專利名稱：基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標定裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種哈特曼波前傳感器的標定裝置，特別是基于四象限探測器的哈特 曼波前傳感器的自適應標定裝置。
背景技術：
哈特曼波前傳感器由于其結構簡單、原理直白而在現代的自適應光學中用于實時 檢測被觀察波前的畸變量。它是由微透鏡和光電傳感器組成的一種以波前斜率測量為 基礎的波前測量儀器。能夠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。為了高精度的探測波前相位，對哈特曼 傳感器自身的像差標定就顯得更加重要， 一般的標定方法均是利用一個標準的平面波 入射到哈特曼系統中后，在光電傳感器上紀錄下各個子孔徑對應光斑的質心位置，在 進行斜率計算時以此質心位置為基準。
由于工藝的原因，四象限傳感器的中心與沒有畸變時波前產生光斑的質心不是嚴 格重合的。而采用四象限探測器作為光斑的位置探測時，對光斑采樣的離散化達到了 極限(2x2)，所以受到采樣誤差的影響，四象限探測器的輸出值與光斑的高斯寬度 相關，如圖4所示，所以當四象限探測器的輸出值相同時，不同大小的光斑質心所處 的位置相差很大，如圖5所示。在實際應用中，哈特曼波前傳感器焦面上光斑的大小 會隨著大氣相干長度的變化而變化，而大氣的相干長度是一個隨機數。如果不能減少 基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器在無波前畸變時的采樣誤差，在實際應用中就 會因為無法為波前控制器提供準確的波前畸變方向而導致自適應光學系統閉環失敗， 如圖6所示。
由于有了上述問題的存在，如何降低基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器在無 波前畸變時的采樣誤差，并能高靈敏度的提供波前畸變方向信息，使自適應光學系統 能夠在光斑大小隨機變化的情況下穩定地校正波前畸變，就成了一個很重要的研究課 題。
發明內容
本發明要解決的撥術何題是克服傳統基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器由 于系統誤差帶來的采樣誤差影響而無法在光斑隨機變化時準確提供波前畸變方向的缺 點，提出在該哈特曼波前傳感器前加一個標定變形鏡，利用標定變形鏡改變光斑的位 置，使標定平面波形成的光斑質心與四象限探測器的中心重合，從而消除系統誤差。 為自適應光學系統能夠在光斑大小隨機變化的情況下穩定地校正波前畸變提供了核心 的解決方案。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是基于四象限探測器的哈特曼波前傳 感器的自適應標定裝置，包括分光鏡、微透鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、 波前處理機和波前控制器，其特征在于在裝置中引入一個標定變形鏡；分光鏡、標 定變形鏡、微透鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、波前處理機和波前控制器構 成裝置的標定回路，首先標定平面波入射到標定變形鏡上，再反射進入哈特曼波前傳 感器中，標定回路閉環校正哈特曼波前傳感器的系統誤差，使微透鏡陣列上的每個微 透鏡的光斑質心同與它對應的四象限探測器中心相重合；分光鏡、標定變形鏡、微透 鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、波前處理機、波前控制器和校正變形鏡構 成裝置的校正回路，標定完成后，保持標定變形鏡的面型不變，校正回路閉環校正待 校正波前。
所述的標定變形鏡的控制是依據輸入標定平面波時標定變形鏡的反射波前透過微 透鏡陣列和匹配透鏡后在四象限探測器陣列處形成光斑的質心與四象限探測器陣列上 的四象限探測器中心的偏離量，利用波前控制器對偏離量處理后調整標定變形鏡的面 型以改變其反射波前，完成標定后反射波前透過微透鏡陣列和匹配透鏡后在四象限探 測器陣列處形成光斑的質心與四象限探測器的中心相重合，此時四象限探測器的四個 象限的輸出的電壓值相等。
所述的閉環校正待校正波前是保持標定變形鏡在標定回路掛環完成標定后的面 型，當待校正波前為非平面波時，四象限探測器的四個象限輸出不相等，波前處理機 利用該輸出量動態地計算出各光斑質心的偏離量，波前控制器對偏離量處理調整校正 變形鏡上的面型，校正變形鏡可以動態地將待校正波前校正成為平面波，從而達到自 適應光學動態校正畸變波前的目的。
所述的利用四象限探測器的輸出計算光斑質心的公式 (01+04) (C+")，其中 是四
象限探測器第I、 II、 III、 IV象限的輸出。
所述的標定變形鏡在加電壓后，平面波照射在標定變形鏡上的反射波前(D,在微透 鏡陣列的第i行第j列處子孔徑范圍內x，y方向上滿足！ ff袖f",力血H
蓋l^^，力血辦^，其中&y、 A"分別是四象限探測器陣列上的第〖排第J 列的四象限探測器在x，y方向上的未對準誤差。
本發明的原理是采樣誤差是由于四象限探測器對光斑的離散采樣造成的，但是
當不同高斯寬度的光斑的質心與四象限探測器的中心重合后，四象限探測器輸出的光
斑質心位置恒為0 ，沒有采樣誤差。所以在基于四象限探測器陣列的哈特曼傳感器中， 當輸入波前為平面波時，調整每個光斑的質心與其對應的四象限探測器的中心重合， 該哈特曼波前傳感器就可以實現在無波前畸變時的輸出為0、在波前發生畸變時的輸 出極性反應波前畸變的方向。如果保持光斑位置不變，控制四象限探測器陣列中每一 個四象限探測器移動使其中心與光斑質心對準，需要控制每一個四象限探測器在2維 的方向上移動，在目前的條件下，這樣的系統是非常復雜和昂貴的，所以采取保持四 象限探測器的位置不變，使用標定變形鏡產生一個特殊的面型，當平面波在其表面反 射波前被微透鏡陣列分割后，形成的每個光斑的質心能在x，y方向上產生特定位移來 與對應的四象限探測器的中心對準。
本發明與現有技術相比有如下優點
1、 本發明解決了當釆用基于四象限探測器陣列的哈特曼波前傳感器時，由于 工藝的原因，四象限探測器陣列與微透鏡陣列無法嚴格對準，系統會因為采樣誤差而 無法完成閉環的問題；
2、 本發明中基于四象限探測器陣列的哈特曼波前傳感器在完成標定后的輸出 '是絕對的波前畸變方向，減少傳統標定方法中需要將待校正波前的光斑質心位置與標
定波前的光斑質心位置相減才能輸出待校正波前的光斑在x、 y方向上的位移這一步 驟，縮短了系統的計算時間，提高了系統的校正頻率；
3、 本發明在原理上與傳統技術完全一致，因此用于自適應光學系統時，除需
要加裝一變形鏡外，不需要額外的改造技術成本，方便實用。
圖1為基于四象限探測器的哈特曼傳感器標定階段裝置示意圖2為基于四象限探測器的哈特曼傳感器閉環校正波前裝置示意圖3為基于四象限探測器的哈特曼傳感器常規標定裝置示意圖；圖4為不同高斯寬度的光斑在不同位置的輸出值示意圖5為當四象限探測器的輸出值相同時，不同高斯寬度的光斑的質心所處的位置 示意圖，X是四象限探測器的輸出值，橫軸是光斑的高斯寬度，縱軸是光斑的實際位 置；
圖6為傳統方法標定后輸出值的誤差示意圖，標定時光斑的高斯寬度是OJmm; 圖7為標定前(左)和標定后(右)的四象限探測器陣列的輸出電壓信號示意圖。
圖中1:分光鏡，2:標定變形鏡，3:微透鏡陣列，4:匹配透鏡，5:四象限 探測器陣列，6:波前處理機，7:波前控制器，8:校正變形鏡，9:微透鏡，10:四 象限探測器，11:標定回路，12:校正回路，13:標定平面波，14:標定變形鏡的反 射波前，15:哈特曼波前傳感器，16:光斑，17:待校正波前，18:校正后的波前， 19:全反射鏡。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。
本實施例的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標定裝置，包含有-
分光鏡1、微透鏡陣列3、匹配透鏡4、四象限探測器陣列5、波前處理機6，波前控 制器7和校正變形鏡8;并在如圖3所示的現有的基于四象限探測器的哈特曼傳感器 常規標定裝置中去掉全反射鏡19，引入一個標定變形鏡2，其裝置如圖l所示；本發 明裝置共形成兩個回路，即標定回路11和校正回路12;標定回路11包括分光鏡1 、
標定變形鏡2、微透鏡陣列3、匹配透鏡4、四象限探測器陣列5、波前處理機6和波
前控制器7;校正回路12包括分光鏡l、標定變形鏡2、微透鏡陣列3、匹配透鏡
4、四象限探測器陣列5、波前處理機6、波前控制器7和校正變形鏡8。 (1)、標定階段-
由于工藝的原因，四象限探測器陣列T上的西象限探測器10的中心與微透鏡陣列 3上的微透鏡9的中心并不是嚴格重合，所以當標定平面波13經過分光鏡1的反射后 入射到標定變形鏡2上，再反射通過微透鏡9和匹配透鏡4形成的光斑16的質心同與 它對應的四象限探測器10的中心不能重合，受到采樣誤差的影響，四象限探測器10 輸出的光斑16質心坐標值與光斑16的高斯寬度有關，如圖4所示。所以四象限探測 器10的輸出的光斑16質心坐標值相同時，不同高斯寬度的光斑16的質心所處的位置 相差很大，如圖5所示。在實際應用中，由于大氣湍流對光斑16高斯寬度的影響，光 斑16高斯寬度會隨機變化，自適應光學系統無法閉環校正待校正波前17，如圖6所示。所以需要通過標定回路n閉環校正哈特曼波前傳感器15'的系統誤差，使輸入為
平面波時，每個光斑16質心同與它對應的四象限探測器IO中心相重合。
當輸入標定平面波13時，四象限探測器陣列5的第i排第j列的四象限探測器10 在x，y方向上的偏離量五 ，五^的計算公式為
<formula>complex formula see original document page 8</formula>分別是四象限探測器陣列5的第i排第j列四象限探
n、 m、 iv象限的輸出。
利用波前控制器7對偏離量處理后調整標定變形鏡2的面型以改變其反射波前14 在四象限探測器陣列5處光斑16的位置，標定變形鏡2的反射波前140,(x,力在該子
孔徑處必須滿足下式
標定前的四象限探測器陣列的輸出電壓信號示意圖如圖7左邊的圖所示；完成標 定后光斑16的質心同與它對應的四象限探測器10中心相重合，四象限探測器10的四 個象限輸出的電壓值相等，標定后的四象限探測器陣列的輸出電壓信號示意圖如圖7 右邊的圖所示；由于當光斑16的質心與四象限探測器10的中心重合后，其輸出值始 終為0，不會隨著光斑16高斯寬度的改變而改變，如圖4交點位置所示，此時采樣誤 差為0。
(2)、校正階段
當閉環標定完成后，接著進行閉環校正，本實施例的基于四象限探測器的哈特曼 傳感器閉環校正波前裝置示意圖如圖2所示；保持標定變形鏡2的面型不變，校正回 路12閉環校正待校正波前I7。在天文自適應光學系統中，校正回路12工作在積分方 式時，如果波前處理機6的輸出信號能讓波前控制器7發出一個與校正方向相同極性 的電壓給校正變形鏡8以改變其面型，由校正變形鏡8反射的校正波前18的畸變會逐 漸減小并最終消除。所以對于這種自適應光學系統來說，波前處理機6能夠準確判斷 待校正波前17畸變的方向是系統能夠實現閉環的充分條件。"
當待校正波面17為①時，'到達微透鏡陣列3處的波面為0> + <!>,， 0+0,通過第i 排第j列的微透鏡9和匹配透鏡4后在四象限探測器10處光斑16質心位置J^，&為
<formula>complex formula see original document page 9</formula>(3)
義/
由于第i排第j列的四象限探測器在x,y方向上有五^.，五^的未對準誤差，所以四象 限探測器10實際輸出到波前處理機6處光斑16的質心坐標為( ,a)正是待 校正波前17引起的，波前控制器7對偏離量( ，^)處理調整波前校正變形鏡8上的電
壓，校正變形鏡8可以動態地改變其面型將待校正波前17校正成為平面波I8，從而 達到自適應光學動態校正畸變波前的目的。
綜上所述，在無波前畸變時，采用標定變形鏡2使光斑16質心與四象限探測器 10的中心重合，消除了由系統誤差引起的采樣誤差；當有波前畸變時，四象限探測器 10輸出的是絕對的波前畸變量，可以減少波前處理機6的計算量。本發明為高精度、 高幀頻地校正目標波前信號提供了核心的解決方案。
權利要求
1、基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標定裝置，包括分光鏡(1)、微透鏡陣列(3)、匹配透鏡(4)、四象限探測器陣列(5)、波前處理機(6)和波前控制器(7)，其特征在于在裝置中引入一個標定變形鏡(2)；分光鏡(1)、標定變形鏡(2)、微透鏡陣列(3)、匹配透鏡(4)、四象限探測器陣列(5)、波前處理機(6)和波前控制器(7)構成裝置的標定回路(11)，首先標定平面波(13)入射到標定變形鏡(2)上，再反射進入哈特曼波前傳感器(15)中，標定回路(11)閉環校正哈特曼波前傳感器(15)的系統誤差，使微透鏡陣列(3)上的每個微透鏡(9)的光斑(16)質心同與它對應的四象限探測器(10)中心相重合；分光鏡(1)、標定變形鏡(2)、微透鏡陣列(3)、匹配透鏡(4)、四象限探測器陣列(5)、波前處理機(6)、波前控制器(7)和校正變形鏡(8)構成裝置的校正回路(12)，標定完成后，保持標定變形鏡(2)的面型不變，校正回路(12)閉環校正待校正波前(17)。
2、 根據權利要求1所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標定裝 置，其特征在于所述的標定變形鏡(2)的控制是依據輸入標定平面波(13)時標定變形 鏡(2)的反射波前(14)透過微透鏡陣列(3)和匹配透鏡(4)后在四象限探測器陣列(5)處形 成光斑(16)的質心與四象限探測器陣列(5)上的四象限探測器(10)中心的偏離量，利用波 前控制器(7)對偏離量處理后調整標定變形鏡(2)的面型以改變其反射波前(14)，完成標 定后反射波前(14)透過微透鏡陣列(3)和匹配透鏡(4)后在四象限探測器陣列(5)處形成 光斑(16)的質心與四象限探測器(10)的中心相重合，此時四象限探測器(10)的四個象限 的輸出的電壓值相等。
3、 根據權利要求l所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標定裝 置，其特征在于所述的閉環校正待校正波前(17)是保持標定變形鏡(2)在標定回路(11) 閉環完成標定后的面型，當待校正波前(17)為非平面波時，四象限探測器(10)的四個象 限輸出不相等，波前處理機(6)利用該輸出量動態地計算出各光斑(16)質心的偏離量， 波前控制器(7)對偏離量處理調整校正變形鏡(8)上的面型，校正變形鏡(8)可以動態地將 待校正波前(17)校正成為平面波(18)，從而迖封自適應光學動態校正畸變波前的目的。
4、 根據權利要求l、或2、或3所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的 自適應標定裝置，其特征在于所述的利用四象限探測器(10)的輸出計算光斑(16)質心的公式為:<formula>see original document page 2</formula>,其中O1、O2、O3、O4別是四象限探測器(10)第I 、 II 、 III、 IV象艱的輸出。
5、根據權利要求1或3所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標 定裝置，其特征在于所述的標定變形鏡(2)在加電壓后，平面波照射在標定變形鏡(2) 上的反射波前(14)Φ,在微透鏡陣列(3)的第i行第j列處子孔徑范圍內x,y方向上滿足<formula>see original document page 3</formula>，其中Exy，Eyij分別是四象限探測器陣列(5)上的第i排第j列的四象限探測器(10)在x,y方向上的未對準誤差。
全文摘要
基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應標定裝置，包括分光鏡、標定變形鏡、微透鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、波前處理機和波前控制器，其特征在于首先利用標定變形鏡改變四象限探測器光敏面處光斑的位置，讓光斑質心與四象限探測器的中心重合，從而消除系統誤差；然后保持標定變形鏡的面型不變，校正回路閉環校正待校正波前。本發明采用標定變形鏡改變光斑的位置，讓光斑質心與四象限探測器的中心重合，消除了由于系統誤差帶來的采樣誤差；并且結構簡單、工作狀態穩定，工藝容易實現；與現有的技術相比，還可以減少計算量，為高精度、高幀頻地校正弱目標波前信號提供了條件。
文檔編號G01J9/00GK101344434SQ20081022209
公開日2009年1月14日 申請日期2008年9月9日 優先權日2008年9月9日
發明者饒長輝, 馬曉燠 申請人:中國科學院光電技術研究所