专利名称：基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自适应光学系统的波前传感器，特别是一种视基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器。
背景技术：
自适应光学的基本理论国际上20世纪80年代之前就已经基本成熟；在国内，由姜文汉院士领导的国家863大气光学实验室，在90年代就已经基本完成整个自适应光学理论的发展并主持建立了多套自适应光学系统，达到了理想的波前探测、校正效果，使我国的自适应光学理论和工程都走在了世界的前列。
波前传感器是自适应光学系统的核心部件，它主要完成对入射信号光进行波前相位的高分辨率探测，然后根据一定的波前重构算法进行信号波前的波前重构，交给后面的波前校正器进行波前校正，以实现成像质量的提高；其中，夏克-哈特曼波前传感器在现在的自适应光学系统中是使用最多、应用最成熟的波前传感器；这种哈特曼传感器的原理性内容可以参见“Adaptive Optics for Astronomy”D.M.Alloin and J.M.Mariotti.KluwerAcademic Publishers，1994.“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski，B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997。传统哈特曼波前传感器的原理光路见图1。
但是，到目前为止，除了强激光自适应光学以外，传统的自适应光学系统都是工作在夜晚，一般只有三分之一的工作时段；究其原因，主要是传统的哈特曼波前传感器探测到的是入射光的波前信息，如果入射信号光比较弱同时背景光又比较强而致使目标信号淹没在背景信号中时，传统的哈特曼波前传感器将不再能完成从强背景中提取出弱信号再进行质心计算的功能。因此，现有的自适应光学系统在白天甚至晨昏线都无法正常工作而取得波前校正效果，这样，极大的降低了自适应光学系统的工作效率，浪费了昂贵的自适应光学系统的宝贵资源。
由于有了上述问题的存在，为了探索白天自适应光学系统使用的可能性，如何在白天强天光背景下提取出信号波前，并探测出信号波前的波前相位信息，就成了一个很重要的研究课题。
发明内容
本发明的技术解决问题克服的传统夏克-哈特曼波前传感器不能在白天或有背景杂光条件下工作的缺点，提供一种具备白天自适应光学波前探测能力的基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器，它能够在白天强背景光条件下进行弱目标信号波前的探测，为自适应光学系统在白天的工作提供最核心的解决方案。
本发明的技术解决方案一种基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器，包括组合光路缩束系统、分光棱镜、两个微透镜阵列、两个CCD探测器和波前处理机等主要组成部分，组合光路缩束系统共用一个入瞳匹配透镜并使入射光束分别通过两个独立的出瞳匹配透镜分成两束光缩束后输出，在入瞳透匹配透镜和两个出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有一定视场偏转角的分光棱镜，使从入瞳匹配透镜出来的光路沿两个不同的方向通过两个视场光阑，分别进入两个出瞳匹配和两个微透镜阵列后，成像在两个CCD器件上，由波前处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号处理就可以得到消除了背景天光的目标信号，再利用波前处理机进行质心计算、波前重构，最终完成白天自适应光学系统的正常工作。
所述的两个微透镜阵列的结构和工作性能参数尽量保持一致，一般取同一批次同一模型的微透镜阵列，在保证其子孔径数相同的前提下尽量保证其光吸收等参数的一致性。
所述的两个CCD均为面阵光电探测器，且结构相同，性能参数尽量一致。
所述的视场光阑为具有一定厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑，并且两视场光阑结构相同，尤其是其中心通光孔径要尽量保证精密相等；其厚度一般在1mm左右，中心通光圆孔的直径大小需要根据实际的自适应光学系统参数决定，一般中心通光圆孔直径范围为0.1-1mm。
本发明的原理在白天条件下，进入自适应光学系统的光信号包括强的背景光和弱的目标光，利用它们之间最本质的区别“视场差异很大”来完成消除天光背景影响的功能。一般来说，自适应光学系统所能探测的目标光视场FOV1很小，大约在几十个微弧度，但是严重影响波前探测的背景光的视场FOV2却远远大于目标光视场，尤其是在白天条件下，可以认为背景天光是无限扩展的朗伯体，因此本发明提出以“视场偏移”为基本工作原理的“基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器”来解决这个问题。其原理如图2所示，由分光棱镜直接透过的第一个光束直接进入第一个微透镜阵列，因此第一个CCD探测到的为弱目标和强背景的混合信号；由分光棱镜反射的第二个光束经过第二个视场光阑后进入第二个微透镜阵列，然后由第二个CCD探测器进行探测，由于哈特曼子孔径及其视场光阑的限制，目标光视场FOV1很小，与哈特曼子孔径视场FOV0相当，大约几十个微弧度，但是天光可以认为是无限扩展的朗伯体，其视场FOV2很大，即使是在自适应光学系统内，FOV2也要比FOV1大的多，基于这个原理，使第二个视场光阑在正常光路对准的条件下，给分光棱镜加一个很小的偏转角θ，即可以很容易的使目标光偏出哈特曼子孔径视场之外而不被第二个CCD探测器探测到，而背景光由于视场大不会受极小视场偏移的影响而照样在第二个CCD探测器上成像，这样该CCD探测器探测到的就是单纯的背景光信号，由波前处理机进行图像处理就可以得到消除了背景天光的目标信号，再进行质心计算、波前重构，这样最终完成白天自适应光学系统的正常工作。
本发明与现有技术相比有如下优点本发明使传统的自适应光学系统只能工作在夜间的状况得到彻底的改善，使自适应光学系统的工作时段扩展到接近原来的三倍，工作效率提高到接近原来的三倍；另外，本发明在制作上基本可以沿用传统的技术，因此不需要额外的技术成本，方便实用。
图1为传统哈特曼波前传感器光路结构示意图；图2为本发明提出的视场偏移哈特曼波前传感器光路结构示意图；图3为本发明光路、器件分解结构说明示意图；图4为本发明的室内验证实验采集的目标和背景混合信号图像；图5为本发明的室内验证实验采集的背景信号图像；图6为本发明的室内验证实验经过视场偏移处理后的目标信号图像。
具体实施例方式
如图1所示，传统的自适应光学哈特曼波前传感器主要包括光路缩束系统、微透镜阵列、CCD和波前处理机，它利用微透镜阵列对入射的信号波前进行子孔径分割，每个子孔径内光信号聚焦在其后的CCD上，利用CCD靶面能量的分布情况进行质心位置计算；哈特曼波前传感器主要是根据下面的公式(1)计算光斑的位置(xi，yi)，探测全孔径的波面误差信息xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm]]>yi=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm---(1)]]>式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到CCD3’光敏靶面上对应的像素区域，Inm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，xnm，ynm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。
再根据下面的公式(2)计算入射波前的波前斜率gxi，gyi
gxi=Δxλf=xi-xoλf]]>gyi=Δyλf=yi-yoλf---(2)]]>式中，(x0，y0)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(xi，yi)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测，再由波前处理机进行波前处理。
另外，实际的波前探测中，由于系统误差尤其是CCD光电探测器自身不可避免的噪声带来的误差原因，CCD所探测到的Inm实际上并不全是目标信号的能量，还包括背景杂光和CCD器件的暗电平等噪声能量，即有Inm＝Snm+Bnm(3)其中Snm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号能量，Bnm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的背景噪声能量；因此有xi=Σm=1MΣn=1NxnmSnm+Σm=1MΣn=1NxnmBnmΣm=1MΣn=1NSnm+Σm=1MΣn=1NBnm=sbr1+sbrxS+11+sbrxB---(4)]]>上述(4)式中的sbr定义为信号光能量和非信号光能量(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等背景能量的总和)的比值；从上述(4)式可以很明显的看出，实际哈特曼波前传感器所探测到的质心位置是有效目标信号质心与背景(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等总背景)质心的加权平均值，权重由信号光与背景能量之比sbr决定，这就决定了传统哈特曼波前探测的原理性约束sbr不能太小或背景能量不能太大，如果sbr太小背景能量太大，则由(4)式计算得到的质心位置必然不再准确，因此，传统哈特曼波前传感器必然不再具备对强天光背景下弱目标信号的波前探测能力。
如图2所示，本发明主要由组合光路缩束系统、带一定视场偏转角的分光棱镜及其相应的信号发生器、两个微透镜阵列、两个CCD探测器和波前处理机组成，组合光路缩束系统共用一个入瞳透匹配透镜1，以减小系统误差，在入瞳透匹配透镜1和两个出瞳匹配透镜4和4’之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角的分光棱镜2，使从入瞳匹配透镜1出来的光路沿两个不同的方向通过两个视场光阑3和3’，分别依次进入两个出瞳匹配4和4’和两个微透镜阵列5和5’后，成像在两个CCD探测器6和6’上，其中两个视场光阑3和3’的结构完全相同，以减小系统误差，两个视场光阑3和3’为具有一定厚度，中心有一个精密通光圆孔，圆孔的直径根据整个光路设计需要而具体的计算得到，以目前常用的自适应光学系统为参考，视场光阑中心圆孔直径一般在0.1-1mm范围内，两光阑的中心圆孔精度要求很高，保证其所限定的视场大小相等，并且视场大小等于或约小于一个哈特曼波前传感器子孔径视场，视场光阑3主要完成把目标光和背景光都以同样大小的视场限制在哈特曼子孔径视场之内，使CCD探测器6接收到的信号为目标光和背景光的总信号，视场光阑3’主要完成把目标光限制在子孔径视场之外同时让背景光顺利通过的功能，使CCD探测器6’接收到的信号为单纯的背景光信号；两个微透镜阵列5’和5’的结构完全相同，以减小系统误差，它实现对波前的子孔径分割，然后聚焦在后面的CCD器件上进行位置探测，采用微透镜实现子孔径分割波前的技术已经比较成熟，在传统的哈特曼波前传感器中的应用已经很普遍，并且现在制造微透镜的微光学加工技术也已经很成熟，因此，本发明提出的这种新的白天自适应光学波前传感器在器件制作上，也不需要额外的制作技术成本；两个CCD探测器6和6’结构和性能完全相同，采用面阵光电探测器，它实现将微透镜分割成子孔径后的光强信息进行高精度光电探测，根据聚焦光能在CCD靶面上的能量分布情况进行质心位置探测。
如图3所示，本发明的工作对象主要是强天光(扩展背景)下弱目标信号波前信息的探测，它的具体工作步骤如下首先，畸变的弱目标信号和强扩展天光背景信号的混合信号一起进入组合光路缩束系统共用的入瞳匹配透镜1处，经过分光棱镜2，按照P1∶P2(P1∶P2＝1∶1或＞1∶1)的分光比进行分光，分光比例P1部分进入视场光阑3，由于视场光阑3事先已经进行了准确的光路对准，因此，目标信号和背景信号光都在视场光阑3的视场光阑限制下进入出瞳匹配透镜4后再进入微透镜阵列5，这样，在CCD探测器6上接收到的即为目标信号与背景信号和的总信号的聚焦光斑如图4所示。
根据图4所示采集的图像可以很明显的看出，目标信号基本上与背景信号混合在一起，根据本发明具体实施方式
1中的(4)式，显然，用传统的哈特曼波前质心探测方法将无法从强背景信号中提取出目标信号并进行正确质心位置计算；所以，本发明在入瞳匹配透镜1和出瞳匹配透镜4之间设置了一个分光棱镜2，它根据自身的分光特性而反射一束光能量进入另一路光路的视场光阑3’，然后再经过出瞳匹配透镜4’和微透镜阵列5’，由CCD探测器6’探测后进行波前光强信息探测，如果在光路正常调好、视场光阑3’正常对准的条件下，那么目标光应该很顺利的通过视场光阑3’，CCD探测器6’和CCD探测器6’将采集到一样的信号均这目标和背景的和信号，这样将对消除天光背景没有任何意义。因此，本发明考虑到背景光和目标光的最大本质差异一视场不同，提出使分光棱镜2做一个很小的偏转角θ(θ需要根据实际工程系统的各项参数共同确定，以目前常用的自适应光学系统为参考，其角度范围一般在0.5°到1.5°)，即对应缩束光路中心焦点被偏出光轴之外，目标光因为视场小而被视场光阑3’挡住，因此不在CCD探测器6’上成像，而背景光视场FOV2＞＞FOV1目标光视场，因此，背景光将几乎不受到这样一个微小视场的偏移影响而照常的成像在CCD探测器6’上，这样CCD探测器6’上探测到的将为没有目标信号的纯背景信号，见图5所示。
其次，在前述工作基础上，得到了CCD探测器6和CCD探测器6’分别采集到的图像，然后做一个图像对应像素相减处理，即可得到消除了天光背景影响的纯信号图像如图6所示，从图6和图4的对比可以看出，本发明基本上完成了从强天光背景下提取出弱目标信号的功能，得到了比较清晰的信号图像如图6所示；最后，根据图6得到的信号图像，利用前述的公式(1)和公式(2)就可以很顺利的计算得到每个子孔径内的波前平均斜率，组成子孔径阵列斜率向量G；根据模式复原算法的基本原理，利用事先计算好的复原矩阵R，根据模式复原矩阵公式Z＝R*G (5)根据(5)式，可以很快得到波前的ZERNIKE系数矩阵Z，再根据ZERNIKE系数矩阵把波前在单位圆上展开即得到复原后的波前信息，最终实现白天自适应光学强背景下弱目标信号的波前探测功能。
本发明以上所述的具体实施过程是针对分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比为P1∶P2＝1∶1的情况下进行的原理性阐述。实际工作中，分光棱镜2的透射光能量P1和反射光能量P2的比值P1/P2也可以不为1，并且一般情况下其比值大于1，当P1/P2比值大于1时，可以通过对CCD6’的工作(数据采样)频率进行调制，同样可以实现本发明提出的视场偏移减背景功能。
假定P1/P2比值为R且R≠1时，对CCD6’的数据采样频率进行调制，使CCD6和CCD6’的数据采样频率不一致而分别为H1和H2，并且假定CCD的数据采样频率与自身的曝光时间T有关系H*T＝constant(常数) (6)保证调制后两CCD的数据采样频率与分光棱镜的分光比例有如下关系H1H2=P1P2=R---(7)]]>
根据(7)式，可以在分光棱镜透射光能量P1和反射光能量P2不相等时，通过调制CCD6和CCD6’的数据采样频率，同样可以实现视场偏移减背景处理的功能，完成本发明提出的基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器强背景下弱目标信号波前探测的功能。
权利要求
1.基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于包括组合光路缩束系统、分光棱镜、两个微透镜阵列、两个CCD探测器、波前处理机等主要组成部分；组合光路缩束系统共用一个入瞳匹配透镜并使入射光束分别通过两个独立的出瞳匹配透镜分成两束光缩束后输出，在入瞳透匹配透镜和两个出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角θ的分光棱镜，使从入瞳匹配透镜出来的光路沿两个不同的方向通过两个结构大小一样的视场光阑，分别依次进入两个出瞳匹配和两个微透镜阵列后，成像在两个CCD探测器上，由波前处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号处理就可以得到消除了背景光的目标信号，再进行质心计算、波前重构，最终完成白天自适应光学系统波前探测的正常工作。
2.根据权利要求1所述视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的分光棱镜的视场偏转角θ为0.5°～1.5°。
3.根据权利要求1或2所述视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比为P1∶P2＝1。
4.根据权利要求1或2所述视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比P1∶P2≠1时，对两个CCD探测器的数据采样频率进行调制，从而改变CCD探测器的曝光时间，以达到其采集的两个CCD探测器的背景光能量相同的目的，然后再实现两帧图像相减。
5.根据权利要求1或2所述的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的两个微透镜阵列的结构和工作性能参数保持一致。
6.根据权利要求1或2所述的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的两个CCD均为面阵光电探测器，且结构相同，性能参数一致。
7.根据权利要求1或2所述的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的视场光阑为具有厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑，并且两视场光阑结构相同。
8.根据权利要求7所述的视场偏移哈特曼波前传感器，其特征在于所述的中心通光孔径保证精密相等，厚度为0.8～1.2mm，中心通光圆孔的直径为0.1-1mm。
全文摘要
基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器，包括两路光路缩束系统、两个微透镜阵列、两个CCD探测器和波前处理机，两路光路缩束系统共用一个入瞳透匹配透镜，在缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角的分光棱镜，使从入瞳匹配透镜出来的光路沿两个不同的方向通过两个视场光阑，分别依次进入两个出瞳匹配和两个微透镜阵列后，成像在两个CCD器件上，由波前处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号处理就可以得到消除了背景天光的目标信号，再进行质心计算、波前重构，最终完成白天自适应光学系统的正常工作。本发明使自适应系统具备在白天强天光背景下弱目标信号波前探测的能力，提高传统哈特曼波前传感器的工作效率到接近原来的三倍。
文档编号G01J9/00GK1804566SQ20061001120
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月16日 优先权日2006年1月16日
发明者李超宏, 鲜浩, 懂道爱 申请人:中国科学院光电技术研究所