[發明專利]一種無波前感知自適應光學成像系統及其成像方法

有效

• 申請號: 201810429403.6
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108646407B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 文良華;程翔;程曉洪;邵菊香
• 申請（專利權）人: 宜賓學院
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 李鵬

本發明公開了一種無波前感知自適應光學成像方法，包括波前控制器、遠場探測相機、高壓放大器、波前校正單元變形反射鏡、采集計算機和目標成像相機；波前控制器根據遠場探測相機接收的目標局部成像，采用尋優控制算法，并輸出多通道電壓控制信號于高壓放大器后并驅動波前校正單元變形反射鏡，實現波前的校正，使圖像采集計算機接收到目標成像相機的高分辨目標圖像。本發明的優點在于：提高自適應光學校正速度和波前畸變校正能力，獲得高分辨的目標圖像。

技術領域

本發明涉及光學成像技術領域，特別涉及一種無波前感知自適應光學成像系統及其成像方法。

背景技術

無波前感知自適應光學廣泛應用于波前位相躍變，信標難以獲取，暗弱目標及一些特殊應用場合，如：共焦顯微鏡、空間目標、遙感、光學相干層析等成像應用領域；實現成像系統光學誤差和緩慢變化波前像差的反饋校正，并獲得高分辨率圖像。無波前感知自適應光學系統波前校正速度主要取決于波前校正算法和遠場探測相機的幀頻。當系統采用控制校正算法一定時，波前校正迭代速度主要取決于遠場相機探測幀頻，即遠場相機的采集幀頻越快，波前校正迭代速度越快。然而，在擴展目標成像應用中，目標成像的大視場、全靶面成像探測使遠場相機工作在極低的幀頻下，導致了無波前感知自適應光學波前校正迭代速度嚴重下降。因此，出現了目標成像對相機大視場、全靶面、高分辨率的要求和自適應光學控制對相機高幀頻需求之間的矛盾。單一提高相機的全靶面探測幀頻的方法潛力有限，尤其在一些特殊成像波段(紅外波段)，由于光電量子轉換效率極低，相機成本動輒上百萬，提高全靶面幀頻將進一步加劇成像系統的成本。

目前，根據信息光學可知：成像光束波前畸變(像差)的存在，導致成像系統的點擴散函數(Point Spread Function,PSF)彌散，而非相干成像可以理解為成像目標上的點與成像系統不同空間頻率位移PSF的卷積疊加，PSF彌散導致成像分辨率下降。故通用的無波前感知的自適應系統基于圖像最優時成像光束波前畸變最小的原理，實現波前像差的校正，獲得高分辨成像。具體原理可以用式(1)和式(2)說明。

式中(x,y)為成像焦面的坐標，(ξ,η)為入瞳面坐標，A(ξ,η)和R(ξ,η)分別無窮遠處點光源在成像系統入瞳面的振幅和波前位相函數，k波數，z為成像焦距。根據點目標成像波前畸變對焦面光強的影響可知，當R(ξ,η)≠0時，遠場光斑I(x,y)即成像系統的PSF彌散，成像分辨率下降。

g(x,y)＝f(x,y)*d(x,y)+w(x,y) (2)

式中g(x,y)為擴展目標的像，f(x,y)為擴展目標函數，d(x,y)為成像系統的點擴展函數(PSF)，w(x,y)為成像探測器的加性噪聲函數，符號*表示為二維空域的線性卷積。

通用無波前感知自適應光學擴展目標成像系統結構主要由：波前校正單元變形反射鏡、高壓放大器、波前控制器、遠場探測與目標成像相機、和聚焦透鏡組成。其波前畸變校正過程為：根據圖像的優化指標，采用尋優控制算法，向波前校正單元(變形鏡)施加擾動電壓，CCD相機測量焦面光強形成反饋圖像信號，控制器計算反饋圖像的優化指標，向最優化指標量的方向迭代，尋求一定約束條件下的最優控制電壓輸出量，實現波前畸變的反饋校正，從而獲得高分辨目標圖像。

基于通用無波前感知自適應光學的擴展目標高分辨成像系統實施過程，以經典算法-隨機并行梯度下降(SPGD)算法為例，其技術方案實施步驟為：

步驟1：控制器產生K時刻服從獨立同分布的多通道隨機擾動電壓生成K時刻負向控制電壓信號，經高壓放大器后作用于變形鏡，遠場相機采集目標圖像，并向控制器輸入反饋信號，控制器計算K時刻反饋圖像優化指標J(V_-^(k))。

步驟2：控制器生成K時刻正向控制電壓信號，經高壓放大器后作用于變形鏡，遠場相機采集目標圖像，并向控制器輸入反饋信號，控制器計算K時刻反饋圖像優化指標J(V₊^(k))