一種自適應光學波前傳感器與波前校正器對準誤差精密測量方法與流程

本發明涉及自適應光學系統中波前傳感器與波前校正器對準誤差的精密測量方法，尤其適用于夏克_哈特曼波前傳感器與波前校正器的對準誤差測量。

背景技術：

自適應光學系統中，波前校正器的驅動器布局和波前傳感器的子孔徑分布是經過優化選擇的最佳匹配關系，然而哈特曼傳感器和變形鏡為兩個獨立的器件，一般情況下兩者之間的距離還比較大，二者之間的對準精度改變了這種對應關系，影響自適應光學系統的波前校正能力。在實際的自適應光學系統調整過程中，通過測量傳遞函數矩陣，采用斜率影響函數矩陣的條件數判斷二者的失配情況，然而這種判斷方式只能定性的檢測出二者的失配結果，并且無法判斷失配的情況；因此對準情況缺乏準確的對準依據，對準精度無法得到保證，無法指導自適應光學系統調整，使自適應光學系統達到最佳校正性能。

技術實現要素：

本發明的目的是：解決自適應光學系統中變形鏡和哈特曼傳感器的失配問題，提高兩者之間的對準精度，從而提高自適應光學系統的校正性能。

本發明的技術解決方案是：一種自適應光學波前傳感器與波前校正器的對準誤差精密測量方法，該方法包括如下步驟：

步驟(1)向特征驅動器施加固定電壓，通過波前傳感器測量波前斜率；

步驟(2)根據波前斜率采用區域法重構波前像差；

步驟(3)根據施加電壓后像差的變化情況計算波前校正器的驅動器在波前傳感器上的位置；

步驟(4)通過多個特征驅動器的位置，計算波前校正器與波前傳感器的失配情況。

進一步的，所述步驟(1)中的特征驅動器為中心區域的驅動器，驅動器影響的波前傳感器上對應的子孔徑最多。

進一步的，所述步驟(1)中的波前斜率可以通過向特征驅動器施加固定電壓后采集，也可以通過測量傳函中得到。

進一步的，所述步驟(2)中重構波前像差采用的是弗雷德模型。

進一步的，所述步驟(3)中計算特征驅動器在波前傳感器上的位置時，首先采用區域法重構和波前傳感器子孔徑行數和列數相對應的波面，然后采用雙三次插值法得到較高精度的波面，采用質心算法計算驅動器的位置：

其中，W_i為重構后第i點的波像差，x_i為第i點x方向的值、y_i為第i點y方向的值。

進一步的，所述步驟(4)中計算波前校正器與波前傳感器的失配情況時選取的特征驅動器時以波前校正器的中心驅動器為中心建立直角坐標系，選取在坐標軸上、對稱并影響區域最廣的的驅動器。

進一步的，所述步驟(4)中計算波前校正器與波前傳感器的失配情況時首先計算驅動器的旋轉情況，然后消除旋轉后計算驅動器的X和Y方向的平移情況。

本發明的原理在于：

根據波前傳感器和波前校正器的設計情況，選取影響區域最廣的驅動器作為特征驅動器，然后向特征驅動器施加電壓并分別得到相應的波前傳感器子孔徑斜率或從測量的傳遞函數矩陣中得到波前傳感器的子孔徑斜率；根據子孔徑斜率采用區域法進行波前復原得到與子孔徑排布相對應的復原波面，然后采用采用雙三次插值法得到分辨率更高的復原波面，根據每個特征驅動器時間電壓后的特征波面采用質心算法得到特征驅動器的位置；以波前波前校正器中心驅動器為坐標零點建立直角坐標系，選取在坐標軸上的特征驅動器，根據選取的特征驅動器計算波前傳感器與波前校正器之間的旋轉關系，該計算值即為波前傳感器與波前校正器失配的旋轉誤差，然后將特征驅動器的位置進行消旋，消旋后特征驅動器的位置與設計的位置之差即為波前傳感器與波前校正器失配的平移誤差。

本發明與現有技術相比有如下優點：

(1)根據波前傳感器與波前校正器的設計，容易尋找特征驅動器；

(2)特征驅動器施加電壓后的子孔徑斜率數據可以在特征驅動器施加電壓后直接采集，也可以根據系統測量的傳遞函數矩陣得到；

(3)本發明充分利用現有條件，無需增加或修改系統軟硬件的現有狀態；

(4)本發明利用區域法對波前傳感器的測量數據進行波前復原，然后對低分辨率的波面數據采用雙三次插值法得到較高精度的波面，可以減少測量誤差，同時提高計算精度，對于子孔徑排布較稀疏的波前傳感器適用；

(5)本發明在計算波前傳感器與波前校正器失配時采用直角坐標系坐標軸上、對稱并影響區域最廣的的驅動器的驅動器作為特征驅動器，對失配誤差計算容易。

附圖說明

圖1為波前校正器與波前傳感器設計匹配關系；

圖2為本發明實現流程圖；

圖3為特征驅動器施加電壓后重構波面圖，其中，圖3(a)為向25號特征驅動器施加1V的電壓采用區域法的弗雷德模型得到的波面，圖3(b)為采用雙三次插值法得到的更高分辨率的波面；

圖4為波前校正器與波前傳感器失配示意圖，其中，圖4(a)為Δθ為波前傳感器與波前校正器旋轉失配情況示意圖，圖4(b)為對特征驅動器的位置進行消旋后特征驅動器的位置示意圖；

圖5為采用自適應光學中波前傳感器與波前校正器誤差精密測量方法調整前后對比圖，其中，圖5(a)為采用傳統方法對光學系統進行精確調整的結果示意圖，圖5(b)為根據計算結果指導光學系統進行調整后的結果示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發明。

如圖1所示，184單元自適應光學系統波前校正器的驅動器與波前傳感器的子孔徑最佳匹配關系，波前校正器的驅動器采用15*15的方形布局關系，間距為10mm；波前傳感器采用14*14的方形排布，間距為10mm；以波前校正器中心為坐標原點建立直角坐標系，根據影響區域最廣原則并為了便于計算選取坐標軸上對稱的驅動器25、89、96和160為特征驅動器；向25號特征驅動器施加1V的電壓采用區域法的弗雷德模型得到如圖3(a)所示波面，剛采用雙三次插值法得到如圖3(b)所示的更高分辨率的波面；采用質心算法得到特征驅動器的位置，如圖3(b)中+所示位置；循環上次操作分別得到89、96和160號驅動器的位置；如圖4(a)中所示Δθ為波前傳感器與波前校正器旋轉失配情況，tan(△θ)＝(y₈₉-y₉₆)/(x₈₉-x₉₆))；對特征驅動器的位置進行消旋后特征驅動器的位置如圖4(b)所示，Δx，Δy分別為水平方向和垂直方向的失配情況，△x＝(x₂₅+x₈₉+x₉₆+x₁₆₀)/4，△y＝(y₂₅+y₈₉+y₉₆+y₁₆₀)/4。如圖5(a)所示為采用傳統方法對光學系統進行精確調整，調整完畢后采用波前傳感器與波前校正器對準誤差的精密測量方法對波前傳感器和波前校正器的對準誤差進行計算，結果為條件數為：173.027，旋轉為：0.842°，水平方向平移為：2.776mm，垂直方向為:0.486；根據計算結果指導光學系統進行調整，調整后的結果如圖5(b)所示條件數為:30.382，旋轉為：0.792，水平方向平移為：-0.144mm，垂直方向平移為：0.025mm。采用自適應光學中波前傳感器與波前校正器誤差精密測量方法調整前后對比表明該方法對提高波前傳感器與波前校正器的對準進度，減小兩者之間的失配具有最要意義。

綜上所述，本發明可以有效地得到波前傳感器與波前校正器之間的對準偏差，可以有效的指導自適應光學系統中光機系統調整，從而提高自適應光學系統的校正能力和系統工作的穩定性。