DE3413420C2 - Sensor zur Ermittlung von Bildfehlern - Google Patents

Abstract

Im Unterschied zu einem bekannten Hartmann-Wellenfrontsensor wird mit diesem Sensor jede Einzelabbildung einer Unterapertur hochauflösend erfaßt und die relative geometrische Lage der Einzelabbildungen zueinander errechnet. Der Sensor ist daher in der Lage, Bildfehler auch an flächenhaft strukturierten Bildobjekten zu erkennen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für eine, ein optisches Phasenkorrekturelement aufweisende adaptive Optik zur Ermittlung von Bildfehlern eines abgebildeten strukturierten Objektes, mit einer in Unteraperturen aufgeteilten Eintrittsöffnung zur Erzeugung von mehreren Einzelabbildungen des Objektes sowie den Unteraperturen jeweils zugeordneten optoelektrischen Detektoren.

Eine Einrichtung der obengenannten Art ist in der US-PS 41 41 652 beschrieben und als Hartmann-Sensor bekannt. Der Sensor dient zur Erkennung von Störungen ebener Wellenfronten bzw. Kugelwellenfronten, z. B. eines Laserlichtstrahles oder einer punktförmigen Lichtquelle, beim Durchtritt durch die Atmosphäre. Der Sensor beruht auf dem Prinzip, die Apertur der adaptiven Optik in Unteraperturen aufzuteilen, deren Größe so bemessen ist, daß die darin auftretenden optischen Störungen sich nur in Form von Verkippungen der optischen Achse bemerkbar machen. Hierzu wird der von einer Unterapertur erfaßte Laserstrahl bzw. die punktförmige Lichtquelle auf jeweils einen der Unterapertur zugeordneten Quadranten-Detektor fokussiert und die Abweichung des darauf abgebildeten Lichtfleckes von der optischen Achse gemessen. Die auf diese Art vorgenommene Absolutmessung der Verkippung der Strahlachse in jeder einzelnen Unterapertur erfordert einen hohen Aufwand an optischer und mechanischer Genauigkeit und ist zudem nur für den Spezialfall ebener bzw. Kugelwellenfronten, also z. B. einer Laserstrahlung oder eines Sternes als Lichtquelle verwendbar.

Fin anderer Wellenfrnntsensor. bei dem das Licht zur Vermeidung von Nichtlinearitäten moduliert wird und bei dem ein Detektorarray zur Anwendung kommt, ist aus der US-PS 44 41 019 bekannt. Auch hiermit sind lediglich Störungen ebener Wellenfronten erkennbar. Weiterhin ist aus »Proceedings of the IEEE«, Vol. 66, No. 6, 1978, Seiten 665—667 ein Hartmann-Sensor bekannt, bei dem zur Erfassung von lokalen Krümmungen ebener Wellenfronten die Verwendung eines Vielelementedetektors sowie von Unteraperturen, die kIHn gcgen lokale Wellenfrontkrünimungen sind, vorgeschlagen werden. Auch hierbei geht es um Anwendungsfälle, bei denen die Quelle einer Wellenfront zumindest in einem schmalen Bereich unstrukturiert ist, so daU tatsächlich nur eine einzige VVellenfront erfaßt und ausgewertet werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Sensor der oben genannten Art zu schaffen, der sich zur Anwendung für flächenhaft strukturierte Bildobjekte eignet. Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Hatentanspruch 1 gelöst.

Im Gegensatz zu dem bekannten Hartmann-Wellcnfrontsensor wird mit diesem Sensor jede Einzelabbildung einer Unterapertur auflösend erfaßt, so daß die Struktur des Objektes erkennbar wird. Aus informationstheoretischen Gründen muß der Detektor mindestens 3x3 Detektorelemente je Unterapertur aufweisen. Die relative geometrische Lage der Einzelabbildungen zueinander wird dann mittels eines an sich bekannten Korrelationsrechners (d. h. eines weitgehend lcstverdrahteten Rechners, der nur zur Bestimmung der Korrelation von Signalen verwendet werden kann) errechnet. Der Sensor ist daher nicht mehr auf enge Strahlenbündel oder punktförmige Lichtquellen angewiesen. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Sensors wird im folgenden an Hand einer schematischen Darstellung beschrieben:

Das Licht, weiches von einem abzubildenden Objekt stammt und eine turbulente Atmosphäre durchlaufen hat, wird von einem nicht dargestellten abbildenden optischen System, z. B. einem Teleskop mit einer adaptiven Optik, gesammelt. Eine charakteristische Größe für den Einfluß von atmosphärischen Turbulenzen auf die l'hasenfront einer elektromagnetischen Welle ist der sog. Friedsche Kohärenzdurchmesser r» in der Atmosphäre.

welcher den Durchmesser angibt, bei dem die Phascnfront im quadratischen Mittel um 1 rad von der idealen Wellenfront abweicht. Die Eingangsapertur von astronomischen Geräten oder ähnlichen optischen Systemen ist im allgemeinen größer als der erwähnte Friedsche iCohärenzdurchmesser r₀, so daß Störungen der Wellcnfronten erfaßt werden, welche zu Bildfehlern führen. Die Korrektur dieser Bildfehler geschieht mittels an sich bekannter und deshalb nicht näher dargestellter aduptiver optischer Systeme, welche z. B. von John W. Hardy, »ACTIVE OPTICS: A NEW TECHNOLOGY FOR THE CONTROL OF LIGHT«, Proceedings öl ihe IEEE, Vol. 66, No. 6, June 1978, beschrieben werden. Zur Erkennung der Bildfehler und zur Steuerung der adaptiven Optik wird durch den nun weiter beschriebenen Sensor die Eingangsapertur durch ein l.inscnarray I aufgeteilt. Dieses Linsenarray 1 erzeugt mittels unmittelbar nebeneinander angeordneter Ein/cllinsen 1.1 ... \.n eine Anzahl π Einzelabbildungen des Objektes. Die Anzahl π der Linsen 1.1 ... l.n ist so bemessen, daß jede

b5 der Linsen Licht aus einer Untcrapertur des optischen Systems sammelt, die einem Durchmesser von /·,. ( = Friedscher Kohärenzdurchmesscr) in der Hingangsanertur entspricht, also von etwa 0,'j bis 2,¹) mm.

Das Linsenarray 1 kann beispielsweise durch eine matrixlormige Aneinanderreihung von sog. Stablinsen (Selfoc-Linsen) realisiert werden. Die damit erzeugten Einzelbilder werden von einem Objektiv 2 auf ein sclbstabtastendes Detektorarray 3, z. B. ein CCD, abgebildet. Das Objektiv 2 dient zur geometrischen Anpassung der Einzelbilder an die Detektorfläche. Das Detektorarray 3 isi so bemessen, daß jedes der von den Linsen 1.1 ... \.n stammenden Bilder auf eine Fläche von etwa 1Ox 10 Detektorelemente abgebildet wird.

Die relative geometrische Lage dieser Einzelbilder zueinander ist ein Maß für die Winkelablage in den Unteraperturen aufgrund von atmosphärischen Störungen. Diese Winkelablage wird von einem Korrelationsrechner 4 aus der elektronischen Signaifolgesequenz des Detektorarrays 3 gewonnen. Korrelationsrechner und entsprechende Rechenmethoden sind beispielsweise aus ]chn Eldon, »CORRELATION ... A POWERFUL TECHNIQUE FOR DIGITAL SIGNAL PROCESSING« TRW LSI PRODUCTS, Dezember 1980, bekannt. Aus den ermittelten Winkelablagewerten können im weiteren entsprechende Regelsignale f~ir ein optisches Phasenschieberelement in einem adaptiven optischen Regelkreis gewonnen werden.

Zur elektronischen Kompensation von Justierfehlern in der Sensoroptik wird über einen teildurchlässigen Spiegel 5 ein Strichgitter 6, z. B. von der Art eines Ronchigitters, welches mittels einer Lichtquelle 7 beleuchtet wird, über einen Kollimator 8 in den Strahlengang des Sensors eingespiegelt. Die Korrelation der Bilder des Cutters 6, wie sie von dem Korrelationsrechner 4 des Sensors festgestellt wird, ist dann die Sollkorrelation für die spätere Regelung der adaptiven Optik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Sensor für eine, ein optisches Phasenkorrekturelement aufweisende adaptive Optik zur Ermittlung von Bildfehlern eines abgebildeten strukturierten Objektes, mit einer in Unteraperturen aufgeteilten Eintrittsöffnung zur Erzeugung von mehreren Einzelabbildungen des Objektes sowie den Unteraperturen jeweils zugeordneten optoelektrischen Detektoren, gekennzeichnet durch ein die Struktur des Objektes auflösendes optoelektrisches Detektorarray (3), auf welchem die Einzelabbildungen nebeneinander angeordnet sind, sowie durch einen dem Detektorarray (3) nachgeschalteten Korrelaticnsrechner (4) zur Bestimmung der relativen geometrischen Lage der Einzelabbildungen anhand der Strukturen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser einer Unterapertur (1.1 bis \.n) dem Friesischen Kohärenzdurchmesser in der Atmosphäre entspricht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unteraperturen (1.1 bis \.n) aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Stablinsen gebildet werden.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen vor den Unteraperturen (1.1 bis \.n) angeordneten teildurchlässigen Spiegel (5), über den ein selbstleuchtendes oder beleuchtetes Meßraster (6) in den Strahlengang des Sensors einspiegelbar und auf dem Detektorarray (3) abbildbar ist.