在各分光路中同时进行；

接下来数据采集卡根据同步信号采集同一出射光斑的多光路光强信号，并将光强信号传输至微处理器进行光斑偏振态的解算。通过偏振态解算可以获得该光斑对应的偏振角(AOP,Angle of Polarization)信息，偏振态解算遵循下列公式：

其中公式二到公式四分别给出了不同分光结构和偏振片组合条件下斯托克斯矢量的计算过程，根据传感器采集的I_0°/I_45°/I_90°、I_0°/I_60°/I_120°、I_0°/I_45°/I_90°/I_135°等组合光强数据代入对应公式即可得到斯托克斯矢量各分量(I、Q、U)，再将其代入公式一即可得到当前光斑对应的AOP。因为系统采用了双通道偏振编码结构，所以此时会得到两个偏振角数值AOP1和AOP2，分别对应了光斑的径向偏振角度和角向偏振角度。

最后在偏振编码元件所在平面内，以偏振片圆心O为中心，以线偏振片中0°偏振片的偏振方向为X轴，垂直X轴为Y轴建立平面直角坐标系，将解算出的光斑偏振信息(AOP1、AOP2)映射到坐标系XOY中：径向偏振角度AOP1是一条与X轴夹角确定的半径，类似两极地图中的“经度”；角向偏振角度AOP2是一个与O点距离确定的椭圆，类似两极地图中的“纬度”。

根据光斑偏振信息(AOP1、AOP2)所提供的“经纬度信息”即可在坐标系XOY中找到二者的唯一交点，此交点即为光斑质心在XOY坐标系中的位置坐标(x,y)，同时数据处理系统采用同步信号触发控制空间光调制器使N个子区域上的光斑依次通过偏振编码系统和偏振解码系统，并依次完成每个光斑的位置信息(x,y)解算，从而生成整个微透镜阵列的聚焦光斑图案，即当前帧的光斑位置信息集合{(x_N,y_N)}，通过不断重复上述光斑图案的编码和解码过程，即可得到并输出相邻帧之间的光斑位置变化信息集合{(Δx_N,Δy_N)}，从而实现准确稳健的波前传感。

图3为实验中平行光经过径向/角向偏振片调制后的全局效果图。从图3可以看出，平行光经过径向/角向偏振片调制后产生了预期的偏振分布，且偏振分布都满足连续渐变性、局部对称性、区域唯一性，满足系统对光斑进行偏振编码的相关要求。

图4为某个经径向/角向偏振片编码后的光斑在偏振相机中的成像实拍图。从图4可以看出，经过光斑分选系统后，某个光斑独自在偏振相机中进行了偏振成像，根据径向光路和角向光路的偏振成像结果可以分别计算出光斑内的平均偏振角度值AOP1和AOP2。需要说明的是，阵列探测器系统对于偏振信息的解算需要借助图像处理技术。相比而言，单点探测器不需要经历后续的图像处理环节，但却可以直接得到径向/角向偏振角度。单点探测器虽然不具备空间分辨能力，但对区域内光强整体提取的特性使其得到的偏振解码结果实际上已经自动完成了对光斑内偏振分布的平均加权。由于光斑经过偏振编码元件后，其偏振分布具有连续渐变性和局部对称性，因此在偏振解码系统中解算出的径向偏振角度AOP1和角向偏振角度AOP2可以直接代替光斑质心。即使考虑到光斑内的光强分布并不均匀可能导致这种偏振中心与实际光斑质心存在一定误差，但由于光斑内光强分布并不会快速变化，因此用本发明中方法得到的连续帧偏振中心分布在提取相邻帧位置变化{(Δx_N,Δy_N)}时，其精度相比于传统方法并没有降低。

根据计算得到的径向/角向偏振角度，在图3的偏振分布全局图中分别筛选出符合AOP1/AOP2取值范围的有效像素，如图5所示。再根据有效像素在全局图中的分布情况拟合出径向偏振角度所代表的“经度”半径和角向偏振角度所代表的“纬度”椭圆，结果如图6所示，此实施实例中采用了最小二乘法进行拟合。

图7给出了光斑质心“经度”和“纬度”分别在径向/角向偏振片上的对应位置图，再将“经度”和“纬度”统一到坐标系XOY平面内，即可确定光斑质心的精确坐标(x,y)，如图8所示，本实施实例选用径向偏振片所在平面建立了投影坐标系XOY。

依此类推，通过光斑分选系统的遍历扫描即可获得完整的光斑质心位置集合{(x_N,y_N)}。在波前传感的实际应用中，需要对比相邻帧的{(x_N,y_N)}来得到光斑质心位置变化集合{(Δx_N,Δy_N)}，再利用Zernike多项式根据{(Δx_N,Δy_N)}拟合出波前相位的各阶Zernike系数，即可实现波前的传感与重构。

通过上述实验可以看出，本发明可以通过偏振编码的方式实现弱光环境下的高精度波前传感。

Claims (10)

1.一种采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，包括：

分光棱镜，用于将目标回波信号分为光强相等的两路光，且目标回波信号相位信息不变；

所述两路光分别为两个波前传感单元的入射光；

所述波前传感单元包括：

微透镜阵列，用于聚焦入射光；

偏振编码元件，用于将微透镜阵列聚焦后得到的入射光斑的位置信息编码到二维偏振信息上；

4F传像系统，用于将偏振编码元件得到的聚焦光斑图案成像在光斑分选系统上；

光斑分选系统，用于通过同步信号触发将光斑依次反射或透射进入偏振解码系统；

优选地，两个波前传感单元的微透镜阵列焦平面垂直。

2.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，所述微透镜阵列的子透镜为圆形、矩形或六边形结构。

3.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，所述偏振编码元件为径向偏振片、角向偏振片、径向偏振片阵列、角向偏振片阵列中的一种；所述径向偏振片阵列，或角向偏振片阵列的子单元与所述微透镜阵列的子透镜具有相同的外形尺寸，且所述径向偏振片或径向偏振片阵列的子单元、所述微透镜阵列的子透镜的投影面均垂直于光轴平面。

4.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，所述偏振编码元件设置于所述微透镜阵列的焦平面处，所述偏振编码元件对入射的微透镜阵列聚焦光斑进行偏振编码，不同微透镜阵列子透镜对应的聚焦光斑经过偏振编码元件出射后携带有不同的偏振信息，且偏振信息与其在偏振编码元件上的投射位置满足唯一对应关系。

5.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，所述4F传像系统两个正透镜之间的间距为两个正透镜焦距之和；所述4F传像系统的前焦面与所述微透镜阵列的焦平面重合。

6.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，所述光斑分选系统包括全内反射棱镜、空间光调制器、聚焦透镜；所述空间光调制器的工作面与传像系统的后焦面重合；所述聚焦透镜的光轴与所述空间光调制器工作面法线在同一平面上，且聚焦透镜的光轴、空间光调制器工作面法线关于所述全内反射棱镜的分光面法线对称。

7.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，所述传像系统将经过偏振编码元件的聚焦光斑图案成像在空间光调制器的工作面上，根据空间光调制器工作面上光斑的数量N将工作面的有效区域划分为N个面积相等的子区域，通过同步信号触发控制空间光调制器将N个子区域上的光斑依次反射或透射进入偏振解码系统；优选地，所述子区域为矩形、圆形或三角形。

8.根据权利要求1所述的采用双通道偏振编码的波前传感系统，其特征在于，偏振解码系统为阵列探测器系统或单点探测器系统；所述阵列探测器系统为黑白偏振相机或彩色偏振相机；所述单点探测器系统包括依次设置的分光元件、线偏振片和单点探测器。

9.一种权利要求1～8之一所述波前传感系统的波前信息解码方法，其特征在于，该方法包括：

根据光斑偏振信息(AOP1、AOP2)，在坐标系XOY中找到径向偏振角度AOP1与角向偏振角度AOP2的唯一交点，此交点即为光斑质心在XOY坐标系中的位置坐标(x,y)；其中，XOY坐标系是指以偏振编码元件圆心O为中心，以偏振编码元件中0°偏振片的偏振方向为X轴，垂直X轴为Y轴建立的平面直角坐标系；

对于所述波前传感系统的任一个波前传感单元，其光斑偏振信息

光强信号为I_0°/I_45°/I_90°时，

光强信号为I_0°/I_60°/I_120°时，

光强信号为I_0°/I_45°/I_90°/I_135°时，

10.一种权利要求1～8之一所述波前传感系统的波前传感方法，其特征在于，包括：

1)对于波前传感系统的任一个波前传感单元，采用同步信号触发控制空间光调制器，使空间光调制器的N个子区域上的光斑依次通过偏振解码系统，并依次完成每个光斑的位置信息解算，从而生成整个微透镜阵列的聚焦光斑图案，即当前帧的光斑位置信息集合{(x_N,y_N)}；其中，所述光斑位置信息集合中的各位置信息(x,y)通过权利要求9所述方法计算得到；

2)重复上述步骤1)，得到相邻帧之间的光斑位置变化信息集合{(Δx_N,Δy_N)}。

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