一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克－哈特曼波前傳感器的製作方法

2023-05-28 13:54:46

專利名稱：一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克－哈特曼波前傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種夏克-哈特曼波前傳感器，特別是一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器。
背景技術：
夏克-哈特曼波前傳感器已經廣泛應用於自適應光學系統中。利用陣列透鏡對探測波前進行分割，分割的波前被聚焦到CCD光電探測器上，計算各個子孔徑的斜率，經復原計算得到探測波前的相位分布。夏克-哈特曼波前傳感器除了應用於各種用途的自適應適應光學系統中外，還用於各種靜態相差的測量，比如光學檢測、系統標定和醫學中的人眼像差測量等。這類傳統的夏克-哈特曼波前傳感器可以參見「哈特曼波前傳感器的應用」，姜文漢，鮮浩等，量子電子學報Vol.15，April，1998，2，P228-235；「夏克-哈特曼波前傳感器的波前相位探測誤差」，沈鋒，姜文漢，光學學報，Vol.20，No.5，May 2000，P666-671；「Combined shearing interferometer and Hartmann wavefront sensor」，USpatent No.518854，Hutchin etc.，June 17，1982。針對適合於白天自適應光學觀測的夏克-哈特曼波前傳感器的研究已有成果。中國科學院光電技術研究所李超宏的專利「基於分光稜鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器」描述了一種利用視場偏移消除白天觀測中強背景的方法。其系統至少包括兩套相同的縮束系統、陣列透鏡、CCD探測器件和處理機。
上述各種夏克-哈特曼波前傳感器用於強背景條件下自適應觀測時存在不足在信噪比很低時，信號被噪聲淹沒，光電探測器所獲得圖像不經處理則不能夠得到精確的斜率數據，在採用了像增強器的夏克-哈特曼波前傳感器中，信號得到增強的同時，但同時噪聲也被放大，因此不能有效提高信噪比。利用視場偏移法特別研製的夏克-哈特曼波前傳感器有效的抑制了背景對探測的影響，但其系統複雜度卻增加了研究成本。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服了現有技術的不足，提出一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，這種傳感器可以有效地適應不同探測環境實現自適應光學觀測，且結構簡單、工作性能穩定，適合批量生產。
本發明的技術解決方案是一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，包括縮束系統、透鏡陣列、匹配透鏡組、探測器件，縮束系統使前級系統產生的光束口徑與透鏡陣列匹配，之後的匹配透鏡組則將由透鏡陣列分割的子波前成像在探測器件上，其特徵在於在所述的探測器件後接有根據背景強度進行質心算法或相關算法優選的算法優選模塊，由探測器件採集的電信號首先進入算法優選模塊進行處理，然後進入後級處理系統，所述的算法優選模塊為各種固化了快速質心算法和相關算法的數字硬體模塊，並能根據背景強度進行算法優先選擇，以信噪比為判據進行算法的選擇，在信噪比低於設定判據值(通常為6.0)時，選用相關算法，否則選用質心算法，分別實現自適應光學系統的弱、強背景觀測。
所述的相關算法①選擇信號峰值附近一定區域為相關運算核，其區域可以限定在較小的範圍內，以減小計算量並能保證計算的精度；②按照一定的步長進行相關運算核和信號圖像的運算，相關係數最大點所對應的運算核偏移量即為光斑斜率值。
所述的質心算法步驟如下①計算整個探測區域內所有像素信號能量值的總和V；②在探測區域內建立坐標系，其單位為像素個數，然後沿一個方向(x或者y)將信號能量與其對應坐標的乘積求和，得到能量的位置加權值U；③相應方向的信號質心位置由U/V得到；④針對同一探測區域的另一個方向做此運算，得到相應方向的信號質心位置。
本發明中的透鏡陣列可以採用微光學技術，或採用二元光學技術加工而得；縮束透鏡後的探測器為一組或一組以上各種光電探測器，如CCD等。
本發明相對於現有技術具有如下優點本發明通過其特有的相關算法處理模塊實現了強背景自適應光學探測，彌補了現有的夏克-哈特曼波前傳感器只適用於較高信噪比的不足，即在較弱背景探測條件下，仍然選擇質心算法進行處理；同時，也克服了已有的針對強背景條件下自適應觀測的夏克-哈特曼波前傳感器的結構複雜的缺陷。此外，本發明還具備結構簡單、工作性能穩定，加工工藝成熟的特徵，使傳感器的生產、安裝和調節簡單化，利於實現批量生產，可以用於針對低信噪比的各種高精度的波前探測場合。


圖1為本發明的光路結構示意圖；圖2為本發明的強背景及信號分布圖；圖3本發明的利用質心法求解斜率示意圖；圖4為本發明的利用相關算法示意圖；
圖5為本發明的夏克-哈特曼波前傳感器的一個子孔徑以及其相關窗口的選擇示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明縮束系統2、透鏡陣列3、匹配透鏡組4、CCD光電探測器5和算法優選模塊6組成，縮束系統2使前級系統產生的光束口徑與透鏡陣列3匹配，之後的匹配透鏡組4則將由透鏡陣列3分割的子波前成像在CCD光電探測器5上，由CCD光電探測器5採集的電信號後首先進入算法優選模塊6進行處理，然後進入後級處理系統。
算法優選模塊6根據電信號的信噪比為判據進行算法的選擇。在信噪比低於設定判據值(通常為6.0)時，選用相關算法，在信噪比高於設定判據值時，則選用質心算法，分別實現自適應光學系統的弱、強背景觀測。
下面對本發明的中質心算法和相關算法如下。
(1)質心算法在利用夏克-哈特曼波前傳感器對電源目標進行探測時，通常採用質心算法得到子孔徑斜率xc=I(x)xdxI(x)dx---(1)]]>其中I(x)為探測光能分布函數。對於子孔徑內x方向空間解析度為N的夏克-哈特曼波前傳感器，質心計算式為xc=i=1NIixii=1NIi---(2)]]>在有背景條件下進行探測時，探測光能含有背景噪聲Ii＝Si+ni(3)
其中Si為信號能量，ni為噪聲(背景)。在探測背景強度較大時，背景對質心探測的影響不能被忽略，質心表達式為xc=i=1NSixii=1NIi+i=1Nnixii=1NIi---(4)]]>在如圖2所示的探測背景和斜率為x0的信號分布情況下，利用質心算法得到的信號斜率為 如圖3所示，由於背景噪聲引入了誤差。因此，質心運算法適用於信噪比大於一定值(通常選擇為6.0)時採用。在信噪比低於此判據值時，質心算法的精度下降，這時應當採用相關算法。
(2)相關算法取值恆為正的實函數f(t)，g(t)的相關係數定義為=-f(t)g(t+)dt-f(t)g(t)dt---(5)]]>對於子孔徑內x方向空間解析度為N的夏克-哈特曼波前傳感器，其探測能量分布式為f(i)=Si+nii[1,N]0Otherwise---(6)]]>選取f0為相關運算核f0(i)=S0i+n0ii[1,N]0Otherwise---(7)]]>因此，相關運算係數為(x)=i=1Nf0(i)f(i+x)i=1Nf0(i)f(i)---(8)]]>
係數ρ(Δx)只有在Δx為0時取最大值，此時f與所選擇相關運算核相關程度「最大」，即為其信號質心位置。
在相關運算核的選擇過程中，可以將其限制在較小的尺度範圍(M)內。這是由於點源目標本身尺度較小，而且由此選擇的運算核能有效的減小計算量，提高工作效率，並能更加有效的抑制背景噪聲的影響。較小尺度範圍內的相關運算核被稱為相關窗口，如圖4所示。
圖4表示了利用相關窗口進行斜率計算的結果。從圖中可見，在 點，相關係數值較小，因此其值較斜率真值x0有較大差異。而利用相關窗口則在x0點得到了最大相關值點。
圖5所示為夏克-哈特曼波前傳感器一個子孔徑圖像實例。將此相關窗口按照圖4所描述方法運用於探測器各個子孔徑估算得到斜率矩陣。
權利要求
1.一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，包括縮束系統、透鏡陣列、匹配透鏡組、探測器件，縮束系統使前級系統產生的光束口徑與透鏡陣列匹配，之後的匹配透鏡組則將由透鏡陣列分割的子波前成像在探測器件上，其特徵在於在所述的探測器後接有根據背景強度進行質心算法或相關算法優選的算法優選模塊，由CCD探測器件採集的電信號首先進入算法優選模塊進行處理，然後進入後級處理系統，所述的算法優選模塊為各種固化了快速質心算法和相關算法的數字硬體模塊，並能根據背景強度進行算法優先選擇，以信噪比為判據值進行算法的選擇，在信噪比低於設定判據值時，選用相關算法，否則選用質心算法，分別實現自適應光學系統的弱、強背景觀測。
2.根據權利要求1所述的適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，其特徵在於所述的判據值為6。
3.根據權利要求1所述的適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，其特徵在於所述的相關算法步驟如下①選擇信號峰值附近一定區域為相關運算核，其區域可以限定在較小的範圍內，以減小計算量並能保證計算的精度；②按照一定的步長進行相關運算核和信號圖像的運算，相關係數最大點所對應的運算核偏移量即為光斑斜率值。
4.根據權利要求1所述的適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，其特徵在於所述的質心算法步驟如下①計算整個探測區域內所有像素信號能量值的總和V；②在探測區域內建立坐標系，其單位為像素個數，然後沿一個方向，即x或者y將信號能量與其對應坐標的乘積求和，得到能量的位置加權值U；③相應方向的信號質心位置由U/V得到；④針對同一探測區域的另一個方向做此運算，得到相應方向的信號質心位置。
5.根據權利要求1所述的適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，其特徵在於所述的探測器件為各種光電探測器。
6.根據權利要求1所述的適應背景變化點源目標波前探測的夏克-哈特曼波前傳感器，其特徵在於所述的透鏡陣列採用微光學技術，或採用二元光學技術加工而得。
全文摘要
一種適應背景變化點源目標波前探測的夏克－哈特曼波前傳感器，包括縮束系統、透鏡陣列、匹配透鏡組、探測器件和算法優選模塊，由探測器件採集的電信號首先進入算法優選模塊進行處理，然後進入後級處理系統，所述的算法優選模塊為各種固化了快速質心算法和相關算法的數字硬體模塊，並能根據背景強度進行算法優先選擇，以信噪比為判據進行算法的選擇，在信噪比低於設定判據值時，選用相關算法，否則選用質心算法，分別實現自適應光學系統的弱、強背景觀測。本發明消除了強探測背景對探測精度的影響，且具有結構簡單、工作性能穩定，加工工藝成熟的優點，使傳感器的生產、安裝和調節簡單化，利於實現批量生產。
文檔編號A61B3/18GK1971222SQ200610165080
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者饒長輝, 張昂 申請人:中國科學院光電技術研究所