CN1904665A - 一种校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法 - Google Patents

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一种校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法，其特征在于：在全光路像差校正自适应光学系统工作光路条件下，从共孔径分光镜前引入平行光，该平行光透过共孔径分光镜，经后向反射器阵列反射回共孔径分光镜，再经共孔径分光镜反射至共模波前传感器，同时标定共模波前传感器包含的两套波前传感器。本发明对标定光源的平行度要求较低，而且可以避免搬动设备带来的风险，节约了成本，减少了工作量。

Description

一种校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法
技术领域
本发明涉及一种全光路像差校正自适应光学系统中的共模波前传感器的标定方法，特别是一种对标定光源平行性及像差要求较低，节省标定时间，减少搬动共模传感器带来的风险，以及节约成本的一种标定方法。
背景技术
自适应光学系统主要由波前探测器、波前校正器和波前控制器等三部分组成。由波前探测器实时探测像差波前信息，并由波前控制器将波前探测器探测得到的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，驱动波前校正器改变波前形状，实现波前误差的实时校正。
常规自适应光学系统的工作过程是把像差波前校正成平面波前，这就要求标定波前传感器需要的标准光是严格平行且无像差的光束。而全光路像差校正自适应光学系统(Airborne laser system common path/common mode designapproach.，Billman K W，Proc.SPIE，1999，3706：196～203)的工作过程是用共模波前传感器探测的波前经差分融合后，解算出波前校正器的控制电压，由波前校正器把待校正波前校正成外光路像差波前的共轭。由于全光路像差校正自适应光学系统中包含有后向反射器件，假如共模波前传感器中的两套波前传感器均采用标准平面波前进行标定，角椎棱镜阵列本身的加工像差将影响系统的校正效果。文献“角椎棱镜阵列对波前传感器探测精度的影响，胡诗杰等，《中国激光》(增刊)，Vol.33，P368～372”提出了一种带着角椎棱镜阵列标定波前传感器的方法，这种方法是用两套波前传感器工作波长的标准平行光分别标定两套波前传感器，这种方法要求两个波长的标定光源本身为严格的标准平面波，并且标定过程较为烦琐。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服使用两种标准平行光标定共模波前传感器带来的过程烦琐、风险大、成本昂贵等缺点，提供一种在全光路像差校正自适应光学系统工作光路条件下标定共模波前传感器的方法，这种方法可以避免标定共模波前传感器使用严格标准平面波的缺点，同时也避免标定过程的时间耗费。
本发明的技术解决方案是：一种校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法，其特征在于：在全光路像差校正自适应光学系统工作光路条件下，从共孔径分光镜前引入平行光，该平行光透过共孔径分光镜，经后向反射器阵列反射回共孔径分光镜，再经共孔径分光镜反射至共模波前传感器，同时标定共模波前传感器包含的两套波前传感器。
所述的共模波前传感器包含的两套波前传感器之一相对于另一套波前传感器消色差光学设计。
所述的标定光束可以由标定激光器发出的光束经显微物镜括束后，由离轴抛物镜准直为系统工作口径的平行光；也可以由一体化平行光管产生。该标定平行光与Beacon1同轴到达共孔镜分光镜。
所述的平行光不要求为严格的标准平面波前。
所述的共模波前传感器用同一束光标定完成后，其中的一套波前传感器前使用窄带滤光片，以使系统工作时，两套波前传感器各自针对自己的信标进行探测而不受干扰。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明使用共模波前传感器工作波长之一的平行光在系统工作光路条件下同时标定两套哈特曼传感器，避免了常规标定波前传感器口对口标定带来的时间浪费、搬动仪器带来的风险，以及制造两种标准平行光带来成本问题。
附图说明
图1所示的细实线框部分为本发明实施例1的标定共模波前传感器的示意图；
图2所示的细实线框部分为本发明实施例2的标定共模波前传感器的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明使用的全系统像差校正自适应光学系统包括主激光信标Beacon1、倾斜反射镜TM1、变形反射镜DM4、共孔径分光镜5、后向反射器件6、7和8组成的共模波前探测器、波前处理机9、计算机10、高压放大器11、大气信标Beacon2。本发明技术实施例1所述的标定共模波前传感器方法如细实线框所示，包括离轴抛物镜2、标定激光器3、共孔径分光镜5、后向反射器件6、7和8组成的共模波前探测器、波前处理机9、计算机10，标定激光器3发出的光束经显微物镜放大后，由引入的离轴抛物镜2准直成平行光，该平行光透过共孔径分光镜5，到达后向反射器件6，然后经后向反射器件6反射回共孔镜分光镜5，再经共孔镜分光镜5反射至由7和8组成的共模波前传感器。此时，共模波前传感器包含的两套波前传感器每个子光斑的质心位置即可作为哈特曼传感器的标定原点。
如图2所示，全系统像差校正自适应光学系统包括主激光信标Beacon1、倾斜反射镜TM1、变形反射镜DM4、共孔径分光镜5、后向反射器件6、7和8组成的共模波前探测器、波前处理机9、计算机10、高压放大器11。本发明技术实施例2所述的标定共模波前传感器方法如细实线框所示，包括平面反射镜13、平行光管12、共孔径分光镜5、后向反射器件6、7和8组成的共模波前探测器、波前处理机9、计算机10。平行光管12发出的光束经引入的平面反射镜2反射后，透过共孔径分光镜5，到达后向反射器件6，然后经后向反射器件6反射回共孔镜分光镜5，再经共孔镜分光镜5反射至由7和8组成的共模波前传感器。此时，共模波前传感器包含的两套波前传感器每个子光斑的质心位置即可作为哈特曼传感器的标定原点。
本发明采用的波前传感器7和波前传感器8，可以是哈特曼波前传感器，如文献“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski，B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997)公开的哈特曼波前传感器，或中国专利申请号200310100168.1中所公开的基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，还可以是曲率传感器等其他波前探测器。
本发明使用的后向反射器件可以采用文献“角反射器阵列作为伪相位共轭器件的保真度分析，强激光与粒子束，Vol.13，(3)，P287～290，2001”公开的角反射器阵列，也可以采用能使出射波前为入射波前共轭的相位共轭反射镜，或微珠反射器阵列。
本发明标定共模波前传感器的理论分析如下：
文献(Airborne laser system common path/common mode designapproach.，Billman K W，Proc.SPIE，1999，3706：196～203)详细讲述了全光路像差校正自适应光学系统的原理。从文献中我们知道图1所示的全光路像差校正自适应光学系统在全系统工作状态，共模波前传感器中的HS1探测的波前像差为：
φHS1＝-(φ1+φ3)+φ共                                     (1)
其中，φ1为待校正信标Beacon1的像差波前，φ3为共孔径分光镜的变形像差，φ共为共孔径分光镜与共模波前传感器之间的共光路像差。
HS2探测的波前像差为：
φHS2＝φ2+φ共                                              (2)
其中，φ2为待校正信标Beacon2的像差波前。
两台波前传感器的差分融合波前为：
φHS1-φHS2-(φ1+φ3+φ2)                                  (3)
上述表达式是建立在标定光源和角椎棱镜阵列都无像差的情况之下，也就是说，两个波前传感器探测的波前信息就是实际到达哈特曼传感器前光束携带的像差信息。
实际上，标定光源和角椎棱镜阵列总是存在像差，所以，上述理论对实际系统来说存在着一定误差。以下就此问题分析角椎棱镜阵列不存在面形误差和存在面形误差两种情况进行分析。
A、角椎棱镜阵列存在面形误差的情况
假如使用的标定光束存在的像差为φ标准，那么，全光路像差校正自适应光学系统校正后的光束也将存在这一固定的像差。在两实施例中，假定角椎棱镜阵列没有像差，此时波前传感器HS1和HS2标定点存在的像差均为-φ标准+φ共，在系统实际工作时，波前传感器HS1探测的像差就为：
φHS1＝-(φ1+φ3)+φ共-(-φ标准+φ共)＝-(φ1+φ3)+φ标准    (4)
而波前传感器HS2探测的像差为：
φHS2＝φ2+φ共-(-φ标准+φ共)＝φ2+φ标准                    (5)
此时，两个波前传感器的差分融合波前为：
φHS1-φHS2＝-(φ1+φ3+φ2)                                    (6)
从(6)式可以看出，标定光源的像差信息经两个波前传感器差分融合后已经消除。因此，本发明所述的标定方法不要求标定光源是绝对的标准平行光，但是，要求两台哈特曼传感器中的其中一台必须对另一台的工作波长消色差。比如，HS1工作在波长λ1，而HS2工作在λ2，在标定两台波前传感器时，采用λ1波长的光束标定两台哈特曼传感器，此时要求HS2光学设计时需要对波长λ1和波长λ2消色差。
B、角椎棱镜阵列存在面形误差的情况
假定角椎棱镜阵列的面形误差为φ角椎，此时，波前传感器HS1和HS2的标定点存在的像差为-(φ标准+φ角椎)+φ共，在全系统工作时，两台波前传感器HS1和HS2探测的像差分别为：
φHS1＝-(φ1+φ3)+φ共-(-(φ标准+φ角椎)+φ共)＝-(φ1+φ3)+(φ标准+φ角椎)    (7)
φHS2＝φ2+φ共-(-(φ标准+φ角椎)+φ共)＝φ2+(φ标准+φ角椎)                     (8)
此时，两台哈特曼传感器的差分融合波前为：
φHS1-φHS2＝-(φ1+φ3+φ2)                                (9)
这与A中的结果没有差别。
因此，本发明公布的标定共模波前传感器方法在共模波前传感器标定完成后，全系统的校正效果不受标定光源本身像差的影响，也不受角椎棱镜阵列本身像差的影响。并且，这种标定方法不要求标定光束为严格的标准平面波，可以用一个标定光源在系统工作光路条件下同时标定两台哈特曼传感器。这样，既降低了搬动设备带来的风险，又节省了成本，减少了工作量，具有明显的优点。

Claims (6)

1、一种校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法，其特征在于：在全光路像差校正自适应光学系统工作光路条件下，从共孔径分光镜前引入平行光，该平行光透过共孔径分光镜，经后向反射器阵列反射回共孔径分光镜，再经共孔径分光镜反射至共模波前传感器，同时标定共模波前传感器包含的两套波前传感器。
2、根据权利要求1所述的共模波前传感器标定方法，其特征在于：所述的平行光的波长为两套波前传感器之一的工作波长，并且与待校正光束同轴发射。
3、根据权利要求1所述的共模波前传感器标定方法，其特征在于：所述的平行光由标定激光器发出的光束经显微物镜放大后，经由共孔径分光镜前引入的离轴抛物镜产生；或由一体化平行光管产生。
4、根据权利要求1所述的共模波前传感器标定方法，其特征在于：所述的平行光不要求为严格的标准平面波。
5、根据权利要求1所述的共模波前传感器标定方法，其特征在于：所述的两套波前传感器之一的波前传感器相对于另一套波前传感器工作波长消色差光学设计。
6、根据权利要求1所述的共模波前传感器标定方法，其特征在于：所述的两套波前传感器用一束光标定完成后，在其中的一套波前探测器前使用窄带滤光片，以使全光路像差校正自适应光学系统工作时，两套波前传感器各自针对自己的信标进行探测而不受干扰。
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