[發(fā)明專利]一種基于差分光學(xué)的相位差法波前測量成像裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210117123.4
• 申請日: 2012-04-19
• 公開（公告）號: CN102636271A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鮑華;饒長輝;李梅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01N21/41
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種波前測量成像裝置，特別是一種基于差分光學(xué)的相位差法波前測量成像裝置。

背景技術(shù)

波前(Wave?front)相差會使入射光束的波前發(fā)生畸變，從而大大降低光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨力以及成像質(zhì)量。自上世紀50年代，人們提出了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)(Adaptive?Optics，AO)，有效改善了光學(xué)成像系統(tǒng)，尤其是地基式望遠鏡的成像質(zhì)量。但受限于波前傳感器的探測精度，變形鏡的有限校正能力及控制回路的有限帶寬，AO系統(tǒng)對波前畸變的校正是部分的，其校正后的結(jié)果依然受到殘余相差的影響，服務(wù)于AO系統(tǒng)成像結(jié)果的事后處理方法一直是該領(lǐng)域的研究熱點。

相位差法(Phase?Diversity，PD)需要同時采集同一目標經(jīng)過不同光學(xué)通道的一組或多組圖像(通常為焦面和離焦面圖像)，來計算入射光波的波前畸變，并同時恢復(fù)出退化目標的真實像。因此PD既作為一種波前探測技術(shù)，又作為一種圖像事后處理方法，受到國內(nèi)外廣泛研究和關(guān)注，如美國亞里桑那光學(xué)中心、波音公司下屬實驗室、洛克希德-馬丁公司下屬實驗室、通用動力高級信息系統(tǒng)公司下屬實驗室等多家研究機構(gòu)相繼搭建了實驗平臺，以驗證PD方法的可行性和實用性(王欣，趙達尊，毛珩等，相位變更方法發(fā)展簡述[J].光學(xué)技術(shù)，2009，35(3)：454～460)。

然而根據(jù)PD算法原理，要求至少同時采集同一目標的焦面和離焦面兩幅圖像，這使得目前使用的PD光學(xué)成像系統(tǒng)存在多種局限。例如(1)利用兩個光電探測器CCD分別采集焦面和離焦面圖像的成像系統(tǒng)(中國專利，一種基于相位差的人眼相差測量系統(tǒng)，宣麗，李大禹，孔寧寧等，公開號：CN20205027561U，2011.11)，需要通過外觸發(fā)方式對同一目標同時成像，這樣一方面對外觸發(fā)電路提出較高要求，難以做到完全同步，另一方面也無法保證兩個光電探測器CCD的曝光增益、量子效率、噪聲水平等接近一致，這使采集到的數(shù)據(jù)難以反映真實焦面和離焦面圖像，實際應(yīng)用中嚴重影響了PD的測量精度和復(fù)原結(jié)果；(2)利用傳統(tǒng)分光技術(shù)通過一個光電探測器CCD同時采集焦面和離焦面圖像的成像系統(tǒng)(于學(xué)剛，相位差波前探測器設(shè)計[M].中國科學(xué)院研究生院碩士學(xué)位論文.2008；中國專利，一種基于組合棱鏡的相位差波前傳感器，羅群，饒長輝，王曉華等，申請?zhí)枺?01210027766.X，2012.02)，這類方法通常采用分光鏡或分光棱鏡和反射棱鏡組合的方式控制焦面和離焦面光束投射到一個光電探測器CCD靶面，但存在以下不足：光束在透過分光鏡時存在光能損失，這使得在弱光條件下的PD運用受到很大制約；無法提供從零逐漸可調(diào)的離焦量，在實際運用中不能為PD提供合適的離焦面圖像，難以保證測量和復(fù)原結(jié)果的真實準確；分光棱鏡組合存在多個反射表面，這對微光學(xué)元件的加工提出很高要求，否者每個表面都將對成像系統(tǒng)引入額外的未知相差，嚴重影響算法結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是：克服目前使用的PD光學(xué)成像系統(tǒng)的圖像采集方式難以在工程中運用的諸多局限，為相位差法波前測量技術(shù)提供一種成像裝置，實現(xiàn)僅利用一個光電探測器CCD就能同時采集焦面和離焦面圖像，并能提供光能比可調(diào)的焦面和離焦面光束，以及離焦量可從零開始逐漸增加的離焦面圖像，還能實現(xiàn)最大程度光能利用。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：基于差分光學(xué)的相位差法波前測量成像裝置，包括光束匹配系統(tǒng)(1)、成像透鏡(2)、分光鏡(3)、第一反射鏡(4)、帶有小孔的反射鏡(5)、第二反射鏡(6)、光電探測器(7)、第一平移機構(gòu)(8)和第二平移機構(gòu)(9)；其中光電探測器CCD(7)放置于第二平移機構(gòu)(9)上，第一反射鏡(4)置于第一平移機構(gòu)(8)上；待成像目標發(fā)出的光波經(jīng)光束匹配系統(tǒng)(1)縮放，得到與成像透鏡(2)口徑相匹配的光束，再經(jīng)過成像透鏡(2)得到匯聚光束，然后送至分光鏡(3)；分光鏡(3)將光波分為兩束，其中一束光作為焦面光束經(jīng)第二反射鏡(6)及透過帶有小孔的反射鏡(5)中的小孔反射到光電探測器CCD(7)；另外一束光作為離焦面光束經(jīng)第一反射鏡(4)和帶有小孔的反射鏡(5)反射到光電探測器CCD(7)；利用第二平移機構(gòu)(9)改變光電探測器CCD(7)的前后位置，使光電探測器CCD(7)位于焦面光束的焦面；利用第二平移機構(gòu)(9)改變光電探測器CCD(7)的上下、左右位置，調(diào)整焦面光束在光電探測器CCD(7)靶面的指定位置；在確定光電探測器CCD(7)的位置后，通過第一平移機構(gòu)(8)改變第一反射鏡(4)的前后位置，調(diào)整焦面光束和離焦面光束之間的光程差，從而產(chǎn)生從零逐漸增大的離焦面圖像，離焦面圖像對應(yīng)的離焦波面可采用下述公式計算：