自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置的製作方法

2023-08-05 18:43:26

專利名稱：：自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種自適應光學系統中波前傳感器與波前校正器位置失配測量和對準系統。
背景技術：
：在自適應光學系統中，波前校正器和波前傳感器位置需要滿足光學對應關係，而波前傳感器和波前校正器為兩個獨立的器件，二者的相對平移和旋轉都將不同程度的改變這種關係，影響自適應光學系統的波前校正能力。在實際的自適應光學系統工作過程中，一旦二者位置發生失配後，我們將通過手動的方式對其進行調整，然而這種對準方法缺乏準確的對準依據，對準精度無法得到保證。同時，傳統的對準方式也限制了自適應光學技術的應用領域和應用規模的擴大，如慣性約束聚變(ICF)裝置中，需要多套自適應光學系統對畸變光束進行波前校正。在這種前提下，自適應光學系統的波前校正能力受到限制，人工對準波前傳感器與波前校正器增加人力成本的同時，也大大降低了系統的執行效率，成為自適應光學系統大規模應用的限制，因此，有必要建立基於自適應光學系統的波前傳感器和波前校正器之間位置失配的精確測量和準確對準的裝置，從而實現波前傳感器與波前校正器的精確自動對準，對自適應光學的發展具有重要意義。
發明內容本發明的裝置解決問題是克服現有的人工對準自適應光學系統中波前傳感器與波前校正器存在的精度低、智能化程度不高等不足，提供一種可準確測量自適應光學系統中波前傳感器和波前校正器位置失配誤差並實現二者精確對準的對準裝置，位置誤差的測量包括波前傳感器與波前校正器沿水平和豎直方向的平移失配誤差和波前傳感器繞波前校正器中心的旋轉失配誤差，通過平移臺控制器和電控平移臺移動和旋轉波前傳感器位置，準確對準波前傳感器與波前校正器，實現波前傳感器與波前校正器智能化、精確對準的同時，提高自適應光學系統的校正能力。本發明的技術解決方案自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特點在於計算機、波前校正器、波前傳感器、電控平移臺、波前記錄器、位置失配評估器和平移臺控制器；計算機通過給波前校正器多個獨立單元施加電壓的方式標記波前校正器的位置，利用波前傳感器自身的波前探測能力和波前記錄器分別探測和記錄各獨立單元的標記後引起的波前面形分布或波前斜率分布，通過位置失配評估器按照(7)式或(8)式計算各標記的中心位置。若波前探測器採用幹涉儀，其探測到的標記後的波前校正器的波前面形分布設為小(m，n)，m=1，2，…，M，n=1，2，…，N,(M，N)為幹涉儀有效探測單元的行數和列數，小(m,n)為第m行、第n列的相位值，則各被標記獨立驅動單元的中心位置採用(7)式計算5formulaseeoriginaldocumentpage6(7)式中，(x(ffl,n),y(ffl,n))表示第m行、第n列位置處的坐標值，(x0,y0)為被標記獨立驅動單元的中心位置，k為權重因子，在實際中，從測量穩定性、測量精度以及算法的抗噪能力等方面確定k的取值，通常取13。若波前探測器採用哈特曼波前傳感器，其探測到的標記後的波前校正器沿x方向和沿丫方向的波前斜率分布分別設為&「)，。,…。1,2,…，C，p=1，2，…，P，(C，P)為哈特曼波前傳感器有效子孔徑的行數和列數，gx(。,p)，gy(c,p)分別為第c行、第P列沿x方向和沿y方向的斜率值，各被標記單元的中心位置採用(8)式計算CPformulaseeoriginaldocumentpage6(8)式中，(x0,y0)為標記獨立單元的中心位置，(X(。,p)，y(。,p))表示第c行、第p列位置處的坐標值，1為指數因子，在實際中，從測量穩定性、測量精度以及算法的抗噪能力等方面確定1的取值，通常取13。設波前校正器被標記獨立驅動單元數為(>2)，第i號被標記驅動單元的理論中心位置設為UmyJ，1彡i彡rv則根據公式(7)式或公式⑶計算得到的第i號被標記驅動單元測量中心位置表示為(Xi，yi)，1彡i彡rv則波前傳感器與波前校正器沿水平和豎直方向的平移位置失配AX、Ay以及波前傳感器與波前校正器中心的旋轉位置失配A6可以採用(9)式進行計算formulaseeoriginaldocumentpage7formulaseeoriginaldocumentpage7(9)式中，Κχ，Ky為與波前校正器被標記獨立單元理論坐標位置(Xtli，y0i),1^i^n0有關的常數，Δθk,」為第k個標記獨立驅動單元中心位置(xk，yk)與第j個標記獨立驅動單元中心位置(Xj，yj)組成的直線Lkj與對應理論中心位置組成的直線Ltlkj之間的夾角，它們的計算公式分別如(10)式所示formulaseeoriginaldocumentpage7最終，位置失配評估器計算出波前傳感器與波前校正器位置失配評估指標，即波前傳感器與波前校正器沿水平方向平移位置失配ΔΧ、沿豎直方向平移位置失配Ay和波前傳感器繞波前校正器中心旋轉失配Δθ；位置失配評估器將所述的位置失配數據輸出到平移臺控制器中，最後由平移臺控制器發送平移和旋轉命令控制平移和旋轉相對獨立的電控平移臺對波前傳感器進行位置調整，實現波前傳感器與波前校正器的精確智能對準，達到提高自適應光學系統波前校正能力的目的。所述的平移臺控制器可以根據電動平移臺的機械結構特徵進行算法解耦，並一次性完成對平移臺的控制，實現波前傳感器和波前校正器的精確對準；也可以將位置失配評估器輸出的位置失配數據反饋到平移臺控制器中對波前傳感器進行閉環控制，使波前傳感器與波前校正器逐步實現對準。所述的平移臺控制器可以根據電動平移臺的機械結構特徵進算法解耦的過程為(11)式所示算法Αθ'=ΑΘformulaseeoriginaldocumentpage7其中，Δθ、ΔΧ、Ay分別為波前傳感器繞波前校正器中心旋轉失配誤差、波前傳感器與波前校正器沿水平和豎直方向平移失配誤差；(X。，yc)為波前傳感器與波前校正器理想對準情況下調整機構旋轉中心位置坐標；Δθ『、ΔΧ'、Ay'分別為解耦後調整機構旋轉角度、沿水平和豎直方向平移調整量。所述的波前傳感器與波前校正器閉環對準過程為位置失配評估器將位置失配數據反饋到平移臺控制器中，平移臺控制器評估該位置失配大小是否滿足精度要求，如果滿足精度要求則停止波前傳感器的位置調整，否則根據位置失配數據繼續控制電控平移臺調整波前傳感器的位置，形成波前傳感器和波前校正器位置的閉環控制，逐步實現波前傳感器與波前校正器的準確對準，判決條件如(12)式表示formulaseeoriginaldocumentpage8,繼續閉環(12)式中，Δχ、Ay和Δθ分別為波前傳感器與波前校正器沿水平、豎直方向的平移位置失配以及波前傳感器繞波前校正器中心旋轉位置失配，α、β、《9分別表示自適應光學系統對波前傳感器和波前校正器沿水平、豎直方向的平移失配調整的精度要求和波前傳感器繞波前校正器中心旋轉位置失配的精度要求。所述的波前傳感器為哈特曼波前傳感器或幹涉儀。所述的波前校正器為獨立單元連續表面變形鏡、或獨立單元分立表面變形鏡、或液晶校正器。所述的波前記錄器和位置失配評估器可以採用單獨的計算機實現，也可以集成在工控計算機中。所述的波前校正器採用ΡΖΤ、或ΡΜΝ、或液晶材料製成。本發明與現有技術相比有如下優點(1)本發明採用在波前校正器上做標記的方法，利用波前傳感器自身的波前探測能力，充分利用了自適應光學系統現有系統設備，波前記錄器和位置失配評估器也容易集成到現有的計算機系統中，無需增加額外的光學設備。(2)本發明採用了在波前校正器上做標記的方法標記波前校正器位置，並以此計算波前傳感器與波前校正器位置失配誤差，測量結果具有客觀性，提高波前傳感器與波前校正器位置失配誤差測量的精確度。(3)本發明採用數據採集、處理和控制於一體的對準裝置，系統可以在無人值守的情況下智能化運行，在保證波前傳感器與波前校正器對準精度的同時，提高了對準效率，也便於自適應光學系統與母系統的集成，使自適應光學系統的大規模應用成為可能。(4)本發明可以採用閉環控制的方法，能在沒有電動平移臺詳細參數、或電控平移臺的平移和旋轉精度不高的條件下，根據波前傳感器的反饋數據逐步控制電控平移臺，達到對準波前傳感器和波前校正器的目的，降低對電控平移臺的設計要求。(5)本發明算法簡單，無需經過複雜的運算，對系統資源要求不高。圖1為本發明的原理示意圖。具體實施例方式如圖1所示，本發明實施例包括計算機1、波前校正器2(採用獨立單元連續表面變形鏡、或獨立單元分立表面變形鏡、或液晶校正器)、波前傳感器3(採用哈特曼波前傳感器或幹涉儀)、電控平移臺4、波前記錄器5、位置失配評估器6和平移臺控制器7；計算機通過給波前校正器中的多個獨立驅動單元施加電壓方式標記波前校正器的位置，波前傳感器探測到波前校正器中各獨立驅動單元被標記後引起的波前面形分布或波前斜率分布，通過波前記錄器記錄後送位置失配評估器，位置失配評估器按照下述公式(13)或公式(14)計算出波前校正器中各被標記的獨立驅動單元的中心位置；若波前探測器採用幹涉儀，其探測到的標記後的波前校正器的波前面形分布設為Φ(m，n)，m=1，2，…，Μ，η=1，2，…，N，(Μ,N)為幹涉儀有效探測單元的行數和列數，Φ(m,η)為第m行、第η列的相位值，則各被標記單元的中心位置採用(13)式計算formulaseeoriginaldocumentpage9(13)(13)式中，(x(ffl,n),y(ffl,n))表示第m行、第η列位置處的坐標值，(X(l，y0)為被標記獨立單元的中心位置，k為權重因子，在實際中，從測量穩定性、測量精度以及算法的抗噪能力等方面確定k的取值，通常取廣3。若波前探測器採用哈特曼波前傳感器，其探測到的標記後的波前校正器沿χ方向和沿丫方向的波前斜率分布分別設為&「)，。,…。=1,2,…，C，ρ=1，2，…，P，(C，P)為哈特曼波前傳感器有效子孔徑的行數和列數，gx(。,p)，gy(c,p)分別為第c行、第P列沿χ方向和沿y方向的斜率值，各被標記單元的中心位置採用(14)式計算formulaseeoriginaldocumentpage9formulaseeoriginaldocumentpage9(14)式中，(XQ，yQ)為標記獨立單元的中心位置，(x(。,p)，y(。,p))表示第c行、第P列位置處的坐標值，1為指數因子，在實際中，從測量穩定性、測量精度以及算法的抗噪能力等方面確定1的取值，通常取廣3。設波前校正器被標記單元數為Iitl(n0彡2)，根據(13)式或(14)式計算得到的各標記驅動單元中心位置分別表示為(Xi，yi)IV各標記驅動單元的理論中心位置設為(x0i;y0i)a^i彡IV則波前傳感器與波前校正器沿水平和豎直方向的平移位置失配ΔΧ、Ay以及波前傳感器與波前校正器中心的旋轉位置失配△θ可以採用(15)式進行計算formulaseeoriginaldocumentpage10(15)式中，Kx,Ky為與波前校正器被標記獨立單元理論坐標位置(Xtli，y0i),1^i^n0有關的常數，Δθk,」為第k個標記驅動器中心位置(xk，yk)與第j個標記驅動器中心位置(Xi，Yi)組成的直線Lkj與對應理論中心位置組成的直線Ltlkj之間的夾角，它們的計算公式分別如(16)式所示formulaseeoriginaldocumentpage10最終，位置失配評估器6輸出波前傳感器3與波前校正器2位置失配評估指標波前傳感器與波前校正器沿水平方向平移位置失配ΔΧ、沿豎直方向平移位置失配Ay和波前傳感器繞波前校正器中心旋轉失配Δθ。位置失配評估器6將位置失配數據輸出到平移臺控制器7中，平移臺控制器7根據電控平移臺4的結構特徵進行算法解耦，如(17)式所示formulaseeoriginaldocumentpage10其中，Δθ、Δχ、Ay分別為波前傳感器繞波前校正器中心旋轉失配誤差、波前傳感器與波前校正器沿水平和豎直方向平移失配誤差；(χ。，yc)為波前傳感器與波前校正器理想對準情況下調整機構旋轉中心位置坐標；Δθ'、ΔΧ'、Ay'分別為解耦後調整機構旋轉角度、沿水平和豎直方向平移調整量。最後由平移臺控制器7發送平移和旋轉命令一次性完成波前傳感器的位置調整，實現波前傳感器與波前校正器的精確、智能對準，達到提高自適應光學系統波前校正能力的目的。為了降低對準系統對電控平移臺4的結構參數和調整精度要求，位置失配評估器6將位置失配數據反饋到平移臺控制器7中，平移臺控制器7評估該位置失配大小是否滿足精度要求，如果滿足精度要求則停止波前傳感器3的位置調整，否則根據位置失配數據繼續控制電控平移臺4調整波前傳感器3的位置，形成波前傳感器3和波前校正器2位置的閉環調整，逐步實現波前傳感器3與波前校正器2的準確對準。判決條件如(18)式表示|Δχ<α且Ay<停止閉環|&>或鈔>々或Δ沒>>9,繼續閉環(18)(18)式中，Δχ、Ay和Δθ分別為波前傳感器與波前校正器沿水平、豎直方向的平移位置失配以及波前傳感器繞波前校正器中心旋轉位置失配，α、β、<9分別表示自適應光學系統對波前傳感器和波前校正器沿水平、豎直方向的平移失配調整的精度要求和波前傳感器繞波前校正器中心旋轉位置失配的精度要求，其值大小與自適應光學系統的系統結構、光路中像差大小和像差類型有關，可以事先計算得到，具體做法參考文獻「兩種自適應光學系統中哈特曼波前傳感器與變形鏡的對準誤差」，光學學報，2003(6):750-755。在方案實際實施中，由於位置失配評估器6需要根據波前校正器2被標記獨立單元加電壓後引起的波前面形分布或波前斜率分布來計算波前校正器2與波前傳感器之間的位置失配，因此，波前傳感器需能夠測量鏡面面形分布或斜率分布，通常使用哈特曼波前傳感器或幹涉儀；而標記波前校正器位置需要獨立單元，因此在實際中常採用獨立單元分離表面變形鏡、或獨立單元連續表面變形鏡、或液晶校正器，材料通常為ΡΖΤ、或ΡΜΝ、或液曰曰曰ο本發明能夠準確對準波前傳感器與波前校正器的位置，大大提高兩者對準精度和對準效率，保證自適應系統的波前控制能力，對於自適應光學技術應用領域和規模的擴大具有重要意義。本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。權利要求自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於包括計算機、波前校正器、波前傳感器、電控平移臺、波前記錄器、位置失配評估器和平移臺控制器；計算機通過給波前校正器中的多個獨立驅動單元施加電壓方式標記波前校正器的位置，波前傳感器探測到波前校正器中各獨立驅動單元被標記後引起的波前面形分布或波前斜率分布，通過波前記錄器記錄後送位置失配評估器，位置失配評估器按照下述公式(1)或公式(2)計算出波前校正器中各被標記的獨立驅動單元的中心位置；若波前探測器採用幹涉儀，幹涉儀探測到的標記後的波前校正器的波前面形分布設為φ(m，n)，m＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N，(M，N)為幹涉儀有效探測單元的行數和列數，φ(m，n)為第m行、第n列的相位值，則各被標記獨立驅動單元的中心位置採用(1)式計算x0=m=1Mn=1Nx(m,n)|(m,n)|km=1Mn=1N|(m,n)|k,y0=m=1Mn=1Ny(m,n)|(m,n)|km=1Mn=1N|(m,n)|k---(1)(1)式中，(x(m，n)，y(m，n))表示第m行、第n列位置處的坐標值，(x0，y0)為被標記的獨立驅動單元的中心位置，k為權重因子；若波前探測器採用哈特曼波前傳感器，哈特曼波前傳感器探測到的標記後的波前校正器沿x方向和沿y方向的波前斜率分布分別為gx(c，p)，gy(x，p)，c＝1，2，…，C，p＝1，2，…，P，(C，P)為哈特曼波前傳感器有效子孔徑的行數和列數，gx(c，p)，gy(c，p)分別為第c行、第p列沿x方向和沿y方向的斜率值，各被標記的獨立驅動單元的中心位置採用(2)式計算x0=c=1Cp=1Px(c,p)|gx(c,p)|lc=1Cp=1P|gx(c,p)|l,y0=c=1Cp=1Py(c,p)|gy(c,p)|lc=1Cp=1P|gy(c,p)|l---(2)(2)式中，(x0，y0)為被標記獨立驅動單元的中心位置，(x(c，p)，y(c，p))表示第c行、第p列位置處的坐標值，l為指數因子；設波前校正器被標記獨立驅動單元數為n0(n0≥2)，第i號被標記驅動單元的理論中心位置設為(x0i，y0i)1≤i≤n0，而根據公式(1)式或公式(2)計算得到的第i號被標記驅動單元測量中心位置表示為(xi，yi)，1≤i≤n0，則波前傳感器(3)與波前校正器(1)沿水平和豎直方向的平移位置失配Δx、Δy以及波前傳感器與波前校正器中心的旋轉位置失配Δθ採用(3)式進行計算x=Kx-i=1n0xi/n0y=Ky-i=1n0yi/n0=2k=2n0j=1k-1k,jn0(n0-1)---(3)(3)式中，Kx，Ky為與波前校正器被標記獨立單元理論坐標位置(x0i，y0i)，1≤i≤n0有關的常數，Δθk，j為第k個標記獨立驅動單元中心位置(xk，yk)與第j個標記獨立驅動單元中心位置(xj，yk)組成的直線Lkj與對應理論中心(xk，yk)位置組成的直線L0kj之間的夾角，Kx，Ky與Δθk，j的計算公式分別如(4)式所示Kx=i=1n0x0i/n0Ky=i=1n0y0i/n0k,j=arctan[(y0j-y0k)(xj-xk)-(yj-yk)(x0-x0k)(x0j-x0k)(xj-xk)+(y0j-y0k)(yj-yk)]---(4)最終，位置失配評估器計算出波前傳感器與波前校正器位置失配評估指標，即波前傳感器與波前校正器沿水平方向平移位置失配Δx、沿豎直方向平移位置失配Δy和波前傳感器繞波前校正器中心旋轉失配Δθ；位置失配評估器將所述的位置失配數據輸出到平移臺控制器中，最後由平移臺控制器發送平移和旋轉命令控制平移和旋轉相對獨立的電控平移臺對波前傳感器進行位置調整，實現波前傳感器與波前校正器的精確智能對準，達到提高自適應光學系統波前校正能力的目的。2.根據權利要求1所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的平移臺控制器可以根據電動平移臺的機械結構特徵進行算法解耦，並一次性完成對平移臺的控制，實現波前傳感器和波前校正器的精確對準；也可以將位置失配評估器輸出的位置失配數據反饋到平移臺控制器中對波前傳感器進行閉環控制，使波前傳感器與波前校正器逐步實現對準。3.根據權利要求2所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的平移臺控制器根據電動平移臺的機械結構特徵進行解耦的算法為(5)式所示算法formulaseeoriginaldocumentpage3其中，Ae、AX、Ay分別為波前傳感器繞波前校正器中心旋轉失配誤差、波前傳感器與波前校正器沿水平和豎直方向平移失配誤差；(x。，yc)為波前傳感器與波前校正器理想對準情況下調整機構旋轉中心位置坐標；Ae『、AX'、Ay'分別為解耦後調整機構旋轉角度、沿水平和豎直方向平移調整量。4.根據利要求2所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的波前傳感器與波前校正器閉環對準過程為位置失配評估器將位置失配數據反饋到平移臺控制器中，平移臺控制器評估該位置失配大小是否滿足精度要求，如果滿足精度要求則停止波前傳感器的位置調整，否則根據位置失配數據繼續控制電控平移臺調整波前傳感器的位置，形成波前傳感器和波前校正器位置的閉環控制，逐步實現波前傳感器與波前校正器的準確對準，判決條件如(6)式表示&<且~</且40a或>廣或A沒>9,繼續閉環(6)式中，AX、Ay和A0分別為波前傳感器與波前校正器沿水平、豎直方向的平移位置失配以及波前傳感器繞波前校正器中心旋轉位置失配，a、0、《9分別表示自適應光學系統對波前傳感器和波前校正器沿水平、豎直方向的平移失配調整的精度要求和波前傳感器繞波前校正器中心旋轉位置失配的精度要求。5.根據權利要求1所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的波前傳感器為哈特曼波前傳感器或幹涉儀。6.根據權利要求1所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的波前校正器為獨立單元連續表面變形鏡、或獨立單元分立表面變形鏡、或液晶校正器。7.根據權利要求1所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的波前記錄器和位置失配評估器可以採用單獨的計算機實現，也可以集成在工控計算機中。8.根據權利要求1所述的自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，其特徵在於所述的波前校正器採用PZT、或PMN、或液晶材料製成。全文摘要自適應光學系統中波前傳感器與校正器對準裝置，由波前傳感器、波前記錄器、波前校正器、能夠平移和旋轉的電控平移臺、位置失配評估器、平移臺控制器和計算機組成；通過計算機給波前校正器獨立單元施加電壓的方式標記波前校正器的位置，利用波前傳感器自身的波前探測能力測量波前傳感器與波前校正器之間的位置失配。光束經波前校正器反射後進入波前傳感器，由波前記錄器記錄波前傳感器探測到的波前校正器面形信息，位置失配評估器根據波前記錄器記錄信息計算並輸出位置失配數據到平移臺控制器中，最後由平移臺控制器控制電控平移臺完成對波前傳感器的位置調整。本發明能夠準確對準波前傳感器與波前校正器的位置，大大提高兩者對準精度和對準效率，保證自適應系統的波前控制能力。文檔編號G02B26/06GK101806957SQ20101012143公開日2010年8月18日申請日期2010年3月10日優先權日2010年3月10日發明者楊澤平,顧乃庭,饒長輝,黃林海申請人:中國科學院光電技術研究所