一種自適應光學系統波前傳感器及其探測方法

2023-05-28 09:15:41

專利名稱：一種自適應光學系統波前傳感器及其探測方法
技術領域：
本發明屬於光學信息測量技術領域，涉及一種波前傳感器，特別是基於二元正交像差模式濾波和探測原理的新型波前傳感器。
背景技術：
典型的自適應光學系統通常由波前傳感器、波前處理機、波前校正器三部分組成。 其中波前傳感器是自適應光學系統的核心部件，用於探測待校正光波波前像差，然後根據各種波前重構算法進行光波波前重構，交由之後的波前校正器生成補償量進行波前像差校正，從而提高光束質量。可見，波前傳感器探測性能是提高自適應光學系統應用指標和效果的重要前提。目前，適用於各類自適應光學系統的波前傳感器的種類很多，例如，發明名稱為 「光學波前傳感器」(申請號98112210. 8)公開的一種哈特曼波前傳感器(HS)，發明名稱為「雙光束幹涉儀」(申請號91109595)公開的一種幹涉式波前探測器，「基於krnike相襯法的相襯成像探索」[習麓弘，李華等.[J].工程圖學學報，2006，(04)]介紹的krnike 相襯技術，「自適應光學曲率波前傳感器的衍射理論及其方案分析」[鄧羅根，陳新，魯長宏.[J].光學技術，2003，(04)]介紹的曲率探測法，「Phase retrieval algorithms a comparison" [J. R. Fienup. [J]APPLIED OPTICS，1982，21 (15) :2758-2769]介紹的相位反演方法，以及發明名稱為「一種基於線性相位反演的波前測量方法」(申請號 200610089149. 7)公開的線性相位反演方法等。這些波前傳感器技術中，以哈特曼波前傳感器技術最為成熟，採用最為廣泛。哈特曼波前傳感器主要包括微透鏡陣列和陣列光電探測器，陣列光電探測器位與微透鏡陣列之後的焦面位置，其基本原理是利用微透鏡陣列等子孔徑分割元件把入射波前孔徑分割成若干子區域，再利用陣列光電探測器(如CCD相機)測量各個子區域上遠場光斑的質心偏移量，得到波前斜率，最後利用各種波前復原算法計算出整個孔徑上的波前相位。由於哈特曼波前傳感器標定方便、集成度高，不僅適合於連續光測量，也能用於脈衝光測量，而且其波前復原過程可以通過線性矩陣完成，所以能夠方便的採用DSP、FPGA等硬體設備進行處理，實時性好，因而是自適應光學系統中最常用的波前探測器件。但是，這種波前傳感器由於子孔徑的分割會造成光能利用率低，每個子孔徑都需要有一定的入射光能量才能探測出準確的光斑質心，使得波前傳感器的微光探測能力受到限制，因此，難以應用在對微光波前探測性能有很高要求的天文觀測自適應光學領域；另外，由於大氣湍流的高速變化，自適應光學系統要求波前傳感器探測幀頻能達到上千赫茲， 且擁有紅外波段探測能力，但是現有波前傳感器的光信息探測元件均採用陣列光電探測器，而陣列光電探測器(如CCD相機)現有的技術水平還很難同時滿足具有高頻、高靈敏度和紅外波段探測能力的要求
發明內容
本發明的技術解決問題克服了現有各種波前傳感器對陣列光電探測器的依賴， 提供一種具備高速、微光和紅外探測能力的基於二元光強調製和非陣列光電探測器的波前傳感器及其探測方法，。本發明提出的自適應光學系統波前傳感器由二元光強調製器、聚焦透鏡、單模光纖、非陣列光電探測器和計算機組成，基於二元正交像差模式濾波及探測原理，計算機控制二元光強調製器根據各階二元光強調製模式調製入射光光強，聚焦透鏡和單模光纖組成一個二元正交像差模式濾波裝置，聚焦透鏡位於二元光強調製器之後將經過調製後的反射光會聚進入其後的單模光纖，單模光纖對光波進行選模濾波，非陣列光電探測器的探測與二元光強調製器的調製同步，當二元光強調製器完成一次調製後，非陣列光電探測器在單模光纖另一端探測從單模光纖出射光的光強大小信息並交由計算機處理，重構波前。本發明的原理目前用Zernike多項式展開相位的方式已經被廣泛接受和應用， Zernike多項式低階項與常見的像差形式比較吻合，且具有正交性和完備性。但是krnike 多項式展開並不是相位展開的唯一方式。本發明用只含{_1，+1} 二值的二元正交像差模式展開波前相位，得到相位關於二元正交像差模式的開展式。用4-(11W1)/2轉換式將各階二元正交像差模式W1轉換為各階二元光強調製模式^，二元光強調製器根據各階二元光強調製模式調製入射光光強，二元正交模式濾波器濾除相位中二元正交像差模式基模之外的成份，非陣列光電探測器探測經過調製濾波後光波光強大小，根據濾波後光強與各階二元正交像差模式係數之間的關係，聯立方程組求解各階二元正交像差模式係數，進而用二元正交像差模式重構待測波前。所述的二元正交像差模式為Walsh轉換矩陣函數，在圓域上具有完備性和正交性，每一階模式為只含{-1，+1} 二值的矩陣。所述的二元光強調製器採用數字微鏡裝置(DMD)，主要由許多微小的反射鏡陣列組成，微鏡陣列可達1280X IOM，每個微鏡與二元光強調製模式矩陣的元素一一對應，可以根據二元光強調製模式精確高速地控制入射光束不同位置的通斷。所述單模光纖與採用的二元正交像差函數即Walsh轉換矩陣函數序列相匹配，濾除波前相位中二元正交像差函數基模之外的成份。所述的非陣列光電探測器為各種類型二極體，根據實際應用場合對探測速度、頻段和響應靈敏度的需要選取。本發明還提出的自適應光學系統波前探測方法，主要包括以下步驟步驟一，根據Walsh轉換矩陣函數序列定義產生各階Walsh函數，並根據轉換公式生成各階二元光強調製模式矩陣；步驟二，從第0階開始依次向數字微鏡裝置輸出各階二元光強調製模式，控制數字微鏡裝置產生各階二元光強調製樣式；步驟三，非陣列光電探測器探測光波經過每次調製濾波後的光強大小，並將數據傳給計算機；步驟四，計算機利用調製濾波後光強大小與原始光波波前中各階Walsh函數係數之間的非線性關係，求解各階Walsh函數係數，並用Walsh函數序列重構波前像差。本發明與現有技術相比有如下優點本發明以二元正交像差函數模式濾波為核心，採用二元光強調製器調製入射光波，利用非陣列光電探測器探測光強，將複雜的二維波前探測問題通過一維光強探測實現，迴避了對陣列光電探測器的依賴；與陣列光電探測器相比，非陣列光電探測器在探微光能力、探測頻譜範圍、價格、製造難度等方面都具有巨大的優勢，因此本發明能夠同時滿足高頻、微光和紅外波前探測需求。


圖1為本發明自適應光學系統前傳感器結構示意圖；圖2為本發明使用的二元正交像差模式——Walsh轉換矩陣函數示意圖；圖3為本發明二元光強調製器採用的二元光強調製模式；圖4為本發明理論的計算機仿真結果具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。如圖1所示，為本發明提出的一種自適應光學系統波前傳感器，包括DMD 2、聚焦透鏡3、單模光纖4、光電二極體5和計算機6，基於二元正交像差模式濾波及探測原理，當待測波前1入射時，計算機6控制DMD 2根據各階二元光強調製模式調製待測波前1的光強，聚焦透鏡3和單模光纖4組成一個二元正交像差模式濾波裝置，聚焦透鏡3位於DMD 2 之後將經過調製後的反射光會聚進入其後的單模光纖4，單模光纖4對光波進行選模濾波， 光電二極體5在單模光纖4另一端探測從單模光纖4出射光的光強大小信息交由計算機6 處理，重構波前。本發明提出的二元光強調製模式濾波數學模型推導如下用Zernike多項式展開波前相位是目前最普遍的相位展開方式
權利要求
1.一種自適應光學系統波前傳感器，其特徵在於包括二元光強調製器O)、聚焦透鏡 (3)、單模光纖G)、非陣列光電探測器( 和計算機(6)，其中，計算機(6)控制二元光強調製器( 根據各階二元光強調製模式調製入射光(1)的光強，聚焦透鏡C3)位於二元光強調製器( 之後，聚焦透鏡C3)和單模光纖(4)組成二元正交像差模式濾波裝置，經過調製的入射光(1)聚焦透鏡C3)會聚進入單模光纖G)，單模光纖(4)對該光波進行選模濾波， 非陣列光電探測器(5)的探測與二元光強調製器O)的調製同步，當二元光強調製器(2) 完成一次調製後，非陣列光電探測器( 在單模光纖的另一端探測從單模光纖出射的光強大小信息並交由計算機處理，重構波前。
2.根據權利要求書1所述的自適應光學系統波前傳感器，其特徵在於所述的二元光強調製模式由Walsh轉換矩陣函數序列轉換得到，計算機根據定義先產生各階二元正交矩陣函數——Walsh轉換矩陣函數，並利用轉換公式乙=(l+Wi)/〗，將只含{+1，-1} 二值的各階 Walsh函數W1轉換為各階二元光強調製模式&，每階二元光強調製模式矩陣τ、均只含{1， 0} 二值，矩陣中每個元素與數字微境裝置每個微鏡一一對應，每個微境根據對應矩陣元素取值是「 1」或「0」，控制光強的「通」或「斷」。
3.根據權利要求書1或2所述的自適應光學系統波前傳感器，其特徵在於所述的二元光強調製器O)為數字微鏡裝置，主要由微鏡陣列構成，解析度為1280 X IOM，其光強調製速度不小於10萬赫茲。
4.根據權利要求書1所述的自適應光學系統波前傳感器，其特徵在於所述的非陣列光電探測器(5)探測速度不小於IGHz的光強信息探測元件，探測頻譜範圍從深紫外至遠紅外。
5.根據權利要求1或4所述的自適應光學系統波前傳感器，其特徵在於所述非陣列光電探測器(5)為普通光電二極體、光電三極體或雪崩光電二極體。
6.一種自適應光學系統波前探測方法，包括以下步驟步驟一，根據Walsh轉換矩陣函數序列定義產生各階Walsh函數，並根據轉換公式生成各階二元光強調製模式矩陣；步驟二，從第0階開始依次向數字微鏡裝置輸出各階二元光強調製模式，控制數字微鏡裝置產生各階二元光強調製樣式；步驟三，非陣列光電探測器探測光波經過每次調製濾波後的光強大小，並將數據傳給計算機；步驟四，計算機利用調製濾波後光強大小與原始光波波前中各階Walsh函數係數之間的非線性關係，求解各階Walsh函數係數，並用Walsh函數序列重構波前像差。
全文摘要
本發明提出了一種自適應光學系統波前傳感器及其探測方法，基於二元正交像差模式濾波及探測原理，計算機控制二元光強調製器根據各階二元光強調製模式調製入射光光強，聚焦透鏡和單模光纖組成一個二元正交像差模式濾波裝置，聚焦透鏡位於二元光強調製器之後，入射光經過調製後被透鏡會聚進入其後的單模光纖，單模光纖對光波進行選模濾波，非陣列光電探測器的探測與二元光強調製器的調製同步，當二元光強調製器完成一次調製後，非陣列光電探測器在單模光纖另一端探測從單模光纖出射的光強大小信息並交由計算機處理，重構波前。本發明結合非陣列光電探測器探測速率快、靈敏度高、探測頻段寬等優勢，適用於高頻、微光和紅外等需求下的天文波前探測。
文檔編號G01J9/00GK102288305SQ20111019951
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者劉文勁, 楊平, 王帥, 許冰 申請人:中國科學院光電技術研究所