[發明專利]一種基于模式的同步無波前自適應光學系統

有效

• 申請號: 201611093372.9
• 申請日: 2016-12-02
• 公開（公告）號: CN106526839B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 文良華;楊平;王帥;陳善球;許冰
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于模式的同步無波前自適應光學系統，其特征在于：該系統主要由波前校正單元變形鏡(1)、聚焦透鏡(2)、遮攔小孔(3)、遠場探測相機(4)、控制器(5)和高壓放大器(6)構成，相機探測遠場光強分布形成反饋控制信號，控制器完成遠場反饋信號的數據處理與控制算法，獲取當前時刻的遠場二階中心矩及其增量，根據線性近似關系復原出波前畸變中含有的與擾動電壓所對應的像差模式的系數，利用變形鏡影響函數與模式基函數的關系矩陣，將復原出的模式系數轉換成電壓信號，經高壓放大器放大并施加于變形鏡形成像差閉環校正，工作步驟如下：

步驟1：離線計算校正的像差模式基函數F_i(x,y)的斜率相關矩陣C_N，對C_N奇異值SVD分解并構造新的模式基函數將原模式基函數斜率相關矩陣K對角化為新的模式基函數的斜率相關矩陣L，

像差Φ(x,y)表示為：

其中v_i為像差模式基函數的系數，V_M是在模式基數集F_M下各模式對應的系數矢量；

原模式基函數斜率相關矩陣K為：

其元素定義為：

其中S為光瞳面積；

原模式基函數斜率相關矩陣K的SVD分解為：

L＝C^-1K(C^-1)^T (4)

新的像差模式函數為：

其中F_N為N階像差模式基函數；

新的模式基函數的斜率相關矩陣為：

其元素的定義為：

步驟2：控制器在線隨機產生多組不同干擾強度的像差，計算并記錄每組像差的斜率的平方均值SM，

其中S為光瞳面積；

通過像差與變形鏡影響函數矩陣，將隨機產生的波前像差轉換為電壓信號，經高壓放大器放大后逐一施加于變形鏡；

步驟3：遠場探測相機采樣每組隨機像差施加于變形鏡后的光強分布，計算并記錄光強分布的二階中心矩MDS，

其中P，Q分為遠場光強分布相機采樣的行數與列數，I(i,j)為靶面像素的灰度值，R為遠場提取半徑；

步驟4：對步驟2記錄的多組SM和步驟3記錄的多組MDS進行線性擬合，獲取系統的SM與MDS的近似線性常量C₀，

SM≈C₀(1-MDS) (10)

步驟5：對變形鏡施加αG_i(x,y)對應的擾動電壓，相機采樣遠場光強，控制器計算MDS的增量Mi，利用步驟4的線性關系和步驟2中式(8)表示的關系獲取入射波前像差中含有G_i(x,y)的像差模式系數v_i，

并將其轉換為電壓信號經高壓放大器后作用于變形鏡，完成對變形鏡施加一次αG_i(x,y)模式像差擾動后，一次G_i(x,y)像差的有效校正的同步迭代機制；

步驟6：重復步驟5的同步校正機制，對變形鏡施加所有像差模式G_i(x,y)(i＝1，2…N)對應的電壓擾動并校正相應模式像差，完成一個像差校正周期的迭代，視遠場分布情況決定是否重復步驟5與步驟6的同步校正流程；

所述的控制器只需完成相機采樣的遠場光強信號的二階矩MDS的計算，系統涉及的模式重構，波前像差斜率相關矩陣獲取及電壓與變形鏡影響函數矩陣計算可事先離線完成，極大減小了控制器的運算復雜度和內存要求，為控制器的小型化、輕量化及低功耗的嵌入式系統實現創造了條件；

對波前斜率相關矩陣實現了解耦合和對角化，對變形鏡施加一次像差模式的擾動后，完成一次相應像差模式的同步校正，因此相鄰兩次像差校正的延時取決于一次電壓擾動時間和相機采樣周期，而與像差模式的階數N無關；極大地改善了系統時域相關性，提高了系統對動態像差的校正能力，擴展了其應用領域；

所述的校正單元變形反射鏡根據應用場合替換成像差校正元件，或者選擇液晶校正器、分離式校正元件，系統采用的像差校正元件無具體限制；所述的相機是面陣光電探測器，系統構成元件可靈活替換，因而擴展了其應用范圍；

通過正交化波前模式基函數斜率相關矩陣，重構新的像差模式基函數，將相鄰兩次波前像差校正延時縮短為Δt＝T，實現一次模式擾動一次相應像差模式校正的同步校正迭代機制，解決了已有系統校正延時隨像差模式數N增加的問題，適用于動態像差校正的應用。