專利名稱：基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，特別是一種基于自參考波前傳感器的連續(xù)表面變形鏡自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)之中，哈特曼波前傳感器的應(yīng)用較為廣泛，而當(dāng)入射的波面口徑增大時(shí)，探測需要增加Shack-Hartmann波前傳感器的子孔數(shù)目，而每個(gè)子孔徑又對(duì)應(yīng)一定數(shù)目的CCD像素?cái)?shù)目，因此在CCD靶面上需要更多的像素，對(duì)CCD相機(jī)提出了較高的要求。在基于自參考波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中CCD靶面上的每個(gè)像素可以看成一個(gè)子孔徑，這樣每個(gè)像素即可直接對(duì)應(yīng)波前的一部分，當(dāng)入射波面口徑增大時(shí)，與Shack-Hartmann波前傳感器相比，可以有效的降低CCD相機(jī)的像素?cái)?shù)，并且有效的提高波前探測的空間分辨率。在基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，連續(xù)表面的變形鏡校正器可以制作成與波前傳感器CCD像素相匹配對(duì)應(yīng)，通過波前探測器到的波前信息作一次波前解纏繞和共軛后，就可以直接控制變形鏡中與CCD像素相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元。在文章“High Order，Reconstructor-Free Adaptive Optics for 6-8meter class Telescopes” Maud Langlois，Roger Angel，MichaelLloyd-Hart，Venice 2001 Beyond Conventional Adaptive Optics中采用了液晶空間調(diào)制器作為波前校正器，但是液晶空間調(diào)制器本身具有光能利用率不高，色散嚴(yán)重，響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，嚴(yán)重的影響了這種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在大氣擾動(dòng)時(shí)的應(yīng)用。因此在本發(fā)明中，其校正器采用了PZT、PMN等材料制作成分離式的就可以很好的克服以上缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光能利用率高，響應(yīng)速度快的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，在該自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，波前探測器采用了基于干涉法的自參考波前傳感器，提升了波面探測的精度和空間分辨率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案之一是基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于由波前校正器，基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器和工控機(jī)組成，光束首先通過波前校正器后，反射進(jìn)入基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器探測到的波前信息經(jīng)過工控機(jī)一次矩陣運(yùn)算后直接輸出控制電壓到波前校正器進(jìn)行閉環(huán)。
所述的波前校正器采用具有較快響應(yīng)速度的獨(dú)立單元的連續(xù)表面變形鏡構(gòu)成。
所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器中，將其中一路光進(jìn)行針孔濾波，濾波后的光束作為參考光束；另一路光路基本不變，作衰減后與參考光束進(jìn)行干涉，得到了兩幅干涉圖像，同時(shí)采用兩個(gè)CCD采集，并同步輸出到工控機(jī)中。
所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前探測器中，可以在參考光路中加入移相器，方便得到多幅干涉圖像進(jìn)行多次探測。
所述的連續(xù)表面變形鏡的單元排列與單元數(shù)目與基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器中的兩個(gè)CCD成像探測器中探測像素排列相匹配，得到的波前信息作一次波前解纏繞和共軛后就可以直接控制變形鏡中與CCD像素相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案之二為基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于由連續(xù)表面變形鏡、基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器和工控機(jī)組成，其中基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器包括第一半透半反鏡、針孔濾波器、全反射鏡、光衰減器、移相器、第一成像探測器和第二成像探測器，像差波面進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過連續(xù)表面變形鏡的反射，進(jìn)入基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，經(jīng)過第一半透半反鏡將波面分為兩束，其中一束作為待探測波前信息源經(jīng)半透半反鏡反射后再經(jīng)全反射鏡反射經(jīng)光衰減器衰減后，至第二半透半反鏡處；同時(shí)透射過第一半透半反鏡的光束經(jīng)過針孔濾波器后產(chǎn)生了參考光束，該參考光束再經(jīng)移相器的反射最后到達(dá)第二半透半反鏡處，兩束光波在第二半透半反鏡處干涉條紋，分別成像于第一成像探測器和第二成像探測器上，此時(shí)相移器不產(chǎn)生相位差，第一成像探測器和第二成像探測器同時(shí)將采集到兩幅干涉圖像輸出到工控機(jī)中，之后使相移器產(chǎn)生一個(gè)π/2的相位差，再將第一成像探測器和第二成像探測器采集的輸出至工控機(jī)中，在兩步移相后得到4幅移相干涉圖，在工控機(jī)中作一次矩陣運(yùn)算后即可得到波前信息，將其共軛后輸出到連續(xù)表面變形鏡中，進(jìn)行閉環(huán)波前校正。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明采用基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，提升了波面探測的精度和空間分辨率。
(2)與傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器相比，自參考波前傳感器成本較低，且可以將波前信息作為獨(dú)立的點(diǎn)源輸出，后續(xù)處理較為方便，與變形鏡單元數(shù)目匹配使用時(shí)，控制算法較為容易。
(3)本發(fā)明的連續(xù)表面變形鏡采用了PZT、PMN等材料制作，與液晶空間調(diào)制器相比，具有較快的響應(yīng)速度，能量利用率較高，色散不大等特點(diǎn)，可以大大提高這種基于干涉波前探測器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校正性能，擴(kuò)大了這種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，并可以在大氣探測時(shí)使用。
(4)光束先通過波前校正器后，反射進(jìn)入基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，探測到的波前信息經(jīng)過工控機(jī)對(duì)波前信息作一次波前解纏繞和共軛后輸出控制量控制波前校正器進(jìn)行閉環(huán)，可以大大提高這種基于干涉波前探測器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校正性能。


圖1為基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，像差波面進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過連續(xù)表面變形鏡10的反射，進(jìn)入基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，經(jīng)過第一半透半反鏡1將波面分為兩束，其中一束作為待探測波前信息源經(jīng)半透半反鏡1反射后再經(jīng)全反射鏡4反射經(jīng)光衰減器5衰減后，至第二半透半反鏡6處；同時(shí)透射過第一半透半反鏡1的光束經(jīng)過針孔濾波器2后產(chǎn)生了參考波面，該參考波前再經(jīng)移相器3的反射最后到達(dá)第二半透半反鏡6處，兩束光波在第二半透半反鏡6處干涉條紋，分別成像于第一CCD探測器7和第二CCD探測器8上。在實(shí)施過程中，第一步相移器不產(chǎn)生相位差，第一CCD探測器7和第二CCD探測器8同時(shí)將采集到兩幅干涉圖像輸出到工控機(jī)9中，之后使相移器3產(chǎn)生一個(gè)π/2的相位差，再將第一CCD探測器7和第二CCD探測器8采集的輸出至工控機(jī)9中，在兩步移相后得到4幅移相干涉圖，設(shè)入射波面為Ub(x,y)=A0(x,y)eiφb(x,y)---(1)]]>其中，A0(x，y)為復(fù)振幅，b(x，y)為入射波面相位，在理想情況下，經(jīng)過參考光路后，波面變?yōu)槠矫娌?，如下Ur(x，y)＝Ar(x，y)eiθ(2)其中，θ為相移器產(chǎn)生的相差，這樣當(dāng)兩束相干經(jīng)過干涉系統(tǒng)后，光再次相遇時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干涉I1(x,y)=Ab2(x,y)+Ar2(x,y)+2Ab2(x,y)Ar2(x,y)cos(φb(x,y)+π-θ)---(3)]]>I2(x,y)=Ab2(x,y)+Ar2(x,y)+2Ab2(x,y)Ar2(x,y)cos(φb(x,y)-θ)---(4)]]>其中，I1(x，y)為第一CCD探測器7上探測的干涉光強(qiáng)，I2(x，y)為第二CCD探測器8上探測的干涉光強(qiáng)，兩路光波相位相差π是由于第一CCD探測器8探測光路中參考光路多經(jīng)歷一次反射當(dāng)θ=0,π2]]>時(shí)，I2(x,y;θ=0)=Ab2(x,y)+Ar2(x,y)+2Ab2(x,y)Ar2(x,y)cos(φb(x,y))---(5)]]>I1(x,y;θ=π2)=Ab2(x,y)+Ar2(x,y)+2Ab2(x,y)Ar2(x,y)cos(φb(x,y)+π2)---(6)]]>I1(x,y;θ=0)=Ab2(x,y)+Ar2(x,y)+2Ab2(x,y)Ar2(x,y)cos(φb(x,y)+π)---(7)]]>I2(x,y;θ=π2)=Ab2(x,y)+Ar2(x,y)+2Ab2(x,y)Ar2(x,y)cos(φb(x,y)+3π2)---(8)]]>得到四步移相光強(qiáng)，由此可以反演得到相位波前φ^b(x,y)=arctan(I2(x,y;θ=π2)-I1(x,y;θ=π2)I2(x,y;θ=0)-I1(x,y,θ=0))---(9)]]>(9)式中 是由反三角函數(shù)arctanθ直接得到的波前信息，由于arctanθ∈(-π，π)需要對(duì)其進(jìn)行解纏繞，設(shè)unwrap()；為解纏繞函數(shù)，則 相位解纏繞，可以采用最小二乘(差分)法，求解一個(gè)滿足Neumann邊界條件的Poisson方程，有多種求解方法，DCT變換，F(xiàn)FT快速傅立葉變換等。
在工控機(jī)中首先計(jì)算好復(fù)原矩陣p-1，探測后的波面矩陣輸入到工控機(jī)9中與復(fù)原矩陣相乘進(jìn)行解纏繞，得到的復(fù)原后的波面矩陣輸出到連續(xù)表面變形鏡10，進(jìn)行閉環(huán)波前校正。
權(quán)利要求
1.基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于由波前校正器，基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器和工控機(jī)組成，光束首先通過波前校正器后，反射進(jìn)入基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器探測到的波前信息經(jīng)過工控機(jī)一次矩陣運(yùn)算后直接輸出控制電壓到波前校正器進(jìn)行閉環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的波前校正器采用具有較快響應(yīng)速度的獨(dú)立單元的連續(xù)表面變形鏡構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器中，將其中一路光進(jìn)行針孔濾波，濾波后的光束作為參考光束；另一路光路基本不變，作衰減后與參考光束進(jìn)行干涉，得到了兩幅干涉圖像，同時(shí)采用兩個(gè)CCD采集，并同步輸出到工控機(jī)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前探測器中，可以在參考光路中加入移相器，方便得到多幅干涉圖像進(jìn)行多次探測。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的連續(xù)表面變形鏡的單元排列與單元數(shù)目與基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器中的兩個(gè)CCD探測器中探測像素排列相匹配，得到的波前信息作一次波前解纏繞和共軛后就可以直接控制變形鏡中與CCD像素相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的連續(xù)表面變形鏡采用PZT、或PMN材料制成。
7.基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于由連續(xù)表面變形鏡、基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器和工控機(jī)組成，其中基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器包括第一半透半反鏡、針孔濾波器、全反射鏡、光衰減器、移相器、第一成像探測器和第二成像探測器，像差波面進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過連續(xù)表面變形鏡的反射，進(jìn)入基于Mach-Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，經(jīng)過第一半透半反鏡將波面分為兩束，其中一束作為待探測波前信息源經(jīng)半透半反鏡反射后再經(jīng)全反射鏡反射經(jīng)光衰減器衰減后，至第二半透半反鏡處；同時(shí)透射過第一半透半反鏡的光束經(jīng)過針孔濾波器后產(chǎn)生了參考光束，該參考光束再經(jīng)移相器的反射最后到達(dá)第二半透半反鏡處，兩束光波在第二半透半反鏡處干涉條紋，分別成像于第一成像探測器和第二成像探測器上，此時(shí)相移器不產(chǎn)生相位差，第一成像探測器和第二成像探測器同時(shí)將采集到兩幅干涉圖像輸出到工控機(jī)中，之后使相移器產(chǎn)生一個(gè)π/2的相位差，再將第一成像探測器和第二成像探測器采集的輸出至工控機(jī)中，在兩步移相后得到4幅移相干涉圖，在工控機(jī)中作一次矩陣運(yùn)算后即可得到波前信息，將其共軛后輸出到連續(xù)表面變形鏡中，進(jìn)行閉環(huán)波前校正。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的連續(xù)表面變形鏡采用PZT、或PMN材料制成。
全文摘要
基于自參考波前傳感器和連續(xù)表面變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，由波前校正器，基于Mach－Zehnder干涉法的自參考波前傳感器和工控機(jī)組成，光束首先通過波前校正器后，反射進(jìn)入基于Mach－Zehnder干涉法的自參考波前傳感器，基于Mach－Zehnder干涉法的自參考波前傳感器探測到的波前信息經(jīng)過工控機(jī)一次矩陣運(yùn)算后直接輸出控制電壓到波前校正器進(jìn)行閉環(huán)。波前校正器采用獨(dú)立單元連續(xù)表面變形鏡有較快的響應(yīng)速度，波前探測器運(yùn)用干涉原理，具有較高的空間分辨率和探測精度，這樣可以極大提高基于干涉波前探測器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校正性能，擴(kuò)大了這種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)越性明顯。
文檔編號(hào)G02B26/06GK101055348SQ20071009970
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者饒長輝, 林衡, 鮮浩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所