[發明專利]基于相位差法的自適應光學系統近場波前傳感器標定裝置及標定方法

無效

• 申請號: 201210341460.1
• 申請日: 2012-09-14
• 公開（公告）號: CN102889935A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 饒長輝;羅群;顧乃庭;鮑華
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01M11/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 賈玉忠;盧紀

技術領域

本發明涉及一種基于相位差法的自適應光學系統近場波前傳感器標定裝置及標定方法。

背景技術

自適應光學系統是目前大多數光學系統提高成像分辨率的有效手段，尤其對于復雜性高、光學元器件多的大型光學系統。自適應光學系統主要包含波前探測器、波前控制器和波前校正器等3個部分。首先由波前探測器對光路中的波前畸變進行探測，并通過波前控制器計算對應波前校正器的校正量，最終通過波前校正器實施波前校正，從而達到更高的成像質量或能量集中度等。由于波前校正器的非線性響應特性，目前主要自適應光學系統均采用多次閉環控制的方法實現對波前畸變的校正。對于波前探測而言，基于近場光強分布信息的波前檢測技術較為廣泛的應用于自適應光學系統中，典型代表為哈特曼-夏克型波前傳感器，其能量利用率高、波前探測速度快、結構簡單，使之成為很多自適應光學系統中不可缺少的探測器件。

然而，在很多成像系統中，基于近場光強分布信息的波前探測器僅能夠探測進入成像系統之前部分光路的像差，對于進入成像系統后的波前畸變則無法完成波前診斷，這常常使得自適應光學系統波前控制能力限制在某一較低水平上，其根本原因在于未對該成像系統全光路像差實施完整校正。2009年，黃林海等人在專利號：200910241233的“基于遠場性能指標的自適應光學系統標定裝置”中提出采用基于SPGD的方法對全光路像差進行標定，基本做法是：利用SPGD算法控制波前控制器，使得像面成像質量達到最好狀態時記錄校正器控制量，定義為預校正量，并在每次自適應光學系統閉環校正器時將該預校正量預先加載到校正器中。這種方法沒有客觀測量數據做基準，往往需要很多次試探性校正后才能獲得較好的效果，對于某些較復雜的成像系統，其波前控制效果影響因素較多，過程較為復雜，存在一定的不穩定性。此外，由于校正器的非線性響應，這種預加校正量的方式往往不能達到較好的波前控制效果。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于相位差法的自適應光學系統近場波前傳感器標定裝置及標定方法，實現對全光路靜態像差的完整校正。

本發明的技術解決方案：一種基于相位差法的自適應光學系統近場波前傳感器標定裝置及方法，包括波前校正器1、第一分光鏡2、近場波前傳感3、波前控制器4、成像系統5和相位差波前傳感器6；相位差波前傳感器6與成像系統5共用成像光路；標定光束在從波前校正器1反射并最終進入近場波前傳感器3的傳播過程中，由于各光學鏡面的加工以及裝配誤差等因素，使得最終進入近場波前傳感器中的光束含有一不隨時間變化的靜態像差該靜態像差由于產生于近場波前傳感器3和相位差波前傳感器6的共用光路中，因此，這里將從波前校正器1反射并最終進入近場波前傳感器3的傳播過程中靜態像差稱為自適應光學系統共光路靜態像差。

如前所述，標定光束在經過第一分光鏡反射2后入射于成像系統5和相位差波前傳感器6中，成像器件5后方的匯聚光路中引入第二分光鏡9，透射光束仍然成像于焦面位置，反射光束成像于離焦位置，離焦面位置與相應焦面位置之間的距離為已知量，記為d；第一成像探測器8置于透射光束所在的焦面位置，用于測量標定光束經過波前校正器反射并最終進入第一成像探測器8光敏面后的光強分布信息I；第二成像探測器10置于反射光束所在的離焦面位置，用于測量標定光束經過波前校正器反射并最終進入第二成像探測器10光敏面后的光強分布信息I_d。標定光束在從波前校正器1和第一分光鏡2反射并最終進入第一成像探測器8的傳播過程中，由于前文所述的自適應光學系統共光路靜態像差以及第二分光鏡9及成像系統5的加工以及裝配誤差等引入的額外波前像差，該相差為不隨時間變化的靜態像差，記為該靜態像差包含了自適應光學系統共光路靜態像差和成像系統像差等自適應光學系統全系統像差，因此這里將靜態像差稱為自適應光學系統全光路靜態像差。相對而言，標定光束在從波前校正器1反射并最終進入第二成像探測器10的傳播過程中，其與第一成像探測器之間僅存在一個已知的離焦像差，該離焦像差與離焦距離d有定量關系，即為

根據第一成像探測器8和第二成像探測器10實際測量的焦面光強分布信息I和離焦面光強分布信息I_d，以及二者之間已知的離焦像差大小可以測量得到自適應光學系統全光路靜態像差該自適應光學系統全光路靜態像差與焦面光強分布信息I、離焦面光強分布信息I_d以及二者之間已知的離焦像差大小的定量數學關系如下：

其中，i為虛數單位，表示傅里葉變換，p(r)表示光瞳振幅分布函數。