[發(fā)明專利]哈特曼波前探測器子孔徑內(nèi)多項模式的波前探測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610858652.8
• 申請日: 2016-09-28
• 公開（公告）號: CN106546326B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宣麗;李大禹;徐煥宇;姚麗雙;張佩光;曹召良;穆全全;楊程亮;彭增輝;劉永剛;王少鑫;張杏云;王啟東;王玉坤;朱召義
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01J1/38
• 分類號: G01J1/38;G01J1/04
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務(wù)所(普通合伙)22210
• 代理人: 南小平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于哈特曼波前探測器的波前探測方法。涉及哈特曼波前探測器的子孔徑內(nèi)存在傾斜以外像差時的波前重構(gòu)算法，使得在子孔徑內(nèi)可以獲得多項模式系數(shù)，相應(yīng)增大子波前的直徑，提高波前探測靈敏度。

背景技術(shù)

利用望遠鏡對天體目標進行觀測時，由于大氣湍流的隨機干擾，成像光波前發(fā)生動態(tài)畸變，導(dǎo)致望遠鏡成像分辨率下降。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可實時探測和校正大氣湍流造成的畸變波前，以恢復(fù)望遠鏡理想的高分辨率成像。哈特曼波前探測器是當前自適應(yīng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的波前探測器。該探測器如圖1所示，由前置的微透鏡陣列1與位于微透鏡陣列焦平面上的背部相機2組成，單個微透鏡的口徑為d、焦距為f，微透鏡陣列所處平面的坐標系為ξ-η，微透鏡陣列將望遠鏡輸出的畸變波前分割為不同傾斜度的平面子波前陣列，使通過的子光束在相機上會聚成光點斑，在相機像素構(gòu)成的與ξ-η二維坐標系平行的x-y坐標系中計算光點斑質(zhì)心位置，可獲得子波前的二維傾斜數(shù)據(jù)。利用子波前陣列的所有二維傾斜數(shù)據(jù)，即可重構(gòu)出望遠鏡輸出的整體畸變波前。

望遠鏡輸出的整體畸變波前的重構(gòu)方法如下：

根據(jù)任意波前Φ(ξ,η)都可以用Zernike模式函數(shù)的多項式表示的原理，Φ(ξ,η)寫成為：

此處k對應(yīng)Zernike模式項序數(shù)，a_k為每一項Zernike模式的權(quán)重系數(shù)，n為組成波前Φ(ξ,η)的Zernike模式總數(shù)；n由湍流強度參數(shù)大氣相干長度和望遠鏡口徑?jīng)Q定，當望遠鏡口徑D＝1m、大氣相干長度r₀＝10cm時，通常選n＝36；因為第一項Zernike模式為常數(shù)在波前擬合中不起作用，故選擇k＝2、3、…、n；令每一項Zernike模式的位相起伏PV值為1λ，λ為所探測光波段的中心波長，分別解出各項Zernike模式的面形位相數(shù)值解；利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的另一關(guān)鍵器件波前校正器及其位相－驅(qū)動電壓關(guān)系，將Z_k(ξ,η)的面形位相數(shù)值轉(zhuǎn)換成波前校正器的驅(qū)動電壓分布值，從而逐項將Zernike模式的面形位相施加在波前校正器上，在哈特曼波前探測器上測量出每個光點斑陣列上光點斑質(zhì)心與標定位置的偏移量，由計算機換算出子波前在x軸和y軸上的斜率；根據(jù)中國發(fā)明專利(ZL 201410203990.9)，“最小二乘法測量液晶波前校正器響應(yīng)矩陣的方法”，定義光點陣的有效光斑數(shù)為M，光斑序數(shù)為m＝1、2、3、…、M，由這一系列子波前斜率組成響應(yīng)矩陣R：

此處k仍對應(yīng)Zernike模式項序數(shù)，m對應(yīng)哈特曼波前探測器上的子孔徑序數(shù)m＝1、2、3、…、M，通常要求M>n，上角標x和y分別代表x軸和y軸上的子波前斜率，到此得到了一個2M行n-1列響應(yīng)矩陣R，并被存入控制該自適應(yīng)系統(tǒng)的計算機。

對于哈特曼波前探測器探測到的望遠鏡輸出的任意波前Φ(ξ,η)，均可在背部相機2的像素構(gòu)成的x-y坐標系中計算出光點斑陣列的各個光點斑質(zhì)心位置，從而獲得各個子波前的二維傾斜數(shù)據(jù)，表達為2M個波前斜率組成的列向量s，并有s＝Ra，a是用Zernike模式多項式表達的所探測波前Φ(ξ,η)的Zernike模式系數(shù)a_k構(gòu)成的列向量，控制計算機由這個矩陣方程可以解出列向量a，即可重構(gòu)出望遠鏡輸出的任意波前Φ(ξ,η)。

依據(jù)以上所述，哈特曼波前探測器的設(shè)計基于以下兩點：1)微透鏡子孔徑d對應(yīng)的子波前直徑與大氣相干長度相等，子波前為只有傾斜的平面波；2)通過微透鏡聚焦在相機上的光點斑分布在2×2像素或更多的像素上，以保證光斑質(zhì)心的計算精度，同時光點斑還限定在4×4像素或更多像素組成的子窗口內(nèi)，要保證光點斑有足夠的移動距離以滿足波前探測動態(tài)范圍。

鑒于哈特曼波前探測器的設(shè)計原理，也構(gòu)成如下缺點：1)由于子孔徑將畸變波前分割為子波前，探測光能量受限于子孔徑，限制了自適應(yīng)系統(tǒng)可成像的極限星等；2)子孔徑的設(shè)計與大氣相干長度相等，但每天的大氣相干長度會在幾厘米范圍內(nèi)隨機變動，尤其變短時會造成子波前內(nèi)出現(xiàn)傾斜以外的離焦和像散畸變，經(jīng)常破壞會聚光點斑的中心對稱性，進而造成波前重構(gòu)的嚴重誤差。

如果能將子孔徑內(nèi)的離焦和像散畸變計算出來，不僅可以保證波前重構(gòu)精度，還能相應(yīng)減少子孔徑的設(shè)計數(shù)量、增大子波前的直徑，等于增加了子孔徑內(nèi)收集的光能量，提高哈特曼波前探測器的探測靈敏度即可探測的極限星等。

發(fā)明內(nèi)容