一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法
2023-04-29 11:50:26 1
專利名稱：一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量傾斜像差的方法，尤其涉及一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法。
背景技術：
波前相位測量是光學檢測技術、自適應光學技術的核心問題，目前主要通過各類波前傳感器測量波前來解決。其中哈特曼波前傳感器是目前最流行、應用最廣泛的波前傳感器之一。中國專利申請公開說明書(申請號98112210.8，公開號CNl 245904A )公開的一種哈特曼波前傳感器，其實現方式主要採用微透鏡陣列將通光口徑分割成許多子孔徑，入射光波被子孔徑分割成許多子光波，每個子光波均被對應的微透鏡聚焦到光電探測器陣列(如C⑶或CMOS相機)上形成光斑。通過比較帶像差光波入射時的光斑質心相對於標定時平面波入射條件下光斑質心的偏移量，即可求出每個子孔徑內子光波波前的傾斜像差分量，進而根據波前復原算法重構入射波前相位。哈特曼波前傳感器具有一系列優點，比如同時測量兩個方向的波前斜率，光能利用率高，結構簡單，在連續或脈衝光方式下均能工作。隨著哈特曼波前傳感技術的不斷發展，深入的研究工作主要集中在提升精度和提高速度兩個方面。哈特曼波前傳感器的探測速度和測量精度主要由光電探測器陣列性能所決定。為了提高波前測量精度，光斑質心的準確探測必不可少，這就要求每個子孔徑對應的光電探測器陣列像素數儘量多和像素排列儘量細密。但波前探測速度也是波前傳感器的一項重要性能指標，甚至直接決定了其是否能夠應用於某些特定條件下的自適應光學系統中。為提升哈特曼波前傳感器的波前探測速度，就要求子孔徑對應的光電探測器陣列像素數儘量少，從而減少探測的信息量，提高圖像探測幀頻。然而哈特曼波前傳感器本質上是一種斜率型的波前傳感器，在以探測光斑質心偏移計算斜率的機制下，為獲得光斑質心橫縱兩個方向的偏移量，理論上每個子孔徑最少需要對應四個探測單元。該極限情況下雖然能實現較高的波前探測速度，但是探測的精度和動態範圍均已受到很大的限制。因此，如何在提高哈特曼波前傳感器探測速度的同時，保證甚至提升測量精度是一個急需解決的問題。
發明內容
本發明技術解決問題:為了擺脫傳統哈特曼波前傳感器通過光斑質心偏移實現測量子孔徑中傾斜像差的限制，解決哈特曼波前傳感器探測速度提高和測量精度提升之間的矛盾，提供一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，充分減少每個子孔徑對應的探測單元數(甚至只對應單個探測單元)，大大減小探測信息量，實現在單個子孔徑中，用單敏光電探測器代替光電探測器陣列，提高探測速度，降低了器件成本，同時波前探測的精度不受探測單元數減少的影響。為實現所述目的，本發明提供一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，其特徵在於通過以下步驟實現:
步驟1:哈特曼波前傳感器子孔徑中子波前可由Walsh函數序列展開，展開項中第I階Walsh函數係數iV1和第2階Walsh函數係數~'2，與子波前中x方向傾斜像差(第I階Zernike多項式)係數y方向傾斜像差(第2階Zernike多項式)係數αζ2存在一定的比例關係kp k2，可由哈特曼波前傳感器子孔徑排布特徵確定，即有:aZi = Icl.= k2.aW2 ;( I )步驟2:在哈特曼波前傳感器子孔徑範圍內的子光波進入微透鏡之前，分別對其進行第1、第2階Walsh函數二元相位調製，且調製幅度為「_β 」，即調製時相位調製器附加的相位信號為.Wi,其中i取I或2，Wi表示第i階Walsh函數形式。步驟3:調製後的子光波被微透鏡聚焦進入其後的單模光纖進行Walsh函數二元像差選模濾波，單模光纖只讓子光波波前相位展開式(Walsh函數形式展開)中的基模成分(第O階Walsh函數項)通過；步驟4:單敏探測器在單模光纖另一端，接收經過每次調製濾波後最終出射的光強大小，得到三種情況下光強數據山(無調製XI1 (第I階Walsh函數二元相位調製)和I2(第2階Walsh函數二元相位調製)；步驟5:根據Ic^ I1, I2和β，由二元相位調製濾波數學模型，求解得到子孔徑內子波前中第1、2階Walsh函數係數大小為:
權利要求
1.一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，其特徵在於通過以下步驟實現: 步驟1:哈特曼波前傳感器子孔徑中子波前由Walsh函數序列展開，展開項中第I階Walsh函數係數％和第2階Walsh函數係數~2 』與子波前中x方向傾斜像差，即第I階Zernike多項式係數 和y方向傾斜像差，即第2階Zernike多項式係數存在一定的比例關係kp k2，由哈特K波前傳感器子孔徑排布特徵確定，即有:
2.根據權利要求1所述的一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，其特徵在於:所述步驟I中Walsh函數形式與子孔徑具體形狀保持一致，可以是圓域或方域。
3.根據權利要求1所述的一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，其特徵在於:所述步驟I中的比例關係kp k2等於哈特曼波前傳感器全口徑長、寬與子孔徑長、寬之比的相反數，若x、y兩方向全口徑直徑均為D，子孔徑x、y方向寬度分別Sdx、dy，則有式(I)中的比例係數為: Ic1 = -D/dx 和 k2 = -D/dy(3 )。
4.根據權利要求1所述的一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，其特徵在於:所述步驟2中的調製幅度「_β 」取值在(-f，f)。
全文摘要
一種測量哈特曼波前傳感器子孔徑中傾斜像差的方法，用相位調製器分別對子孔徑範圍內的子光波進行第1階、第2階Walsh函數形式二元相位調製，每次調製後的子光波被微透鏡聚焦進入對應的單模光纖選模濾波，單敏探測器在光纖另一端接收無調製、第1階調製和第2階調製三種狀態最終出射的三個光強數據，根據光強數據求得子波前中第1階和第2階Walsh函數係數，利用該兩階Walsh函數與傾斜像差的對應比例關係，得到子孔徑內子波前中對應的兩個方向傾斜像差係數；本發明充分減少每個子孔徑對應的探測單元數，大大減小探測信息量，實現在單個子孔徑中，用單敏光電探測器代替光電探測器陣列，提高探測速度，降低了器件成本，同時波前探測的精度不受探測單元數減少的影響。
文檔編號G01J9/00GK103105235SQ201310030430
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月27日 優先權日2013年1月27日
發明者王帥, 楊平, 許冰, 劉文勁, 雷翔, 晏虎, 董理治, 高源 , 程生毅 申請人:中國科學院光電技術研究所