專利名稱：基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種哈特曼波前傳感器的標(biāo)定裝置，特別是基于四象限探測器的哈特 曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝置。
背景技術(shù)：
哈特曼波前傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、原理直白而在現(xiàn)代的自適應(yīng)光學(xué)中用于實(shí)時(shí) 檢測被觀察波前的畸變量。它是由微透鏡和光電傳感器組成的一種以波前斜率測量為 基礎(chǔ)的波前測量儀器。能夠?qū)θ肷湫盘柟膺M(jìn)行波前相位的高分辨率探測，然后根據(jù)一 定的波前重構(gòu)算法進(jìn)行信號波前的波前重構(gòu)。為了高精度的探測波前相位，對哈特曼 傳感器自身的像差標(biāo)定就顯得更加重要， 一般的標(biāo)定方法均是利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平面波 入射到哈特曼系統(tǒng)中后，在光電傳感器上紀(jì)錄下各個(gè)子孔徑對應(yīng)光斑的質(zhì)心位置，在 進(jìn)行斜率計(jì)算時(shí)以此質(zhì)心位置為基準(zhǔn)。
由于工藝的原因，四象限傳感器的中心與沒有畸變時(shí)波前產(chǎn)生光斑的質(zhì)心不是嚴(yán) 格重合的。而采用四象限探測器作為光斑的位置探測時(shí)，對光斑采樣的離散化達(dá)到了 極限(2x2)，所以受到采樣誤差的影響，四象限探測器的輸出值與光斑的高斯寬度 相關(guān)，如圖4所示，所以當(dāng)四象限探測器的輸出值相同時(shí)，不同大小的光斑質(zhì)心所處 的位置相差很大，如圖5所示。在實(shí)際應(yīng)用中，哈特曼波前傳感器焦面上光斑的大小 會隨著大氣相干長度的變化而變化，而大氣的相干長度是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。如果不能減少 基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器在無波前畸變時(shí)的采樣誤差，在實(shí)際應(yīng)用中就 會因?yàn)闊o法為波前控制器提供準(zhǔn)確的波前畸變方向而導(dǎo)致自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)閉環(huán)失敗， 如圖6所示。
由于有了上述問題的存在，如何降低基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器在無 波前畸變時(shí)的采樣誤差，并能高靈敏度的提供波前畸變方向信息，使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 能夠在光斑大小隨機(jī)變化的情況下穩(wěn)定地校正波前畸變，就成了一個(gè)很重要的研究課 題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的撥術(shù)何題是克服傳統(tǒng)基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器由 于系統(tǒng)誤差帶來的采樣誤差影響而無法在光斑隨機(jī)變化時(shí)準(zhǔn)確提供波前畸變方向的缺 點(diǎn)，提出在該哈特曼波前傳感器前加一個(gè)標(biāo)定變形鏡，利用標(biāo)定變形鏡改變光斑的位 置，使標(biāo)定平面波形成的光斑質(zhì)心與四象限探測器的中心重合，從而消除系統(tǒng)誤差。 為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠在光斑大小隨機(jī)變化的情況下穩(wěn)定地校正波前畸變提供了核心 的解決方案。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于四象限探測器的哈特曼波前傳 感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝置，包括分光鏡、微透鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、 波前處理機(jī)和波前控制器，其特征在于在裝置中引入一個(gè)標(biāo)定變形鏡；分光鏡、標(biāo) 定變形鏡、微透鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、波前處理機(jī)和波前控制器構(gòu) 成裝置的標(biāo)定回路，首先標(biāo)定平面波入射到標(biāo)定變形鏡上，再反射進(jìn)入哈特曼波前傳 感器中，標(biāo)定回路閉環(huán)校正哈特曼波前傳感器的系統(tǒng)誤差，使微透鏡陣列上的每個(gè)微 透鏡的光斑質(zhì)心同與它對應(yīng)的四象限探測器中心相重合；分光鏡、標(biāo)定變形鏡、微透 鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、波前處理機(jī)、波前控制器和校正變形鏡構(gòu) 成裝置的校正回路，標(biāo)定完成后，保持標(biāo)定變形鏡的面型不變，校正回路閉環(huán)校正待 校正波前。
所述的標(biāo)定變形鏡的控制是依據(jù)輸入標(biāo)定平面波時(shí)標(biāo)定變形鏡的反射波前透過微 透鏡陣列和匹配透鏡后在四象限探測器陣列處形成光斑的質(zhì)心與四象限探測器陣列上 的四象限探測器中心的偏離量，利用波前控制器對偏離量處理后調(diào)整標(biāo)定變形鏡的面 型以改變其反射波前，完成標(biāo)定后反射波前透過微透鏡陣列和匹配透鏡后在四象限探 測器陣列處形成光斑的質(zhì)心與四象限探測器的中心相重合，此時(shí)四象限探測器的四個(gè) 象限的輸出的電壓值相等。
所述的閉環(huán)校正待校正波前是保持標(biāo)定變形鏡在標(biāo)定回路掛環(huán)完成標(biāo)定后的面 型，當(dāng)待校正波前為非平面波時(shí)，四象限探測器的四個(gè)象限輸出不相等，波前處理機(jī) 利用該輸出量動態(tài)地計(jì)算出各光斑質(zhì)心的偏離量，波前控制器對偏離量處理調(diào)整校正 變形鏡上的面型，校正變形鏡可以動態(tài)地將待校正波前校正成為平面波，從而達(dá)到自 適應(yīng)光學(xué)動態(tài)校正畸變波前的目的。
所述的利用四象限探測器的輸出計(jì)算光斑質(zhì)心的公式 (01+04) (C+")，其中 是四
象限探測器第I、 II、 III、 IV象限的輸出。
所述的標(biāo)定變形鏡在加電壓后，平面波照射在標(biāo)定變形鏡上的反射波前(D,在微透 鏡陣列的第i行第j列處子孔徑范圍內(nèi)x，y方向上滿足！ ff袖f",力血H
蓋l^^，力血辦^，其中&y、 A"分別是四象限探測器陣列上的第〖排第J 列的四象限探測器在x，y方向上的未對準(zhǔn)誤差。
本發(fā)明的原理是采樣誤差是由于四象限探測器對光斑的離散采樣造成的，但是
當(dāng)不同高斯寬度的光斑的質(zhì)心與四象限探測器的中心重合后，四象限探測器輸出的光
斑質(zhì)心位置恒為0 ，沒有采樣誤差。所以在基于四象限探測器陣列的哈特曼傳感器中， 當(dāng)輸入波前為平面波時(shí)，調(diào)整每個(gè)光斑的質(zhì)心與其對應(yīng)的四象限探測器的中心重合， 該哈特曼波前傳感器就可以實(shí)現(xiàn)在無波前畸變時(shí)的輸出為0、在波前發(fā)生畸變時(shí)的輸 出極性反應(yīng)波前畸變的方向。如果保持光斑位置不變，控制四象限探測器陣列中每一 個(gè)四象限探測器移動使其中心與光斑質(zhì)心對準(zhǔn)，需要控制每一個(gè)四象限探測器在2維 的方向上移動，在目前的條件下，這樣的系統(tǒng)是非常復(fù)雜和昂貴的，所以采取保持四 象限探測器的位置不變，使用標(biāo)定變形鏡產(chǎn)生一個(gè)特殊的面型，當(dāng)平面波在其表面反 射波前被微透鏡陣列分割后，形成的每個(gè)光斑的質(zhì)心能在x，y方向上產(chǎn)生特定位移來 與對應(yīng)的四象限探測器的中心對準(zhǔn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明解決了當(dāng)釆用基于四象限探測器陣列的哈特曼波前傳感器時(shí)，由于 工藝的原因，四象限探測器陣列與微透鏡陣列無法嚴(yán)格對準(zhǔn)，系統(tǒng)會因?yàn)椴蓸诱`差而 無法完成閉環(huán)的問題；
2、 本發(fā)明中基于四象限探測器陣列的哈特曼波前傳感器在完成標(biāo)定后的輸出 '是絕對的波前畸變方向，減少傳統(tǒng)標(biāo)定方法中需要將待校正波前的光斑質(zhì)心位置與標(biāo)
定波前的光斑質(zhì)心位置相減才能輸出待校正波前的光斑在x、 y方向上的位移這一步 驟，縮短了系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間，提高了系統(tǒng)的校正頻率；
3、 本發(fā)明在原理上與傳統(tǒng)技術(shù)完全一致，因此用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，除需
要加裝一變形鏡外，不需要額外的改造技術(shù)成本，方便實(shí)用。


圖1為基于四象限探測器的哈特曼傳感器標(biāo)定階段裝置示意圖2為基于四象限探測器的哈特曼傳感器閉環(huán)校正波前裝置示意圖3為基于四象限探測器的哈特曼傳感器常規(guī)標(biāo)定裝置示意圖；圖4為不同高斯寬度的光斑在不同位置的輸出值示意圖5為當(dāng)四象限探測器的輸出值相同時(shí)，不同高斯寬度的光斑的質(zhì)心所處的位置 示意圖，X是四象限探測器的輸出值，橫軸是光斑的高斯寬度，縱軸是光斑的實(shí)際位 置；
圖6為傳統(tǒng)方法標(biāo)定后輸出值的誤差示意圖，標(biāo)定時(shí)光斑的高斯寬度是OJmm; 圖7為標(biāo)定前(左)和標(biāo)定后(右)的四象限探測器陣列的輸出電壓信號示意圖。
圖中1:分光鏡，2:標(biāo)定變形鏡，3:微透鏡陣列，4:匹配透鏡，5:四象限 探測器陣列，6:波前處理機(jī)，7:波前控制器，8:校正變形鏡，9:微透鏡，10:四 象限探測器，11:標(biāo)定回路，12:校正回路，13:標(biāo)定平面波，14:標(biāo)定變形鏡的反 射波前，15:哈特曼波前傳感器，16:光斑，17:待校正波前，18:校正后的波前， 19:全反射鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本實(shí)施例的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝置，包含有-
分光鏡1、微透鏡陣列3、匹配透鏡4、四象限探測器陣列5、波前處理機(jī)6，波前控 制器7和校正變形鏡8;并在如圖3所示的現(xiàn)有的基于四象限探測器的哈特曼傳感器 常規(guī)標(biāo)定裝置中去掉全反射鏡19，引入一個(gè)標(biāo)定變形鏡2，其裝置如圖l所示；本發(fā) 明裝置共形成兩個(gè)回路，即標(biāo)定回路11和校正回路12;標(biāo)定回路11包括分光鏡1 、
標(biāo)定變形鏡2、微透鏡陣列3、匹配透鏡4、四象限探測器陣列5、波前處理機(jī)6和波
前控制器7;校正回路12包括分光鏡l、標(biāo)定變形鏡2、微透鏡陣列3、匹配透鏡
4、四象限探測器陣列5、波前處理機(jī)6、波前控制器7和校正變形鏡8。 (1)、標(biāo)定階段-
由于工藝的原因，四象限探測器陣列T上的西象限探測器10的中心與微透鏡陣列 3上的微透鏡9的中心并不是嚴(yán)格重合，所以當(dāng)標(biāo)定平面波13經(jīng)過分光鏡1的反射后 入射到標(biāo)定變形鏡2上，再反射通過微透鏡9和匹配透鏡4形成的光斑16的質(zhì)心同與 它對應(yīng)的四象限探測器10的中心不能重合，受到采樣誤差的影響，四象限探測器10 輸出的光斑16質(zhì)心坐標(biāo)值與光斑16的高斯寬度有關(guān)，如圖4所示。所以四象限探測 器10的輸出的光斑16質(zhì)心坐標(biāo)值相同時(shí)，不同高斯寬度的光斑16的質(zhì)心所處的位置 相差很大，如圖5所示。在實(shí)際應(yīng)用中，由于大氣湍流對光斑16高斯寬度的影響，光 斑16高斯寬度會隨機(jī)變化，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)無法閉環(huán)校正待校正波前17，如圖6所示。所以需要通過標(biāo)定回路n閉環(huán)校正哈特曼波前傳感器15'的系統(tǒng)誤差，使輸入為
平面波時(shí)，每個(gè)光斑16質(zhì)心同與它對應(yīng)的四象限探測器IO中心相重合。
當(dāng)輸入標(biāo)定平面波13時(shí)，四象限探測器陣列5的第i排第j列的四象限探測器10 在x，y方向上的偏離量五 ，五^的計(jì)算公式為
<formula>complex formula see original document page 8</formula>分別是四象限探測器陣列5的第i排第j列四象限探
n、 m、 iv象限的輸出。
利用波前控制器7對偏離量處理后調(diào)整標(biāo)定變形鏡2的面型以改變其反射波前14 在四象限探測器陣列5處光斑16的位置，標(biāo)定變形鏡2的反射波前140,(x,力在該子
孔徑處必須滿足下式
標(biāo)定前的四象限探測器陣列的輸出電壓信號示意圖如圖7左邊的圖所示；完成標(biāo) 定后光斑16的質(zhì)心同與它對應(yīng)的四象限探測器10中心相重合，四象限探測器10的四 個(gè)象限輸出的電壓值相等，標(biāo)定后的四象限探測器陣列的輸出電壓信號示意圖如圖7 右邊的圖所示；由于當(dāng)光斑16的質(zhì)心與四象限探測器10的中心重合后，其輸出值始 終為0，不會隨著光斑16高斯寬度的改變而改變，如圖4交點(diǎn)位置所示，此時(shí)采樣誤 差為0。
(2)、校正階段
當(dāng)閉環(huán)標(biāo)定完成后，接著進(jìn)行閉環(huán)校正，本實(shí)施例的基于四象限探測器的哈特曼 傳感器閉環(huán)校正波前裝置示意圖如圖2所示；保持標(biāo)定變形鏡2的面型不變，校正回 路12閉環(huán)校正待校正波前I7。在天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，校正回路12工作在積分方 式時(shí)，如果波前處理機(jī)6的輸出信號能讓波前控制器7發(fā)出一個(gè)與校正方向相同極性 的電壓給校正變形鏡8以改變其面型，由校正變形鏡8反射的校正波前18的畸變會逐 漸減小并最終消除。所以對于這種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來說，波前處理機(jī)6能夠準(zhǔn)確判斷 待校正波前17畸變的方向是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)的充分條件。"
當(dāng)待校正波面17為①時(shí)，'到達(dá)微透鏡陣列3處的波面為0> + <!>,， 0+0,通過第i 排第j列的微透鏡9和匹配透鏡4后在四象限探測器10處光斑16質(zhì)心位置J^，&為
<formula>complex formula see original document page 9</formula>(3)
義/
由于第i排第j列的四象限探測器在x,y方向上有五^.，五^的未對準(zhǔn)誤差，所以四象 限探測器10實(shí)際輸出到波前處理機(jī)6處光斑16的質(zhì)心坐標(biāo)為( ,a)正是待 校正波前17引起的，波前控制器7對偏離量( ，^)處理調(diào)整波前校正變形鏡8上的電
壓，校正變形鏡8可以動態(tài)地改變其面型將待校正波前17校正成為平面波I8，從而 達(dá)到自適應(yīng)光學(xué)動態(tài)校正畸變波前的目的。
綜上所述，在無波前畸變時(shí)，采用標(biāo)定變形鏡2使光斑16質(zhì)心與四象限探測器 10的中心重合，消除了由系統(tǒng)誤差引起的采樣誤差；當(dāng)有波前畸變時(shí)，四象限探測器 10輸出的是絕對的波前畸變量，可以減少波前處理機(jī)6的計(jì)算量。本發(fā)明為高精度、 高幀頻地校正目標(biāo)波前信號提供了核心的解決方案。
權(quán)利要求
1、基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝置，包括分光鏡(1)、微透鏡陣列(3)、匹配透鏡(4)、四象限探測器陣列(5)、波前處理機(jī)(6)和波前控制器(7)，其特征在于在裝置中引入一個(gè)標(biāo)定變形鏡(2)；分光鏡(1)、標(biāo)定變形鏡(2)、微透鏡陣列(3)、匹配透鏡(4)、四象限探測器陣列(5)、波前處理機(jī)(6)和波前控制器(7)構(gòu)成裝置的標(biāo)定回路(11)，首先標(biāo)定平面波(13)入射到標(biāo)定變形鏡(2)上，再反射進(jìn)入哈特曼波前傳感器(15)中，標(biāo)定回路(11)閉環(huán)校正哈特曼波前傳感器(15)的系統(tǒng)誤差，使微透鏡陣列(3)上的每個(gè)微透鏡(9)的光斑(16)質(zhì)心同與它對應(yīng)的四象限探測器(10)中心相重合；分光鏡(1)、標(biāo)定變形鏡(2)、微透鏡陣列(3)、匹配透鏡(4)、四象限探測器陣列(5)、波前處理機(jī)(6)、波前控制器(7)和校正變形鏡(8)構(gòu)成裝置的校正回路(12)，標(biāo)定完成后，保持標(biāo)定變形鏡(2)的面型不變，校正回路(12)閉環(huán)校正待校正波前(17)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝 置，其特征在于所述的標(biāo)定變形鏡(2)的控制是依據(jù)輸入標(biāo)定平面波(13)時(shí)標(biāo)定變形 鏡(2)的反射波前(14)透過微透鏡陣列(3)和匹配透鏡(4)后在四象限探測器陣列(5)處形 成光斑(16)的質(zhì)心與四象限探測器陣列(5)上的四象限探測器(10)中心的偏離量，利用波 前控制器(7)對偏離量處理后調(diào)整標(biāo)定變形鏡(2)的面型以改變其反射波前(14)，完成標(biāo) 定后反射波前(14)透過微透鏡陣列(3)和匹配透鏡(4)后在四象限探測器陣列(5)處形成 光斑(16)的質(zhì)心與四象限探測器(10)的中心相重合，此時(shí)四象限探測器(10)的四個(gè)象限 的輸出的電壓值相等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝 置，其特征在于所述的閉環(huán)校正待校正波前(17)是保持標(biāo)定變形鏡(2)在標(biāo)定回路(11) 閉環(huán)完成標(biāo)定后的面型，當(dāng)待校正波前(17)為非平面波時(shí)，四象限探測器(10)的四個(gè)象 限輸出不相等，波前處理機(jī)(6)利用該輸出量動態(tài)地計(jì)算出各光斑(16)質(zhì)心的偏離量， 波前控制器(7)對偏離量處理調(diào)整校正變形鏡(8)上的面型，校正變形鏡(8)可以動態(tài)地將 待校正波前(17)校正成為平面波(18)，從而迖封自適應(yīng)光學(xué)動態(tài)校正畸變波前的目的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、或2、或3所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的 自適應(yīng)標(biāo)定裝置，其特征在于所述的利用四象限探測器(10)的輸出計(jì)算光斑(16)質(zhì)心的公式為:<formula>see original document page 2</formula>,其中O1、O2、O3、O4別是四象限探測器(10)第I 、 II 、 III、 IV象艱的輸出。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo) 定裝置，其特征在于所述的標(biāo)定變形鏡(2)在加電壓后，平面波照射在標(biāo)定變形鏡(2) 上的反射波前(14)Φ,在微透鏡陣列(3)的第i行第j列處子孔徑范圍內(nèi)x,y方向上滿足<formula>see original document page 3</formula>，其中Exy，Eyij分別是四象限探測器陣列(5)上的第i排第j列的四象限探測器(10)在x,y方向上的未對準(zhǔn)誤差。
全文摘要
基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)標(biāo)定裝置，包括分光鏡、標(biāo)定變形鏡、微透鏡陣列、匹配透鏡、四象限探測器陣列、波前處理機(jī)和波前控制器，其特征在于首先利用標(biāo)定變形鏡改變四象限探測器光敏面處光斑的位置，讓光斑質(zhì)心與四象限探測器的中心重合，從而消除系統(tǒng)誤差；然后保持標(biāo)定變形鏡的面型不變，校正回路閉環(huán)校正待校正波前。本發(fā)明采用標(biāo)定變形鏡改變光斑的位置，讓光斑質(zhì)心與四象限探測器的中心重合，消除了由于系統(tǒng)誤差帶來的采樣誤差；并且結(jié)構(gòu)簡單、工作狀態(tài)穩(wěn)定，工藝容易實(shí)現(xiàn)；與現(xiàn)有的技術(shù)相比，還可以減少計(jì)算量，為高精度、高幀頻地校正弱目標(biāo)波前信號提供了條件。
文檔編號G01J9/00GK101344434SQ20081022209
公開日2009年1月14日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者饒長輝, 馬曉燠 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所