專利名稱：一種采用分時曝光的哈特曼波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用的哈特曼波前傳感器，特別是一種采用分時曝光的哈特曼波前傳感器。
背景技術(shù)：
哈特曼波前傳感器以其較高的測量實(shí)時性、合適的測量精度等特性，最早應(yīng)用在天文自適應(yīng)光學(xué)中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，哈特曼波前傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、原理直白而作為一種精密的波前測量儀器廣泛應(yīng)用于在鏡面面型檢測、激光參數(shù)診斷、流場CT重建、 人眼像差診斷、光路準(zhǔn)直等方面。哈特曼波前傳感器一般由微透鏡和CC D相機(jī)組成，是一種以波前斜率測量為基礎(chǔ)的波前測量儀器。哈特曼波前傳感器在工作時，微透鏡陣列將被檢測波面分成若干個采樣單元， 這些采樣單元分別由高質(zhì)量透鏡匯聚在分離的焦點(diǎn)上，然后用C⑶相機(jī)接收。每個子孔徑范圍內(nèi)的波前傾斜將造成其光斑的在X和y方向上的位移，光斑的質(zhì)心在X和y方向上的偏離程度反映了對應(yīng)采樣單元波面在兩個方向上的波前斜率。在澤尼克模式波前復(fù)原算法中，復(fù)原波前的澤尼克系數(shù)是通過波前斜率向量與復(fù)原矩陣相乘后得到的， 所以波前斜率向量計(jì)算得越正確，復(fù)原波前的誤差也就越小(Chaohong Li，Hao, Xian, “measuringstatistical error of Shack-Hartmann wavefront sensor with discrete detectorarrays，，，Journal of Lightwave Technology, 2007)。哈特曼波前傳感器作為一種精密的波前測量儀器時，受到噪聲的影響，測量得到的光斑質(zhì)心的帶有誤差，一般可以通過提高光斑信噪比的方法來提高光斑質(zhì)心測量的精度 (姜文漢，鮮浩，沈鋒“夏克-哈特曼波前傳感器的探測誤差”，量子電子學(xué)報(bào)，1998)，然而受 CCD相機(jī)動態(tài)范圍的限制，當(dāng)入射波前的光功率密度均勻性較差時，在光強(qiáng)較弱的子孔徑內(nèi)，CCD相機(jī)的信噪比較低，根據(jù)該子孔徑內(nèi)光斑的光功率密度計(jì)算得到的光斑質(zhì)心的誤差較大，從而會影響復(fù)原波前的精度。由于有了上述問題的存在，如何提高哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時每個子孔徑內(nèi)光斑的信噪比而CCD相機(jī)又不會局部飽和，從而提高哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時的波前復(fù)原精度，就成為了一個很重要的研究課題。

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，提供一種采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，提高了光斑的質(zhì)心測量精度，使整體波前復(fù)原的精度提高。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于包括分光鏡、光功率密度測量儀、分步采集控制器、微透鏡陣列、CCD相機(jī)、質(zhì)心計(jì)算器和波前復(fù)原器；入射波前經(jīng)分光鏡后分為波前能量測量部分和波前斜率測量部分；波前能量測量部分進(jìn)入光強(qiáng)分布測量儀，波前斜率測量部分經(jīng)微透鏡陣列分割后在CCD相機(jī)處形成光斑陣列；光強(qiáng)分布測量儀測量入射波前的光功率密度并將光功率密度數(shù)據(jù)傳遞給分步采集控制器；分步采集控制器首先根據(jù)入射波前的光功率密度特性和CCD相機(jī)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)對光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個子孔徑集合的曝光時間，分步采集控制器再控制CCD相機(jī)按照每個子孔徑集合的曝光時間分步采集光斑數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳遞給質(zhì)心計(jì)算器，分步采集控制器最后控制質(zhì)心計(jì)算器分步計(jì)算出每個子孔徑集合的光斑質(zhì)心并傳遞給波前復(fù)原器，波前復(fù)原器將質(zhì)心計(jì)算器得到的質(zhì)心排列為質(zhì)心向量后計(jì)算得到入射波前的斜率向量并復(fù)原出入射波前的相位分布。所述分步采集控制器根據(jù)入射波前的光功率密度的特性和CCD相機(jī)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)對光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個子孔徑集合的曝光時間的過程如下首先分步采集控制器計(jì)算微透鏡陣列的單個子孔徑內(nèi)達(dá)到光斑質(zhì)心測量精度時所需最低信噪比要求時入射光能量的最小值Emin和光斑最大值達(dá)到CCD相機(jī)規(guī)定量程時的入射光能量的最大值Emax ;然后將光功率密度測量儀測量得到的光強(qiáng)按微透鏡陣列的排布進(jìn)行分割，對單個子孔徑內(nèi)的光強(qiáng)積分得到子孔徑內(nèi)的入射光功率Pk，k為子孔徑編號；再將每個子孔徑內(nèi)的光能量要求和光功率相除得到曝光時間的下限ttain = Pk/Emax和曝光時間的上= ，將滿足同一曝光時間范圍的子孔徑合并采集，得到每步采集的子孔徑集合及每次采集的子孔徑集合的曝光時間。所述滿足同一曝光時間范圍的子孔徑合并采集過程如下(a)將子孔徑編號k與曝光時間的上限tkmax、曝光時間的下限tkmin對應(yīng)，形成子孔徑編號向量K、曝光時間上限向量Tmax和曝光時間下限向量Tmin ；(b)取出曝光時間上限向量Tmax中最小值tmax的子孔徑編號，并找出曝光時間下限向量Tmin小于tmax的子孔徑編號，形成以tmax為曝光時間的子孔徑集合；(C)將步驟(b)中取出的子孔徑編號從子孔徑編號向量K中取出，并取出曝光時間上限向量Tmax和曝光時間下限向量Tmin中對應(yīng)的tkmax和tkmin值；(d)重復(fù)步驟(b)和(C)，直到所有子孔徑都取出，從而實(shí)現(xiàn)滿足同一曝光時間范圍的子孔徑合并采集。為避免CXD相機(jī)飽和，所述光斑最大值達(dá)到CXD相機(jī)規(guī)定量程不等于CXD相機(jī)的滿量程，根據(jù)實(shí)際情況光斑最大取CCD相機(jī)滿量程的80% 90%。本發(fā)明的原理是在哈特曼波前傳感器內(nèi)部加裝光功率密度測量儀和分步采集控制器來分步控制每個子孔徑曝光的曝光時間和質(zhì)心計(jì)算器分步計(jì)算的子孔徑的質(zhì)心。在分步采集控制器的控制下，對于光強(qiáng)較強(qiáng)的子孔徑，CCD相機(jī)的曝光時間較短，不會達(dá)到飽和； 而對于光強(qiáng)較弱的子孔徑，CCD相機(jī)的曝光時間較長，從而提高了信噪比。為提高哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時的波前復(fù)原精度提供了解決方案。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)傳統(tǒng)基于單次曝光方法的哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時，受限于CCD相機(jī)的動態(tài)范圍，當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)的子孔徑內(nèi)的光斑信號已經(jīng)達(dá)到飽和時，光強(qiáng)較弱的子孔徑內(nèi)的光斑信號的光斑信號還很弱，由于噪聲不可避免地存在于光斑質(zhì)心測量的過程中，所以此時光斑信號弱的子孔徑內(nèi)信噪比較低，降低了光斑的質(zhì)心測量精度，最終導(dǎo)致整體波前復(fù)原的精度降低；而本發(fā)明采用多次分時曝光技術(shù)，即分步采集控制器，這樣分次以不同的曝光時間采集不同光斑的質(zhì)心數(shù)據(jù)，保證了每次采集過程中光斑質(zhì)心計(jì)算的信噪比，提高了光斑質(zhì)心測量的精度，從而提高了整體波前復(fù)原的精度。


圖I為本發(fā)明的分時曝光哈特曼波前傳感器示意圖2為傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器示意圖3為本實(shí)施例中子孔徑排列及編號不意圖4為本實(shí)施例中入射光功率密度直方圖5為本實(shí)施例中每個子孔徑編號對應(yīng)的入射光功率的直方圖6為本實(shí)施例中非均勻光照明下光斑陣列圖像(t = 50ms)；
圖7為本實(shí)施例中被測波前示意圖8為本實(shí)施例中每個子孔徑所需的曝光時間的上下限直方圖9為傳統(tǒng)的單次光斑質(zhì)心采集方法和本發(fā)明分次光斑質(zhì)心采集方法復(fù)原得到的波前誤差曲線圖中1 :分光鏡2 :光功率密度測量儀3 :分步采集控制器4 :微透鏡陣列5 :CCD相
機(jī)6 :質(zhì)心計(jì)算器7 :波前復(fù)原器8 :被測波前9 :波前能量測量部分10 :波前斜率測量部分。
具體實(shí)施例方式在本實(shí)施例中，本發(fā)明所采用的CXD相機(jī)5滿量程為4095ADU (12位)、噪聲的均方根值為20ADU、靈敏度為50nJ/ADU、光斑的艾利斑直徑為lOpixel、哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列4數(shù)為10x10、單個子孔徑的尺寸為lmmxlmm、子孔徑的編號方式如圖3所示。根據(jù)光斑的光強(qiáng)分布特性(參見馬曉燠，鄭翰清，饒長輝“自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中哈特曼波前傳感器光斑質(zhì)心的最佳標(biāo)定位置”，光學(xué)學(xué)報(bào)，2009年)，當(dāng)光斑的艾利斑直徑為 IOpixel時，光斑的最大值點(diǎn)為IADU時，光斑的總ADU數(shù)約為26，此時需要入射光能量為 26ADUX50nJ/ADU = I. 3uJ0如圖2所示，傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器包括微透鏡陣列4、CXD相機(jī)5、質(zhì)心計(jì)算器6和波前復(fù)原器7。當(dāng)入射光功率密度如圖4所示時，編號為k的子孔徑處的入射光功率為
權(quán)利要求
1.一種采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于包括分光鏡(I)、光功率密度測量儀(2)、分步采集控制器(3)、微透鏡陣列(4)、CCD相機(jī)(5)、質(zhì)心計(jì)算器(6)和波前復(fù)原器(7);入射波前⑶經(jīng)分光鏡⑴后分為波前能量測量部分(9)和波前斜率測量部分 (10);波前能量測量部分(9)進(jìn)入光強(qiáng)分布測量儀(2)，波前斜率測量部分(10)經(jīng)微透鏡陣列⑷分割后在CCD相機(jī)(5)處形成光斑陣列；光強(qiáng)分布測量儀(2)測量入射波前⑶ 的光功率密度并將光功率密度數(shù)據(jù)傳遞給分步采集控制器(3);分步采集控制器(3)首先根據(jù)入射波前(8)的光功率密度特性和CCD相機(jī)(5)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)(5)對光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個子孔徑集合的曝光時間，分步采集控制器(3)再控制CCD相機(jī)(5)按照每個子孔徑集合的曝光時間分步采集光斑數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳遞給質(zhì)心計(jì)算器￠)，分步采集控制器(3)最后控制質(zhì)心計(jì)算器(6)分步計(jì)算出每個子孔徑集合的光斑質(zhì)心并傳遞給波前復(fù)原器(7)，波前復(fù)原器(7)將質(zhì)心計(jì)算器(6)得到的質(zhì)心排列為質(zhì)心向量后計(jì)算得到入射波前(8)的斜率向量并復(fù)原出入射波前的相位分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述分步采集控制器(3)根據(jù)入射波前(8)的光功率密度的特性和CCD相機(jī)(5)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)(5)對光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個子孔徑集合的曝光時間的過程如下首先分步采集控制器(3)計(jì)算微透鏡陣列的單個子孔徑內(nèi)達(dá)到光斑質(zhì)心測量精度時所需最低信噪比要求時入射光能量的最小值Emin和光斑最大值達(dá)到CCD相機(jī)(5)規(guī)定量程時的入射光能量的最大值Emax;然后將光功率密度測量儀(2)測量得到的光強(qiáng)按微透鏡陣列(4)的排布進(jìn)行分割，對單個子孔徑內(nèi)的光強(qiáng)積分得到子孔徑內(nèi)的入射光功率Pk，k為子孔徑編號；再將每個子孔徑內(nèi)的光能量要求和光功率相除得到曝光時間的下限tkmin = Pk/ Efflax和曝光時間的上限tkmax = Pk/Emin，將滿足同一曝光時間范圍的子孔徑合并采集，得到每步采集的子孔徑集合及每次采集的子孔徑集合的曝光時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述滿足同一曝光時間范圍的子孔徑合并采集過程如下(a)將子孔徑編號k與曝光時間的上限tkmax、曝光時間的下限tkmin對應(yīng)，形成子孔徑編號向量K、曝光時間上限向量Tmax和曝光時間下限向量Tmin ；(b)取出曝光時間上限向量Tmax中最小值tmax的子孔徑編號，并找出曝光時間下限向量 Tfflin小于tmax的子孔徑編號，形成以tmax為曝光時間的子孔徑集合；(c)將步驟(b)中取出的子孔徑編號從子孔徑編號向量K中取出，并取出曝光時間上限向量Tmax和曝光時間下限向量Tmin中對應(yīng)的tkmax和tkmin值；(d)重復(fù)步驟(b)和(C)，直到所有子孔徑都取出，從而實(shí)現(xiàn)滿足同一曝光時間范圍的子孔徑合并采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于為避免CCD 相機(jī)(5)飽和，所述光斑最大值達(dá)到CCD相機(jī)(5)規(guī)定量程不等于CCD相機(jī)(5)的滿量程， 根據(jù)實(shí)際情況光斑最大取CCD相機(jī)(5)滿量程的80% 90%。
全文摘要
一種采用分時曝光的哈特曼波前傳感器，包括分光鏡、光功率密度測量儀、分步采集控制器、微透鏡陣列、CCD相機(jī)、質(zhì)心計(jì)算器和波前復(fù)原器；光功率密度測量儀首先測量出入射波前的光功率密度，分步采集控制器根據(jù)入射波前光功率密度的特性和CCD相機(jī)的響應(yīng)靈敏度制定出CCD相機(jī)對光斑陣列的分步采集的曝光時間，采集完成后控制質(zhì)心計(jì)算器分步計(jì)算光斑陣列的質(zhì)心，最后波前復(fù)原器根據(jù)質(zhì)心計(jì)算器得到的質(zhì)心矩陣復(fù)原出入射波前。本發(fā)明采用分步采集控制器以不同的曝光時間分步采集CCD相機(jī)處光斑的陣列，改善了當(dāng)入射光強(qiáng)不均勻時，單個子孔徑內(nèi)光斑質(zhì)心探測的信噪比，提高了質(zhì)心探測的精度，為高精度地復(fù)原非均勻照明條件下的入射波前提供了解決方案。
文檔編號G01J9/00GK102607718SQ20121007173
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者饒學(xué)軍, 饒長輝, 馬曉燠 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所