一種基于模型的無波前探測自適應光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于模型的無波前探測自適應光學系統(tǒng)，包括主控計算機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、高壓放大器、反射變形鏡、聚焦透鏡、光斑探測器、圖像采集卡、波前校正方法組成，待校正的畸變波前由變形反射鏡反射到聚焦透鏡上，經(jīng)聚焦透鏡聚焦在其焦平面上的光斑探測器上，主控計算機把經(jīng)過波前校正方法運算得到的控制信號輸出到高壓放大器，該信號再經(jīng)高壓放大器放大，施加到變形反射鏡的各個驅(qū)動器上，使變形鏡反射鏡產(chǎn)生與待測波前方向相反的變形量，最終校正入射光束波前的各種像差。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，收斂速度快，易于實現(xiàn)且應用范圍更廣。
【專利說明】一種基于模型的無波前探測自適應光學系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新的自適應光學系統(tǒng)，特別是一種基于模型的無波前探測自適應光學系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光學系統(tǒng)中存在的各種靜態(tài)和動態(tài)像差嚴重影響了光學系統(tǒng)的性能。自適應光學技術(shù)是改善光學成像系統(tǒng)的分辨能力和激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量的有力手段。目前已在天文成像、激光傳輸、工業(yè)和醫(yī)學成像等領(lǐng)域得到了應用。
[0003]常規(guī)自適應光學系統(tǒng)由波前傳感器、波前控制器和波前校正器三個部分組成。波前傳感器的存在使得整個自適應光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，成本昂貴，其應用領(lǐng)域很難得到拓展和普及。在波前信息無法測量的應用環(huán)境中，如大氣激光通信、激光腔內(nèi)像差校正、擴展目標成像等，該類系統(tǒng)使用受限。
[0004]相比常規(guī)自適應光學技術(shù)，無波前探測自適應光學系統(tǒng)不再需要波前探測環(huán)節(jié)，因而系統(tǒng)復雜性大大降低，且有著比常規(guī)自適應光學技術(shù)更為廣泛的應用空間，如上述波前無法測量的環(huán)境。但是現(xiàn)有的無波前探測自適應光學系統(tǒng)大都采用各種盲優(yōu)化算法作為系統(tǒng)控制算法，如遺傳算法、粒子群算法、隨機并行梯度下降算法或模擬退火算法，這類系統(tǒng)稱為無模型優(yōu)化自適應光學系統(tǒng)。收斂速度慢是無模型優(yōu)化自適應光學系統(tǒng)的最大缺陷，難以用于實時像差校正系統(tǒng)，僅適用于對時間沒有要求的應用場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復雜、成本高和在某些場合難以應用的不足，以及現(xiàn)有無波前探測自適應光學系統(tǒng)收斂速度慢等問題，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、收斂速度快、易于實現(xiàn)且應用范圍更廣的新型無波前探測自適應光學系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種基于模型的無波前探測自適應光學系統(tǒng)，其特點是:包括主控計算機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、高壓放大器、反射變形鏡、聚焦透鏡、光斑探測器、圖像采集卡、波前校正方法組成，待校正的畸變波前由變形反射鏡反射到聚焦透鏡上，經(jīng)聚焦透鏡聚焦在其焦平面上的光斑探測器上，主控計算機把經(jīng)過波前校正方法運算得到的控制信號輸出到高壓放大器，該信號再經(jīng)高壓放大器放大，施加到變形反射鏡的各個驅(qū)動器上，使變形鏡反射鏡產(chǎn)生與待測波前方向相反的變形量，最終校正入射光束波前的各種像差。
[0007]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述的波前校正方法的優(yōu)選具體實現(xiàn)步驟如下:
(O定義一組表征波前像差的Zernike多項式或者K-L多項式基函數(shù)；計算各階Zernike像差x分量、y分量的梯度二階矩，并求逆，記為P ；
(2)由光斑探測器測量待校正像差的遠場光強，經(jīng)圖像采集卡讀入到主控計算機，以質(zhì)心為中心截取JfxM大小的像面，并計算截取部分的像面光強之和，記為晃，M取值范圍為10-20倍衍射極限；(3)利用Zernike或者K-L各階模式與變形鏡影響函數(shù)之間的關(guān)系得到各階模式對應的變形鏡驅(qū)動器控制信號，再經(jīng)高壓放大器放大施加到變形鏡各驅(qū)動器，從而將各階Zernike或者K-L像差轉(zhuǎn)換為變形鏡面形，將各階Zernike或者K-L模式系數(shù)向量記為《 ；
(4)變形鏡產(chǎn)生的各階Zernike或者K-L像差分別與待校正波前疊加，經(jīng)聚焦透鏡聚焦，由放置在聚焦透鏡焦平面上的光斑探測器測量疊加后的波前對應的遠場光斑，再經(jīng)圖像采集卡讀入到主控計算機，以質(zhì)心為中心截取大小的像面，并計算截取部分像面的光強之和，N階Zernike像差對應的光強之和分別記為, N為正整數(shù)；
(5)在主控計算機中，分別將與待測像差光斑之和Je做差運算，得到一及維 向量β
【權(quán)利要求】
1.一種基于模型的無波前探測自適應光學系統(tǒng)，其特征在于:包括主控計算機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、高壓放大器、反射變形鏡、聚焦透鏡、光斑探測器、圖像采集卡、波前校正方法組成，待校正的畸變波前由變形反射鏡反射到聚焦透鏡上，經(jīng)聚焦透鏡聚焦在其焦平面上的光斑探測器上，主控計算機把經(jīng)過波前校正方法運算得到的控制信號輸出到高壓放大器，該信號再經(jīng)高壓放大器放大，施加到變形反射鏡的各個驅(qū)動器上，使變形鏡反射鏡產(chǎn)生與待測波前方向相反的變形量，最終校正入射光束波前的各種像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的波前校正方法的具體實現(xiàn)步驟如下: (O定義一組表征波前像差的Zernike多項式或者K-L多項式基函數(shù)；計算各階Zernike像差x分量、y分量的梯度二階矩，并求逆，記力P ; (2)由光斑探測器測量待校正像差的遠場光強，經(jīng)圖像采集卡讀入到主控計算機，以質(zhì)心為中心截取MxM大小的像面，并計算截取部分的像面光強之和，記為^ , M取值范圍為10-20倍衍射極限； (3)利用Zernike或者K-L各階模式與變形鏡影響函數(shù)之間的關(guān)系得到各階模式對應的變形鏡驅(qū)動器控制信號，再經(jīng)高壓放大器放大施加到變形鏡各驅(qū)動器，從而將各階Zernike或者K-L像差轉(zhuǎn)換為變形鏡面形，將各階Zernike或者K-L模式系數(shù)向量記為》； (4)變形鏡產(chǎn)生的各階Zernike或者K-L像差分別與待校正波前疊加，經(jīng)聚焦透鏡聚焦，由放置在聚焦透鏡焦平面上的光斑探測器測量疊加后的波前對應的遠場光斑，再經(jīng)圖像采集卡讀入到主控計算機，以質(zhì)心為中心截取MxM大小的像面，并計算截取部分像面 的光強之和，N階Zernike像差對應的光強之和分別記為, N為正整數(shù)； (5)在主控計算機中，分別將Z1J21與待測像差光斑之和&做差運算，得到一JV維
V向量0,0二一 ~h ;
Λ_ (6)利用公式F= 得到待校正波前對應的變形鏡各控制器驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號

Iw a經(jīng)高壓放大器放大施加到變形鏡各驅(qū)動器，生成與待測波前方向相反的變形量，疊加到待校正波前； (7 )將校正之后的殘余波前作為待校正波前，重復步驟(2)-(6)直到算法滿足預先設(shè)定的終止條件，所述的終止條件包括一定的迭代次數(shù)或殘余波前對應的遠場光斑光強之和大于一個閾值。
【文檔編號】G02B26/06GK103901617SQ201410154612
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】楊慧珍, 龔成龍, 劉強 申請人:淮海工學院