基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器的制作方法

專利名稱：基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于自適應光學系統的波前傳感器，特別是一種視基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器。
背景技術：
自適應光學的基本理論國際上20世紀80年代之前就已經基本成熟；在國內，由姜文漢院士領導的國家863大氣光學實驗室，在90年代就已經基本完成整個自適應光學理論的發展并主持建立了多套自適應光學系統，達到了理想的波前探測、校正效果，使我國的自適應光學理論和工程都走在了世界的前列。
波前傳感器是自適應光學系統的核心部件，它主要完成對入射信號光進行波前相位的高分辨率探測，然后根據一定的波前重構算法進行信號波前的波前重構，交給后面的波前校正器進行波前校正，以實現成像質量的提高；其中，夏克-哈特曼波前傳感器在現在的自適應光學系統中是使用最多、應用最成熟的波前傳感器；這種哈特曼傳感器的原理性內容可以參見“Adaptive Optics for Astronomy”D.M.Alloin and J.M.Mariotti.KluwerAcademic Publishers，1994.“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski，B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997。傳統哈特曼波前傳感器的原理光路見圖1。
但是，到目前為止，除了強激光自適應光學以外，傳統的自適應光學系統都是工作在夜晚，一般只有三分之一的工作時段；究其原因，主要是傳統的哈特曼波前傳感器探測到的是入射光的波前信息，如果入射信號光比較弱同時背景光又比較強而致使目標信號淹沒在背景信號中時，傳統的哈特曼波前傳感器將不再能完成從強背景中提取出弱信號再進行質心計算的功能。因此，現有的自適應光學系統在白天甚至晨昏線都無法正常工作而取得波前校正效果，這樣，極大的降低了自適應光學系統的工作效率，浪費了昂貴的自適應光學系統的寶貴資源。
由于有了上述問題的存在，為了探索白天自適應光學系統使用的可能性，如何在白天強天光背景下提取出信號波前，并探測出信號波前的波前相位信息，就成了一個很重要的研究課題。

發明內容
本發明的技術解決問題克服的傳統夏克-哈特曼波前傳感器不能在白天或有背景雜光條件下工作的缺點，提供一種具備白天自適應光學波前探測能力的基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器，它能夠在白天強背景光條件下進行弱目標信號波前的探測，為自適應光學系統在白天的工作提供最核心的解決方案。
本發明的技術解決方案一種基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器，包括組合光路縮束系統、分光棱鏡、兩個微透鏡陣列、兩個CCD探測器和波前處理機等主要組成部分，組合光路縮束系統共用一個入瞳匹配透鏡并使入射光束分別通過兩個獨立的出瞳匹配透鏡分成兩束光縮束后輸出，在入瞳透匹配透鏡和兩個出瞳匹配透鏡之間、縮束焦點之前設置一個具有一定視場偏轉角的分光棱鏡，使從入瞳匹配透鏡出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個視場光闌，分別進入兩個出瞳匹配和兩個微透鏡陣列后，成像在兩個CCD器件上，由波前處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號處理就可以得到消除了背景天光的目標信號，再利用波前處理機進行質心計算、波前重構，最終完成白天自適應光學系統的正常工作。
所述的兩個微透鏡陣列的結構和工作性能參數盡量保持一致，一般取同一批次同一模型的微透鏡陣列，在保證其子孔徑數相同的前提下盡量保證其光吸收等參數的一致性。
所述的兩個CCD均為面陣光電探測器，且結構相同，性能參數盡量一致。
所述的視場光闌為具有一定厚度、中心有精密通光圓孔的高精密視場光闌，并且兩視場光闌結構相同，尤其是其中心通光孔徑要盡量保證精密相等；其厚度一般在1mm左右，中心通光圓孔的直徑大小需要根據實際的自適應光學系統參數決定，一般中心通光圓孔直徑范圍為0.1-1mm。
本發明的原理在白天條件下，進入自適應光學系統的光信號包括強的背景光和弱的目標光，利用它們之間最本質的區別“視場差異很大”來完成消除天光背景影響的功能。一般來說，自適應光學系統所能探測的目標光視場FOV1很小，大約在幾十個微弧度，但是嚴重影響波前探測的背景光的視場FOV2卻遠遠大于目標光視場，尤其是在白天條件下，可以認為背景天光是無限擴展的朗伯體，因此本發明提出以“視場偏移”為基本工作原理的“基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器”來解決這個問題。其原理如圖2所示，由分光棱鏡直接透過的第一個光束直接進入第一個微透鏡陣列，因此第一個CCD探測到的為弱目標和強背景的混合信號；由分光棱鏡反射的第二個光束經過第二個視場光闌后進入第二個微透鏡陣列，然后由第二個CCD探測器進行探測，由于哈特曼子孔徑及其視場光闌的限制，目標光視場FOV1很小，與哈特曼子孔徑視場FOV0相當，大約幾十個微弧度，但是天光可以認為是無限擴展的朗伯體，其視場FOV2很大，即使是在自適應光學系統內，FOV2也要比FOV1大的多，基于這個原理，使第二個視場光闌在正常光路對準的條件下，給分光棱鏡加一個很小的偏轉角θ，即可以很容易的使目標光偏出哈特曼子孔徑視場之外而不被第二個CCD探測器探測到，而背景光由于視場大不會受極小視場偏移的影響而照樣在第二個CCD探測器上成像，這樣該CCD探測器探測到的就是單純的背景光信號，由波前處理機進行圖像處理就可以得到消除了背景天光的目標信號，再進行質心計算、波前重構，這樣最終完成白天自適應光學系統的正常工作。
本發明與現有技術相比有如下優點本發明使傳統的自適應光學系統只能工作在夜間的狀況得到徹底的改善，使自適應光學系統的工作時段擴展到接近原來的三倍，工作效率提高到接近原來的三倍；另外，本發明在制作上基本可以沿用傳統的技術，因此不需要額外的技術成本，方便實用。


圖1為傳統哈特曼波前傳感器光路結構示意圖；圖2為本發明提出的視場偏移哈特曼波前傳感器光路結構示意圖；圖3為本發明光路、器件分解結構說明示意圖；圖4為本發明的室內驗證實驗采集的目標和背景混合信號圖像；圖5為本發明的室內驗證實驗采集的背景信號圖像；圖6為本發明的室內驗證實驗經過視場偏移處理后的目標信號圖像。
具體實施例方式
如圖1所示，傳統的自適應光學哈特曼波前傳感器主要包括光路縮束系統、微透鏡陣列、CCD和波前處理機，它利用微透鏡陣列對入射的信號波前進行子孔徑分割，每個子孔徑內光信號聚焦在其后的CCD上，利用CCD靶面能量的分布情況進行質心位置計算；哈特曼波前傳感器主要是根據下面的公式(1)計算光斑的位置(xi，yi)，探測全孔徑的波面誤差信息xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm]]>yi=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm---(1)]]>式中，m＝1～M，n＝1～N為子孔徑映射到CCD3’光敏靶面上對應的像素區域，Inm是CCD光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m)個像素的x坐標和y坐標。
再根據下面的公式(2)計算入射波前的波前斜率gxi，gyi
gxi=Δxλf=xi-xoλf]]>gyi=Δyλf=yi-yoλf---(2)]]>式中，(x0，y0)為標準平面波標定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準位置；哈特曼傳感器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(xi，yi)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測，再由波前處理機進行波前處理。
另外，實際的波前探測中，由于系統誤差尤其是CCD光電探測器自身不可避免的噪聲帶來的誤差原因，CCD所探測到的Inm實際上并不全是目標信號的能量，還包括背景雜光和CCD器件的暗電平等噪聲能量，即有Inm＝Snm+Bnm(3)其中Snm為光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的信號能量，Bnm為光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的背景噪聲能量；因此有xi=Σm=1MΣn=1NxnmSnm+Σm=1MΣn=1NxnmBnmΣm=1MΣn=1NSnm+Σm=1MΣn=1NBnm=sbr1+sbrxS+11+sbrxB---(4)]]>上述(4)式中的sbr定義為信號光能量和非信號光能量(包括雜光背景和CCD器件電平和讀出噪聲等背景能量的總和)的比值；從上述(4)式可以很明顯的看出，實際哈特曼波前傳感器所探測到的質心位置是有效目標信號質心與背景(包括雜光背景和CCD器件電平和讀出噪聲等總背景)質心的加權平均值，權重由信號光與背景能量之比sbr決定，這就決定了傳統哈特曼波前探測的原理性約束sbr不能太小或背景能量不能太大，如果sbr太小背景能量太大，則由(4)式計算得到的質心位置必然不再準確，因此，傳統哈特曼波前傳感器必然不再具備對強天光背景下弱目標信號的波前探測能力。
如圖2所示，本發明主要由組合光路縮束系統、帶一定視場偏轉角的分光棱鏡及其相應的信號發生器、兩個微透鏡陣列、兩個CCD探測器和波前處理機組成，組合光路縮束系統共用一個入瞳透匹配透鏡1，以減小系統誤差，在入瞳透匹配透鏡1和兩個出瞳匹配透鏡4和4’之間、縮束焦點之前設置一個具有視場偏轉角的分光棱鏡2，使從入瞳匹配透鏡1出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個視場光闌3和3’，分別依次進入兩個出瞳匹配4和4’和兩個微透鏡陣列5和5’后，成像在兩個CCD探測器6和6’上，其中兩個視場光闌3和3’的結構完全相同，以減小系統誤差，兩個視場光闌3和3’為具有一定厚度，中心有一個精密通光圓孔，圓孔的直徑根據整個光路設計需要而具體的計算得到，以目前常用的自適應光學系統為參考，視場光闌中心圓孔直徑一般在0.1-1mm范圍內，兩光闌的中心圓孔精度要求很高，保證其所限定的視場大小相等，并且視場大小等于或約小于一個哈特曼波前傳感器子孔徑視場，視場光闌3主要完成把目標光和背景光都以同樣大小的視場限制在哈特曼子孔徑視場之內，使CCD探測器6接收到的信號為目標光和背景光的總信號，視場光闌3’主要完成把目標光限制在子孔徑視場之外同時讓背景光順利通過的功能，使CCD探測器6’接收到的信號為單純的背景光信號；兩個微透鏡陣列5’和5’的結構完全相同，以減小系統誤差，它實現對波前的子孔徑分割，然后聚焦在后面的CCD器件上進行位置探測，采用微透鏡實現子孔徑分割波前的技術已經比較成熟，在傳統的哈特曼波前傳感器中的應用已經很普遍，并且現在制造微透鏡的微光學加工技術也已經很成熟，因此，本發明提出的這種新的白天自適應光學波前傳感器在器件制作上，也不需要額外的制作技術成本；兩個CCD探測器6和6’結構和性能完全相同，采用面陣光電探測器，它實現將微透鏡分割成子孔徑后的光強信息進行高精度光電探測，根據聚焦光能在CCD靶面上的能量分布情況進行質心位置探測。
如圖3所示，本發明的工作對象主要是強天光(擴展背景)下弱目標信號波前信息的探測，它的具體工作步驟如下首先，畸變的弱目標信號和強擴展天光背景信號的混合信號一起進入組合光路縮束系統共用的入瞳匹配透鏡1處，經過分光棱鏡2，按照P1∶P2(P1∶P2＝1∶1或＞1∶1)的分光比進行分光，分光比例P1部分進入視場光闌3，由于視場光闌3事先已經進行了準確的光路對準，因此，目標信號和背景信號光都在視場光闌3的視場光闌限制下進入出瞳匹配透鏡4后再進入微透鏡陣列5，這樣，在CCD探測器6上接收到的即為目標信號與背景信號和的總信號的聚焦光斑如圖4所示。
根據圖4所示采集的圖像可以很明顯的看出，目標信號基本上與背景信號混合在一起，根據本發明具體實施方式
1中的(4)式，顯然，用傳統的哈特曼波前質心探測方法將無法從強背景信號中提取出目標信號并進行正確質心位置計算；所以，本發明在入瞳匹配透鏡1和出瞳匹配透鏡4之間設置了一個分光棱鏡2，它根據自身的分光特性而反射一束光能量進入另一路光路的視場光闌3’，然后再經過出瞳匹配透鏡4’和微透鏡陣列5’，由CCD探測器6’探測后進行波前光強信息探測，如果在光路正常調好、視場光闌3’正常對準的條件下，那么目標光應該很順利的通過視場光闌3’，CCD探測器6’和CCD探測器6’將采集到一樣的信號均這目標和背景的和信號，這樣將對消除天光背景沒有任何意義。因此，本發明考慮到背景光和目標光的最大本質差異一視場不同，提出使分光棱鏡2做一個很小的偏轉角θ(θ需要根據實際工程系統的各項參數共同確定，以目前常用的自適應光學系統為參考，其角度范圍一般在0.5°到1.5°)，即對應縮束光路中心焦點被偏出光軸之外，目標光因為視場小而被視場光闌3’擋住，因此不在CCD探測器6’上成像，而背景光視場FOV2＞＞FOV1目標光視場，因此，背景光將幾乎不受到這樣一個微小視場的偏移影響而照常的成像在CCD探測器6’上，這樣CCD探測器6’上探測到的將為沒有目標信號的純背景信號，見圖5所示。
其次，在前述工作基礎上，得到了CCD探測器6和CCD探測器6’分別采集到的圖像，然后做一個圖像對應像素相減處理，即可得到消除了天光背景影響的純信號圖像如圖6所示，從圖6和圖4的對比可以看出，本發明基本上完成了從強天光背景下提取出弱目標信號的功能，得到了比較清晰的信號圖像如圖6所示；最后，根據圖6得到的信號圖像，利用前述的公式(1)和公式(2)就可以很順利的計算得到每個子孔徑內的波前平均斜率，組成子孔徑陣列斜率向量G；根據模式復原算法的基本原理，利用事先計算好的復原矩陣R，根據模式復原矩陣公式Z＝R*G (5)根據(5)式，可以很快得到波前的ZERNIKE系數矩陣Z，再根據ZERNIKE系數矩陣把波前在單位圓上展開即得到復原后的波前信息，最終實現白天自適應光學強背景下弱目標信號的波前探測功能。
本發明以上所述的具體實施過程是針對分光棱鏡的透射光能量P1和反射光能量P2的比為P1∶P2＝1∶1的情況下進行的原理性闡述。實際工作中，分光棱鏡2的透射光能量P1和反射光能量P2的比值P1/P2也可以不為1，并且一般情況下其比值大于1，當P1/P2比值大于1時，可以通過對CCD6’的工作(數據采樣)頻率進行調制，同樣可以實現本發明提出的視場偏移減背景功能。
假定P1/P2比值為R且R≠1時，對CCD6’的數據采樣頻率進行調制，使CCD6和CCD6’的數據采樣頻率不一致而分別為H1和H2，并且假定CCD的數據采樣頻率與自身的曝光時間T有關系H*T＝constant(常數) (6)保證調制后兩CCD的數據采樣頻率與分光棱鏡的分光比例有如下關系H1H2=P1P2=R---(7)]]>
根據(7)式，可以在分光棱鏡透射光能量P1和反射光能量P2不相等時，通過調制CCD6和CCD6’的數據采樣頻率，同樣可以實現視場偏移減背景處理的功能，完成本發明提出的基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器強背景下弱目標信號波前探測的功能。
權利要求
1.基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于包括組合光路縮束系統、分光棱鏡、兩個微透鏡陣列、兩個CCD探測器、波前處理機等主要組成部分；組合光路縮束系統共用一個入瞳匹配透鏡并使入射光束分別通過兩個獨立的出瞳匹配透鏡分成兩束光縮束后輸出，在入瞳透匹配透鏡和兩個出瞳匹配透鏡之間、縮束焦點之前設置一個具有視場偏轉角θ的分光棱鏡，使從入瞳匹配透鏡出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個結構大小一樣的視場光闌，分別依次進入兩個出瞳匹配和兩個微透鏡陣列后，成像在兩個CCD探測器上，由波前處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號處理就可以得到消除了背景光的目標信號，再進行質心計算、波前重構，最終完成白天自適應光學系統波前探測的正常工作。
2.根據權利要求1所述視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光棱鏡的視場偏轉角θ為0.5°～1.5°。
3.根據權利要求1或2所述視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光棱鏡的透射光能量P1和反射光能量P2的比為P1∶P2＝1。
4.根據權利要求1或2所述視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光棱鏡的透射光能量P1和反射光能量P2的比P1∶P2≠1時，對兩個CCD探測器的數據采樣頻率進行調制，從而改變CCD探測器的曝光時間，以達到其采集的兩個CCD探測器的背景光能量相同的目的，然后再實現兩幀圖像相減。
5.根據權利要求1或2所述的視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的兩個微透鏡陣列的結構和工作性能參數保持一致。
6.根據權利要求1或2所述的視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的兩個CCD均為面陣光電探測器，且結構相同，性能參數一致。
7.根據權利要求1或2所述的視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的視場光闌為具有厚度、中心有精密通光圓孔的高精密視場光闌，并且兩視場光闌結構相同。
8.根據權利要求7所述的視場偏移哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的中心通光孔徑保證精密相等，厚度為0.8～1.2mm，中心通光圓孔的直徑為0.1-1mm。
全文摘要
基于分光棱鏡的視場偏移哈特曼波前傳感器，包括兩路光路縮束系統、兩個微透鏡陣列、兩個CCD探測器和波前處理機，兩路光路縮束系統共用一個入瞳透匹配透鏡，在縮束焦點之前設置一個具有視場偏轉角的分光棱鏡，使從入瞳匹配透鏡出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個視場光闌，分別依次進入兩個出瞳匹配和兩個微透鏡陣列后，成像在兩個CCD器件上，由波前處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號處理就可以得到消除了背景天光的目標信號，再進行質心計算、波前重構，最終完成白天自適應光學系統的正常工作。本發明使自適應系統具備在白天強天光背景下弱目標信號波前探測的能力，提高傳統哈特曼波前傳感器的工作效率到接近原來的三倍。
文檔編號G01J9/00GK1804566SQ20061001120
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月16日 優先權日2006年1月16日
發明者李超宏, 鮮浩, 懂道愛 申請人:中國科學院光電技術研究所