專利名稱：一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)信息測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種波前傳感器，特別是基于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(shù)：
典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常由波前傳感器、波前處理機(jī)、波前校正器三部分組成。 其中波前傳感器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心部件，用于探測待校正光波波前像差，然后根據(jù)各種波前重構(gòu)算法進(jìn)行光波波前重構(gòu)，交由之后的波前校正器生成補(bǔ)償量進(jìn)行波前像差校正，從而提高光束質(zhì)量?？梢?，波前傳感器探測性能是提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)和效果的重要前提。目前，適用于各類自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前傳感器的種類很多，例如，發(fā)明名稱為 “光學(xué)波前傳感器”(申請?zhí)?8112210. 8)公開的一種哈特曼波前傳感器(HS)，發(fā)明名稱為“雙光束干涉儀”(申請?zhí)?1109595)公開的一種干涉式波前探測器，“基于krnike相襯法的相襯成像探索”[習(xí)麓弘，李華等.[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2006，(04)]介紹的krnike 相襯技術(shù)，“自適應(yīng)光學(xué)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(xué)技術(shù)，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(fā)明名稱為“一種基于線性相位反演的波前測量方法”(申請?zhí)?200610089149. 7)公開的線性相位反演方法等。這些波前傳感器技術(shù)中，以哈特曼波前傳感器技術(shù)最為成熟，采用最為廣泛。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后的焦面位置，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(qū)域，再利用陣列光電探測器(如CCD相機(jī))測量各個子區(qū)域上遠(yuǎn)場光斑的質(zhì)心偏移量，得到波前斜率，最后利用各種波前復(fù)原算法計算出整個孔徑上的波前相位。由于哈特曼波前傳感器標(biāo)定方便、集成度高，不僅適合于連續(xù)光測量，也能用于脈沖光測量，而且其波前復(fù)原過程可以通過線性矩陣完成，所以能夠方便的采用DSP、FPGA等硬件設(shè)備進(jìn)行處理，實(shí)時性好，因而是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中最常用的波前探測器件。但是，這種波前傳感器由于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(zhǔn)確的光斑質(zhì)心，使得波前傳感器的微光探測能力受到限制，因此，難以應(yīng)用在對微光波前探測性能有很高要求的天文觀測自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域；另外，由于大氣湍流的高速變化，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)要求波前傳感器探測幀頻能達(dá)到上千赫茲， 且擁有紅外波段探測能力，但是現(xiàn)有波前傳感器的光信息探測元件均采用陣列光電探測器，而陣列光電探測器(如CCD相機(jī))現(xiàn)有的技術(shù)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服了現(xiàn)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于二元光強(qiáng)調(diào)制和非陣列光電探測器的波前傳感器及其探測方法，。本發(fā)明提出的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器由二元光強(qiáng)調(diào)制器、聚焦透鏡、單模光纖、非陣列光電探測器和計算機(jī)組成，基于二元正交像差模式濾波及探測原理，計算機(jī)控制二元光強(qiáng)調(diào)制器根據(jù)各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式調(diào)制入射光光強(qiáng)，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，聚焦透鏡位于二元光強(qiáng)調(diào)制器之后將經(jīng)過調(diào)制后的反射光會聚進(jìn)入其后的單模光纖，單模光纖對光波進(jìn)行選模濾波，非陣列光電探測器的探測與二元光強(qiáng)調(diào)制器的調(diào)制同步，當(dāng)二元光強(qiáng)調(diào)制器完成一次調(diào)制后，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(qiáng)大小信息并交由計算機(jī)處理，重構(gòu)波前。本發(fā)明的原理目前用Zernike多項(xiàng)式展開相位的方式已經(jīng)被廣泛接受和應(yīng)用， Zernike多項(xiàng)式低階項(xiàng)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(xiàng)式展開并不是相位展開的唯一方式。本發(fā)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(guān)于二元正交像差模式的開展式。用4-(11W1)/2轉(zhuǎn)換式將各階二元正交像差模式W1轉(zhuǎn)換為各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式^，二元光強(qiáng)調(diào)制器根據(jù)各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式調(diào)制入射光光強(qiáng)，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(jīng)過調(diào)制濾波后光波光強(qiáng)大小，根據(jù)濾波后光強(qiáng)與各階二元正交像差模式系數(shù)之間的關(guān)系，聯(lián)立方程組求解各階二元正交像差模式系數(shù)，進(jìn)而用二元正交像差模式重構(gòu)待測波前。所述的二元正交像差模式為Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)，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(qiáng)調(diào)制器采用數(shù)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(dá)1280X IOM，每個微鏡與二元光強(qiáng)調(diào)制模式矩陣的元素一一對應(yīng)，可以根據(jù)二元光強(qiáng)調(diào)制模式精確高速地控制入射光束不同位置的通斷。所述單模光纖與采用的二元正交像差函數(shù)即Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)序列相匹配，濾除波前相位中二元正交像差函數(shù)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管，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合對探測速度、頻段和響應(yīng)靈敏度的需要選取。本發(fā)明還提出的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前探測方法，主要包括以下步驟步驟一，根據(jù)Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)序列定義產(chǎn)生各階Walsh函數(shù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)換公式生成各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式矩陣；步驟二，從第0階開始依次向數(shù)字微鏡裝置輸出各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式，控制數(shù)字微鏡裝置產(chǎn)生各階二元光強(qiáng)調(diào)制樣式；步驟三，非陣列光電探測器探測光波經(jīng)過每次調(diào)制濾波后的光強(qiáng)大小，并將數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)；步驟四，計算機(jī)利用調(diào)制濾波后光強(qiáng)大小與原始光波波前中各階Walsh函數(shù)系數(shù)之間的非線性關(guān)系，求解各階Walsh函數(shù)系數(shù)，并用Walsh函數(shù)序列重構(gòu)波前像差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明以二元正交像差函數(shù)模式濾波為核心，采用二元光強(qiáng)調(diào)制器調(diào)制入射光波，利用非陣列光電探測器探測光強(qiáng)，將復(fù)雜的二維波前探測問題通過一維光強(qiáng)探測實(shí)現(xiàn)，回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、探測頻譜范圍、價格、制造難度等方面都具有巨大的優(yōu)勢，因此本發(fā)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(fā)明自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)前傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明使用的二元正交像差模式——Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)示意圖；圖3為本發(fā)明二元光強(qiáng)調(diào)制器采用的二元光強(qiáng)調(diào)制模式；圖4為本發(fā)明理論的計算機(jī)仿真結(jié)果具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖1所示，為本發(fā)明提出的一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器，包括DMD 2、聚焦透鏡3、單模光纖4、光電二極管5和計算機(jī)6，基于二元正交像差模式濾波及探測原理，當(dāng)待測波前1入射時，計算機(jī)6控制DMD 2根據(jù)各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式調(diào)制待測波前1的光強(qiáng)，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位于DMD 2 之后將經(jīng)過調(diào)制后的反射光會聚進(jìn)入其后的單模光纖4，單模光纖4對光波進(jìn)行選模濾波， 光電二極管5在單模光纖4另一端探測從單模光纖4出射光的光強(qiáng)大小信息交由計算機(jī)6 處理，重構(gòu)波前。本發(fā)明提出的二元光強(qiáng)調(diào)制模式濾波數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)如下用Zernike多項(xiàng)式展開波前相位是目前最普遍的相位展開方式
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器，其特征在于包括二元光強(qiáng)調(diào)制器O)、聚焦透鏡 (3)、單模光纖G)、非陣列光電探測器( 和計算機(jī)(6)，其中，計算機(jī)(6)控制二元光強(qiáng)調(diào)制器( 根據(jù)各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式調(diào)制入射光(1)的光強(qiáng)，聚焦透鏡C3)位于二元光強(qiáng)調(diào)制器( 之后，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(jīng)過調(diào)制的入射光(1)聚焦透鏡C3)會聚進(jìn)入單模光纖G)，單模光纖(4)對該光波進(jìn)行選模濾波， 非陣列光電探測器(5)的探測與二元光強(qiáng)調(diào)制器O)的調(diào)制同步，當(dāng)二元光強(qiáng)調(diào)制器(2) 完成一次調(diào)制后，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(qiáng)大小信息并交由計算機(jī)處理，重構(gòu)波前。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器，其特征在于所述的二元光強(qiáng)調(diào)制模式由Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)序列轉(zhuǎn)換得到，計算機(jī)根據(jù)定義先產(chǎn)生各階二元正交矩陣函數(shù)——Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)，并利用轉(zhuǎn)換公式乙=(l+Wi)/〗，將只含{+1，-1} 二值的各階 Walsh函數(shù)W1轉(zhuǎn)換為各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式&，每階二元光強(qiáng)調(diào)制模式矩陣τ、均只含{1， 0} 二值，矩陣中每個元素與數(shù)字微境裝置每個微鏡一一對應(yīng)，每個微境根據(jù)對應(yīng)矩陣元素取值是“ 1”或“0”，控制光強(qiáng)的“通”或“斷”。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1或2所述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器，其特征在于所述的二元光強(qiáng)調(diào)制器O)為數(shù)字微鏡裝置，主要由微鏡陣列構(gòu)成，分辨率為1280 X IOM，其光強(qiáng)調(diào)制速度不小于10萬赫茲。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器，其特征在于所述的非陣列光電探測器(5)探測速度不小于IGHz的光強(qiáng)信息探測元件，探測頻譜范圍從深紫外至遠(yuǎn)紅外。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器，其特征在于所述非陣列光電探測器(5)為普通光電二極管、光電三極管或雪崩光電二極管。
6.一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前探測方法，包括以下步驟步驟一，根據(jù)Walsh轉(zhuǎn)換矩陣函數(shù)序列定義產(chǎn)生各階Walsh函數(shù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)換公式生成各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式矩陣；步驟二，從第0階開始依次向數(shù)字微鏡裝置輸出各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式，控制數(shù)字微鏡裝置產(chǎn)生各階二元光強(qiáng)調(diào)制樣式；步驟三，非陣列光電探測器探測光波經(jīng)過每次調(diào)制濾波后的光強(qiáng)大小，并將數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)；步驟四，計算機(jī)利用調(diào)制濾波后光強(qiáng)大小與原始光波波前中各階Walsh函數(shù)系數(shù)之間的非線性關(guān)系，求解各階Walsh函數(shù)系數(shù)，并用Walsh函數(shù)序列重構(gòu)波前像差。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器及其探測方法，基于二元正交像差模式濾波及探測原理，計算機(jī)控制二元光強(qiáng)調(diào)制器根據(jù)各階二元光強(qiáng)調(diào)制模式調(diào)制入射光光強(qiáng)，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，聚焦透鏡位于二元光強(qiáng)調(diào)制器之后，入射光經(jīng)過調(diào)制后被透鏡會聚進(jìn)入其后的單模光纖，單模光纖對光波進(jìn)行選模濾波，非陣列光電探測器的探測與二元光強(qiáng)調(diào)制器的調(diào)制同步，當(dāng)二元光強(qiáng)調(diào)制器完成一次調(diào)制后，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(qiáng)大小信息并交由計算機(jī)處理，重構(gòu)波前。本發(fā)明結(jié)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(yōu)勢，適用于高頻、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(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者劉文勁, 楊平, 王帥, 許冰 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所