CN1831499A - 基于微棱镜夏克－哈特曼波前传感器的自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

基于微棱镜夏克－哈特曼波前传感器的自适应光学系统，主要微棱镜夏克－哈特曼波前传感器、波前处理机、波前校正器组成，其特征在于：所述的微棱镜夏克－哈特曼波前传感器由变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列、与其紧贴着的傅立叶透镜及光电探测器组成，其中二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列可有两种结构，分别是单面光刻中心对称的环形结构和两面光刻的双面光栅结构，既可采用微光学技术，也可采用二元光学技术加工。本发明相对于现有的自适应光学系统，能降低了系统成本，而且简化了波前传感器的安装、调节、易实现批量化生产。

Description

基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统

技术领域

本发明涉及一种基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统。

背景技术

自适应光学是70年代发展起来的新兴的、综合性(集光、机、电、自动控制于一体)的高技术学科。它能动态的克服各种像差对光学系统的影响，使得多种多样的光学设备具有了自动适应作用对象、传输通道和工作环境变化而总处于最优工作状态的能力，因而在空间观察、空间通信、精密跟踪等许多领域有着广泛的应用。此外它的基本技术还可用于微弱信号检测、传感、监控、图像处理和光电信息处理等方面；随着元器件的改进，成本的降低，自适应光学还将用于光学的各领域。

一套自适应光学系统一般都是由三部分组成：波前传感器、波前处理机、波前校正器。波前传感器测量系统的光学像差，波前处理机根据波前传感器得到的测量数据计算得出波前校正器的控制信号，最后通过波前校正器来校正整个系统的光学像差。整个系统的关键器件是波前传感器和波前校正器。

目前经常用到的波前校正器是分块镜面变形反射镜、连续镜面变形反射镜、曲率变形镜、液晶波前校正器、微机械薄膜变形镜、表面微机械变形镜、双压电陶瓷变形镜等波前调制器件。而得到广泛应用的波前传感器是微透镜夏克-哈特曼波前传感器如图1所示，它通常采用微透镜21阵列分割光束孔径，并通过聚光系统22将入射光聚焦到CCD探测器23的光敏靶面24。这类波前传感器的微透镜阵列与CCD探测器的耦合比较复杂，微透镜阵列各个单元焦距的不一致会导致影响传感器精度，因此对微透镜阵列制作技术的要求很高，安装、调试困难，不适宜大批量制造。

姜文汉等曾提出过一种带有不同楔角的光楔组来分割镜分割光束孔径(“37单元自适应光学系统”，姜文汉，吴旭斌，凌宁，光电工程，22卷1期38-45页，1995年)，并用物镜聚焦于CCD光敏靶面的哈特曼传感器，这样可以克服孔径分割元件与CCD探测器耦合的困难。但用单个子棱镜拼装成孔径分割元件的制造技术复杂而昂贵，也不适宜于批量生产。

王海英等在中国专利申请号“01108433.2”“03126431.X”、“03126430.1”、“200310100168.1”等专利中提出用微棱镜阵列加会聚透镜分割系统光瞳的解决方案。此方法提出了一种简单稳定的夏克-哈特曼波前传感器结构，但是王海英等只是把这种波前传感器运用到了像差的检测中，而没有把它运用到具体自适应光学像差闭环校正系统中。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服原有传统自适应光学系统中的波前传感器的缺点，建立一套基于套基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的，能够实现实时闭环像差校正的自适应光学系统。

本发明的技术解决方案是：基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：包括反射镜2、3、11、12、18，准直透镜4，信标光源5，透镜6和7组成扩束系统，波前校正器8，透镜9和10组成缩束系统，微棱镜阵列13、紧贴其的傅立叶透镜14以及位于傅立叶透镜焦面上光电探测器15组成微棱镜夏克-哈特曼波前传感器，波前处理机16，高压放大器17，聚焦透镜19，光电探测器20，由信标光源5发出的光被透镜4准直，经过反射镜2和3反射后照射到目标物体1，被目标物体1反射信标光5经过由透镜6和7组成的扩束系统后被波前校正器8反射，然后经过透镜9和10组成的缩束系统，被反射镜12反射进入微棱镜夏克-哈特曼波前传感器进行质心偏移量探测；波前处理机16根据微棱镜夏克-哈特曼波前传感器输出的质心偏移量计算出系统的波像差以及校正此波像差所需要的波前校正器的控制信号，该控制信号经过高压放大器17放大后加到波前校正器8上，波前校正器8根据波前处理机16得到的控制信号对入射波前进行相位调制，使得入射的带有波像差的光波，变成理想的没有像差的平面波，该理想平面波经过透镜9和10组成的缩束系统，被反射镜11和18反射，再经过聚焦透镜19成像到光电探测器20上。

所述的光电探测器件为CCD、COMS、PSD、PDA等探测器；信标光源采用目标物体发出的光束，或LED、或SLD光源。

所述的微棱镜阵列为变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列为等锯齿深度的变周期二维锯齿形相位光栅阵列，即阵列中每个光栅均为同一锯齿深度，只是x、y方向空间周期各不相同。

所述变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列可以有两种实现方案：单面光刻中心对称的环形布局结构和两面光刻的双面光栅结构。单面光刻中心对称的环形布局结构为在基片上单面光刻，以中心为基点，呈中心对称圆周状向外扩展，阵列中各个子孔径x、y方向空间周期Tx和Ty同时由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n级数倍率递变。两面光刻的双面光栅结构为在基片一面以x坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿x方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n级数倍率递变；在基片另一面以y坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿y方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n级数倍率递变。所述变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列可以采用微光学技术或二元光学技术加工。

所述的波前校正器可以是变形反射镜、液晶波前校正器、微机械变形镜、双压电陶瓷变形镜等波前调制器件。

所述的信标光源可以直接采用目标物体发出的光束，也可以采用其他独立的光源。

本发明的原理是：微棱镜夏克-哈特曼波前传感器通过探测被目标物体反射的信标光得到各个子孔径的质心的偏移量；波前处理机对质心偏移量进行运算得到波前校正器各个驱动单元的驱动信号；在驱动信号的控制下，波前校正器产生相应的的波前相位调节量用以校正目标物体的波前形状，从而校正系统的波像差。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明所公开的微棱镜夏克-哈特曼波前传感器，其光束孔径分割元件-微棱镜阵列由变周期二维锯齿形相位光栅阵列构成，只需与一个傅立叶透镜组合，便能够实现光束孔径分割，所有子波前通过公共的傅立叶透镜会聚到光电探测器光敏靶面，克服了现有技术中微透镜阵列的微透镜单元焦距不一致对哈特曼波前传感器精度产生的影响。

(2)本发明所公开的微棱镜阵列，是采用微光学或二元光学技术直接在同一片基上光刻形成，避免了分别加工单个子棱镜，然后进行子棱镜拼装的复杂、繁琐、昂贵的工艺。

(3)本发明所公开的微棱镜阵列在加工时，只需改变阵列中每一个锯齿形相位光栅的空间周期而锯齿深度保持不变，并且锯齿结构采用微光学或二元光学技术刻蚀形成，其结构简单，加工工艺易实现，易于实现批量化生产。

(4)将使夏克-哈特曼波前传感器的安装调整得以简化。现有的微透镜哈特曼传感器通常需要一个转像系统，将微透镜阵列的焦点耦合到CCD的光敏靶面。如图1所示，除须完成微透镜阵列21、转像系统22以及CCD 23的准直调整外，还必须完成微透镜阵列21的焦斑阵列和CCD 23的焦平面之间相对于转像系统22的物像共轭调整，整个装调的环节较多且难度大，不利于批量生产。而本发明所提出的二维锯齿形相位光栅阵列41和傅立叶透镜42组合，直接成像于CCD光敏靶面44，如图3所示，除必须的准直调整外，只需要将CCD光敏靶面44相对于傅立叶透镜42进行调焦，简化了传感器的装调工作。

(5)本发明中提出的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，可以选择搭配各种波前校正器，例如变形反射镜、液晶波前校正器、微机械变形镜、双压电陶瓷变形镜等波前调制器件。

附图说明

图1为现有技术中微透镜哈特曼波前传感器结构示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为本发明的微棱镜哈特曼波前传感器的结构示意图；

图4为本发明中变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列采用单面光刻中心对称的环形布局结构示意图；

图5为图4的立体示意图；

图6是本发明中变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列采用两面光刻的双面光栅结构主视图；

图7为图6的左视图；

图8为图6的右视图。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括反射镜2、3、11、12、18，准直透镜4，信标光源5，透镜6和7组成扩束系统，波前校正器8，透镜9和10组成缩束系统，微棱镜阵列13、紧贴其的傅立叶透镜14以及位于傅立叶透镜焦面上光电探测器15组成微棱镜夏克-哈特曼波前传感器，波前处理机16，高压放大器17，聚焦透镜19，光电探测器20，由信标光源5发出的光被透镜4准直，经过反射镜2和3反射后照射到目标物体1，被目标物体1反射信标光5经过由透镜6和7组成的扩束系统后被波前校正器8反射，然后经过透镜9和10组成的缩束系统，被反射镜12反射进入微棱镜夏克-哈特曼波前传感器进行质心偏移量探测；波前处理机16根据微棱镜夏克-哈特曼波前传感器输出的质心偏移量计算出系统的波像差以及校正此波像差所需要的波前校正器的控制信号，该控制信号经过高压放大器17放大后加到波前校正器8上，波前校正器8根据波前处理机16得到的控制信号对入射波前进行相位调制，使得入射的带有波像差的光波，变成理想的没有像差的平面波，该理想平面波经过透镜9和10组成的缩束系统，被反射镜11和18反射，再经过聚焦透镜19成像到光电探测器20上。

如图3所示，本发明实现波前像差探测的微棱镜夏克-哈特曼波前传感器由变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列41、傅立叶透镜42和光电探测器43组成，傅立叶透镜42紧贴变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列41，光电探测器43的光敏靶面44位于傅立叶透镜42焦面上，微棱镜阵列41为采用微光学或二元光学技术在同一基片上刻蚀产生的二维锯齿形相位光栅阵列，且为等锯齿深度的变周期二维锯齿形相位光栅阵列，即阵列中每个光栅均为同一锯齿深度，只是x、y方向空间周期各不相同，它可以有两种实现方案：单面光刻中心对称的环形布局结构和两面光刻的双面光栅结构，分别如图图5、图6、图7和图8所示。

图3所示的结构的具体实施为：微棱镜阵列41和傅立叶透镜42分别采用带有三维调整功能的机械件固定，其后的光电探测器43需要轴向平移调整。装调时，分别对微棱镜阵列41、傅立叶透镜42和光电探测器43进行准直调整；然后平行光入射，光电探测器43进行轴向调整，使其光敏靶面位于傅立叶透镜42的焦平面上，整个装调过程完成。

当基于微棱镜阵列的哈特曼传感器在工作时，如图4所示，入射光束经微棱镜阵列41后，各个子孔径的光束分别产生了相应的相位变化，通过紧贴其后的傅立叶透镜42成像，由位于傅立叶透镜焦面上的光电探测器43探测其光强分布，该光强分布包含着二维锯齿形相位光栅阵列所产生的相位信息，每个子孔径所产生的相位变化不同，因而在傅立叶透镜焦面上形成一个光斑阵列，整个光束孔径被均匀分割。标准平面波入射产生的光斑阵列将被保存起来作为标定数据。

当具有一定像差的波前入射时，各个局部倾斜平面波对其子孔径内二维锯齿形相位光栅产生新的附加相位，该相位变化将反映到傅立叶透镜焦面的光斑位置偏移上。

光电探测器43接收到的光斑信号可通过计算机进行处理，采用质心算法：由公式①计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$                     ①

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到光电探测器43光敏靶面44上对应的像素区域，I_nm是光电探测器43光敏靶面44上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式②计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}},g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}$             ②

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

如图4所示，微棱镜阵列可以有单面光刻中心对称的环形布局结构：各个光栅的周期和刻线方向形成环形布局，即在基片上单面光刻，以中心点o为基点，呈中心对称圆周状向外扩展，阵列中各个子孔径x、y方向空间周期Tx和Ty同时由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n级数倍率递变。

图5为图4所示结构的立体示意图。

如图6、图7和图8所示，微棱镜阵列还可以有两面光刻的双面光栅结构：分两面分别确定阵列中各个光栅的X和Y方向的光栅周期，在基片一面刻线产生X方向周期，另一面则刻线产生Y方向周期，双面刻线共同形成光栅阵列的不同周期，即在基片一面以x坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿x方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n级数倍率递变；在基片另一面以y坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿y方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1，1/2，1/3...1/n级数倍率递变。

当波前传感器与波前处理机、波前校正器等一起构成自适应光学实时校正系统的时，需要通过波前处理机的运算，从波前传感器的子孔径斜率快速、准确的计算出波前校正器需要的控制电压。目前波前处理计算的算法有很多种，例如区域法、泽尼克模式法、直接斜率法等。目前的波前校正器也有很多种，例如：变形反射镜、液晶波前校正器、微机械变形镜、双压电陶瓷变形镜等。我们以直接斜率法和变形反射镜为例说明系统的运行方式。

变形反射镜在工作时可以实时可控的改变镜面的面型，用以校正波前误差。面型的变化是通过驱动器的推动来实现的。驱动器一般是由压电陶瓷堆组成，可以通过改变压电陶瓷对两端的电压的大小来控制驱动器的变形量。波前处理机的作用就是从波前传感器的子孔径斜率快速、准确的计算出波前校正器需要的控制电压，从而控制波前校正器动态的校正波像差。

以直接斜率法为例，设输入信号v_j是加在变形镜第j个驱动器上的控制电压，由此产生的哈特曼传感器子孔径的平均波前斜率量为：

$G_x\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{v}_j\frac{\underset{s_i}{\∫}\∫\frac{{\∂R}_j(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy}}{s_i}=\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{v}_j{R}_{\mathrm{xj}}\left(i\right)$

$G_y\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{v}_j\frac{\underset{s_i}{\∫}\∫\frac{{\∂R}_j(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}}{s_i}=\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{v}_j{R}_{\mathrm{yj}}\left(i\right)---i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·m$

其中R_j(x，y)为变形镜第j个驱动器的影响函数，t为驱动器个数，m为子孔径个数，s_i为子孔径i的归一化面积。控制电压在合适的范围内时，变形镜的相位校正量与驱动器电压近似线形，并满足迭加原理，子孔径斜率量也与驱动电压成线性关系，且满足迭加原理。所以上式可以写成矩阵表示为：

G＝R_xyV

其中R_xy为变形镜到哈特曼传感器的斜率响应矩阵，可以通过理论计算求得，但实验测到的斜率响应矩阵更能正确反映系统的真实情况。

设G是需要校正的波前像差斜率测量值，用广义逆可使得斜率余量最小且控制能量也最小的控制电压就可以表示为：

$V=R_{\mathrm{xy}}^{+}G$

这个电压信号是不能直接加到变形镜的各个驱动器上，还必须要通过控制算法计算出实际要添加到变形镜上的电压信号，这里以积分-比例-微分(PID)控制算法为例。PID发的传递函数为：

C(S)＝kc/S

其中Kc表示系数常量，S为拉普拉斯算子。在实际的运用中所用的控制硬件一般都是数字处理机，所以我们需要通过Z变化将传递函数离散化为适合在数字处理机上实现的形式C(Z)：

C(Z)＝P/(1-Z^-1)

其中P是系数常量，该传递函数变化到时间域上就可以表示如下：

V(t)-V(t-1)＝P×e(t)

V(t)为当前时刻需要加到变形镜上的电压，V(t-1)为上一时刻已经加到变形镜上电压，e(t)为补偿后的残余波前电压控制信号，这样就可以计算出当前需要加到变形镜上的驱动电压。

最后波前处理机通过控制高压放大器把上面计算出的电压值加到变形镜对应的各个驱动器上，这样就形成了波前传感器、波前处理机、波前校正器之间的闭环控制过程。

Claims (8)

1、基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：包括反射镜(2、3、11、12、18)，准直透镜(4)，信标光源(5)，透镜(6)和(7)组成扩束系统，波前校正器(8)，透镜(9、10)组成缩束系统，微棱镜阵列(13)、紧贴其的傅立叶透镜(14)以及位于傅立叶透镜焦面上光电探测器(15)组成微棱镜夏克-哈特曼波前传感器，波前处理机(16)，高压放大器(17)，聚焦透镜(19)，光电探测器(20)，由信标光源(5)发出的光被透镜(4)准直，经过反射镜(2、3)反射后照射到目标物体(1)，被目标物体1反射信标光5经过由透镜6和7组成的扩束系统后被波前校正器(8)反射，然后经过透镜(9、10)组成的缩束系统，被反射镜(12)反射进入微棱镜夏克-哈特曼波前传感器进行质心偏移量探测；波前处理机(16)根据微棱镜夏克-哈特曼波前传感器输出的质心偏移量计算出系统的波像差以及校正此波像差所需要的波前校正器的控制信号，该控制信号经过高压放大器(17)放大后加到波前校正器(8)上，波前校正器(8)根据波前处理机(16)得到的控制信号对入射波前进行相位调制，使得入射的带有波像差的光波，变成理想的没有像差的平面波，该理想平面波经过透镜(9、10)组成的缩束系统，被反射镜(11、18)反射，再经过聚焦透镜(19)成像到光电探测器(20)上。

2、根据权利要求1所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的微棱镜阵列(13)为变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列为等锯齿深度的变周期二维锯齿形相位光栅阵列，即阵列中每个光栅均为同一锯齿深度，只是x、y方向空间周期各不相同。

3、根据权利要求2所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列有单面光刻中心对称的环形布局结构和两面光刻的双面光栅结构。

4、根据权利要求3所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的单面光刻中心对称的环形布局结构为在基片上单面光刻，以中心为基点，呈中心对称圆周状向外扩展，阵列中各个子孔径x、y方向空间周期Tx和Ty同时由中心向外呈1，1/2，1/3…1/n级数倍率递变。

5、根据权利要求3所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的两面光刻的双面光栅结构为在基片一面以x坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿x方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1，1/2，1/3…1/n级数倍率递变；在基片另一面以y坐标轴为基准，刻蚀产生平行排列、光栅周期沿y方向的锯齿形相位光栅，其光栅周期由中心向外呈1，1/2，1/3…1/n级数倍率递变。

6、根据权利要求1所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的波前校正器(8)为分块镜面变形反射镜、或连续镜面变形反射镜、或曲率变形镜、或液晶波前校正器、或微机械薄膜变形镜、或表面微机械变形镜、或双压电陶瓷变形镜波前调制器件。

7、根据权利要求2和1所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的光电探测器件(15)或光电探测器件(20)为CCD、或COMS、或PSD、或PDA探测器。

8、根据权利要求1所述的基于微棱镜夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统，其特征在于：所述的自适应光学系统的信标光源(5)采用目标物体发出的光束，或LED、或SLD光源。

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