專利名稱：一種采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用的哈特曼波前傳感器，特別是一種采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器。
背景技術(shù)：
哈特曼波前傳感器以其較高的測(cè)量實(shí)時(shí)性、合適的測(cè)量精度等特性，最早應(yīng)用在天文自適應(yīng)光學(xué)中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，哈特曼波前傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理直白而作為一種精密的波前測(cè)量?jī)x器廣泛應(yīng)用于在鏡面面型檢測(cè)、激光參數(shù)診斷、流場(chǎng)CT重建、 人眼像差診斷、光路準(zhǔn)直等方面。哈特曼波前傳感器一般由微透鏡和CC D相機(jī)組成，是一種以波前斜率測(cè)量為基礎(chǔ)的波前測(cè)量?jī)x器。哈特曼波前傳感器在工作時(shí)，微透鏡陣列將被檢測(cè)波面分成若干個(gè)采樣單元， 這些采樣單元分別由高質(zhì)量透鏡匯聚在分離的焦點(diǎn)上，然后用C⑶相機(jī)接收。每個(gè)子孔徑范圍內(nèi)的波前傾斜將造成其光斑的在X和y方向上的位移，光斑的質(zhì)心在X和y方向上的偏離程度反映了對(duì)應(yīng)采樣單元波面在兩個(gè)方向上的波前斜率。在澤尼克模式波前復(fù)原算法中，復(fù)原波前的澤尼克系數(shù)是通過(guò)波前斜率向量與復(fù)原矩陣相乘后得到的， 所以波前斜率向量計(jì)算得越正確，復(fù)原波前的誤差也就越小(Chaohong Li，Hao, Xian, “measuringstatistical error of Shack-Hartmann wavefront sensor with discrete detectorarrays，，，Journal of Lightwave Technology, 2007)。哈特曼波前傳感器作為一種精密的波前測(cè)量?jī)x器時(shí)，受到噪聲的影響，測(cè)量得到的光斑質(zhì)心的帶有誤差，一般可以通過(guò)提高光斑信噪比的方法來(lái)提高光斑質(zhì)心測(cè)量的精度 (姜文漢，鮮浩，沈鋒“夏克-哈特曼波前傳感器的探測(cè)誤差”，量子電子學(xué)報(bào)，1998)，然而受 CCD相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的限制，當(dāng)入射波前的光功率密度均勻性較差時(shí)，在光強(qiáng)較弱的子孔徑內(nèi)，CCD相機(jī)的信噪比較低，根據(jù)該子孔徑內(nèi)光斑的光功率密度計(jì)算得到的光斑質(zhì)心的誤差較大，從而會(huì)影響復(fù)原波前的精度。由于有了上述問(wèn)題的存在，如何提高哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時(shí)每個(gè)子孔徑內(nèi)光斑的信噪比而CCD相機(jī)又不會(huì)局部飽和，從而提高哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時(shí)的波前復(fù)原精度，就成為了一個(gè)很重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，提高了光斑的質(zhì)心測(cè)量精度，使整體波前復(fù)原的精度提高。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于包括分光鏡、光功率密度測(cè)量?jī)x、分步采集控制器、微透鏡陣列、CCD相機(jī)、質(zhì)心計(jì)算器和波前復(fù)原器；入射波前經(jīng)分光鏡后分為波前能量測(cè)量部分和波前斜率測(cè)量部分；波前能量測(cè)量部分進(jìn)入光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x，波前斜率測(cè)量部分經(jīng)微透鏡陣列分割后在CCD相機(jī)處形成光斑陣列；光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x測(cè)量入射波前的光功率密度并將光功率密度數(shù)據(jù)傳遞給分步采集控制器；分步采集控制器首先根據(jù)入射波前的光功率密度特性和CCD相機(jī)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)對(duì)光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個(gè)子孔徑集合的曝光時(shí)間，分步采集控制器再控制CCD相機(jī)按照每個(gè)子孔徑集合的曝光時(shí)間分步采集光斑數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳遞給質(zhì)心計(jì)算器，分步采集控制器最后控制質(zhì)心計(jì)算器分步計(jì)算出每個(gè)子孔徑集合的光斑質(zhì)心并傳遞給波前復(fù)原器，波前復(fù)原器將質(zhì)心計(jì)算器得到的質(zhì)心排列為質(zhì)心向量后計(jì)算得到入射波前的斜率向量并復(fù)原出入射波前的相位分布。所述分步采集控制器根據(jù)入射波前的光功率密度的特性和CCD相機(jī)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)對(duì)光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個(gè)子孔徑集合的曝光時(shí)間的過(guò)程如下首先分步采集控制器計(jì)算微透鏡陣列的單個(gè)子孔徑內(nèi)達(dá)到光斑質(zhì)心測(cè)量精度時(shí)所需最低信噪比要求時(shí)入射光能量的最小值Emin和光斑最大值達(dá)到CCD相機(jī)規(guī)定量程時(shí)的入射光能量的最大值Emax ;然后將光功率密度測(cè)量?jī)x測(cè)量得到的光強(qiáng)按微透鏡陣列的排布進(jìn)行分割，對(duì)單個(gè)子孔徑內(nèi)的光強(qiáng)積分得到子孔徑內(nèi)的入射光功率Pk，k為子孔徑編號(hào)；再將每個(gè)子孔徑內(nèi)的光能量要求和光功率相除得到曝光時(shí)間的下限ttain = Pk/Emax和曝光時(shí)間的上= ，將滿足同一曝光時(shí)間范圍的子孔徑合并采集，得到每步采集的子孔徑集合及每次采集的子孔徑集合的曝光時(shí)間。所述滿足同一曝光時(shí)間范圍的子孔徑合并采集過(guò)程如下(a)將子孔徑編號(hào)k與曝光時(shí)間的上限tkmax、曝光時(shí)間的下限tkmin對(duì)應(yīng)，形成子孔徑編號(hào)向量K、曝光時(shí)間上限向量Tmax和曝光時(shí)間下限向量Tmin ；(b)取出曝光時(shí)間上限向量Tmax中最小值tmax的子孔徑編號(hào)，并找出曝光時(shí)間下限向量Tmin小于tmax的子孔徑編號(hào)，形成以tmax為曝光時(shí)間的子孔徑集合；(C)將步驟(b)中取出的子孔徑編號(hào)從子孔徑編號(hào)向量K中取出，并取出曝光時(shí)間上限向量Tmax和曝光時(shí)間下限向量Tmin中對(duì)應(yīng)的tkmax和tkmin值；(d)重復(fù)步驟(b)和(C)，直到所有子孔徑都取出，從而實(shí)現(xiàn)滿足同一曝光時(shí)間范圍的子孔徑合并采集。為避免CXD相機(jī)飽和，所述光斑最大值達(dá)到CXD相機(jī)規(guī)定量程不等于CXD相機(jī)的滿量程，根據(jù)實(shí)際情況光斑最大取CCD相機(jī)滿量程的80% 90%。本發(fā)明的原理是在哈特曼波前傳感器內(nèi)部加裝光功率密度測(cè)量?jī)x和分步采集控制器來(lái)分步控制每個(gè)子孔徑曝光的曝光時(shí)間和質(zhì)心計(jì)算器分步計(jì)算的子孔徑的質(zhì)心。在分步采集控制器的控制下，對(duì)于光強(qiáng)較強(qiáng)的子孔徑，CCD相機(jī)的曝光時(shí)間較短，不會(huì)達(dá)到飽和； 而對(duì)于光強(qiáng)較弱的子孔徑，CCD相機(jī)的曝光時(shí)間較長(zhǎng)，從而提高了信噪比。為提高哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時(shí)的波前復(fù)原精度提供了解決方案。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)傳統(tǒng)基于單次曝光方法的哈特曼波前傳感器在非均勻光照明時(shí)，受限于CCD相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)的子孔徑內(nèi)的光斑信號(hào)已經(jīng)達(dá)到飽和時(shí)，光強(qiáng)較弱的子孔徑內(nèi)的光斑信號(hào)的光斑信號(hào)還很弱，由于噪聲不可避免地存在于光斑質(zhì)心測(cè)量的過(guò)程中，所以此時(shí)光斑信號(hào)弱的子孔徑內(nèi)信噪比較低，降低了光斑的質(zhì)心測(cè)量精度，最終導(dǎo)致整體波前復(fù)原的精度降低；而本發(fā)明采用多次分時(shí)曝光技術(shù)，即分步采集控制器，這樣分次以不同的曝光時(shí)間采集不同光斑的質(zhì)心數(shù)據(jù)，保證了每次采集過(guò)程中光斑質(zhì)心計(jì)算的信噪比，提高了光斑質(zhì)心測(cè)量的精度，從而提高了整體波前復(fù)原的精度。


圖I為本發(fā)明的分時(shí)曝光哈特曼波前傳感器示意圖2為傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器示意圖3為本實(shí)施例中子孔徑排列及編號(hào)不意圖4為本實(shí)施例中入射光功率密度直方圖5為本實(shí)施例中每個(gè)子孔徑編號(hào)對(duì)應(yīng)的入射光功率的直方圖6為本實(shí)施例中非均勻光照明下光斑陣列圖像(t = 50ms)；
圖7為本實(shí)施例中被測(cè)波前示意圖8為本實(shí)施例中每個(gè)子孔徑所需的曝光時(shí)間的上下限直方圖9為傳統(tǒng)的單次光斑質(zhì)心采集方法和本發(fā)明分次光斑質(zhì)心采集方法復(fù)原得到的波前誤差曲線圖中1 :分光鏡2 :光功率密度測(cè)量?jī)x3 :分步采集控制器4 :微透鏡陣列5 :CCD相
機(jī)6 :質(zhì)心計(jì)算器7 :波前復(fù)原器8 :被測(cè)波前9 :波前能量測(cè)量部分10 :波前斜率測(cè)量部分。
具體實(shí)施例方式在本實(shí)施例中，本發(fā)明所采用的CXD相機(jī)5滿量程為4095ADU (12位)、噪聲的均方根值為20ADU、靈敏度為50nJ/ADU、光斑的艾利斑直徑為lOpixel、哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列4數(shù)為10x10、單個(gè)子孔徑的尺寸為lmmxlmm、子孔徑的編號(hào)方式如圖3所示。根據(jù)光斑的光強(qiáng)分布特性(參見(jiàn)馬曉燠，鄭翰清，饒長(zhǎng)輝“自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中哈特曼波前傳感器光斑質(zhì)心的最佳標(biāo)定位置”，光學(xué)學(xué)報(bào)，2009年)，當(dāng)光斑的艾利斑直徑為 IOpixel時(shí)，光斑的最大值點(diǎn)為IADU時(shí)，光斑的總ADU數(shù)約為26，此時(shí)需要入射光能量為 26ADUX50nJ/ADU = I. 3uJ0如圖2所示，傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器包括微透鏡陣列4、CXD相機(jī)5、質(zhì)心計(jì)算器6和波前復(fù)原器7。當(dāng)入射光功率密度如圖4所示時(shí)，編號(hào)為k的子孔徑處的入射光功率為
權(quán)利要求
1.一種采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于包括分光鏡(I)、光功率密度測(cè)量?jī)x(2)、分步采集控制器(3)、微透鏡陣列(4)、CCD相機(jī)(5)、質(zhì)心計(jì)算器(6)和波前復(fù)原器(7);入射波前⑶經(jīng)分光鏡⑴后分為波前能量測(cè)量部分(9)和波前斜率測(cè)量部分 (10);波前能量測(cè)量部分(9)進(jìn)入光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x(2)，波前斜率測(cè)量部分(10)經(jīng)微透鏡陣列⑷分割后在CCD相機(jī)(5)處形成光斑陣列；光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x(2)測(cè)量入射波前⑶ 的光功率密度并將光功率密度數(shù)據(jù)傳遞給分步采集控制器(3);分步采集控制器(3)首先根據(jù)入射波前(8)的光功率密度特性和CCD相機(jī)(5)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)(5)對(duì)光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個(gè)子孔徑集合的曝光時(shí)間，分步采集控制器(3)再控制CCD相機(jī)(5)按照每個(gè)子孔徑集合的曝光時(shí)間分步采集光斑數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳遞給質(zhì)心計(jì)算器￠)，分步采集控制器(3)最后控制質(zhì)心計(jì)算器(6)分步計(jì)算出每個(gè)子孔徑集合的光斑質(zhì)心并傳遞給波前復(fù)原器(7)，波前復(fù)原器(7)將質(zhì)心計(jì)算器(6)得到的質(zhì)心排列為質(zhì)心向量后計(jì)算得到入射波前(8)的斜率向量并復(fù)原出入射波前的相位分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述分步采集控制器(3)根據(jù)入射波前(8)的光功率密度的特性和CCD相機(jī)(5)的響應(yīng)靈敏度計(jì)算出CCD相機(jī)(5)對(duì)光斑陣列的分步采集的子孔徑集合及每個(gè)子孔徑集合的曝光時(shí)間的過(guò)程如下首先分步采集控制器(3)計(jì)算微透鏡陣列的單個(gè)子孔徑內(nèi)達(dá)到光斑質(zhì)心測(cè)量精度時(shí)所需最低信噪比要求時(shí)入射光能量的最小值Emin和光斑最大值達(dá)到CCD相機(jī)(5)規(guī)定量程時(shí)的入射光能量的最大值Emax;然后將光功率密度測(cè)量?jī)x(2)測(cè)量得到的光強(qiáng)按微透鏡陣列(4)的排布進(jìn)行分割，對(duì)單個(gè)子孔徑內(nèi)的光強(qiáng)積分得到子孔徑內(nèi)的入射光功率Pk，k為子孔徑編號(hào)；再將每個(gè)子孔徑內(nèi)的光能量要求和光功率相除得到曝光時(shí)間的下限tkmin = Pk/ Efflax和曝光時(shí)間的上限tkmax = Pk/Emin，將滿足同一曝光時(shí)間范圍的子孔徑合并采集，得到每步采集的子孔徑集合及每次采集的子孔徑集合的曝光時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述滿足同一曝光時(shí)間范圍的子孔徑合并采集過(guò)程如下(a)將子孔徑編號(hào)k與曝光時(shí)間的上限tkmax、曝光時(shí)間的下限tkmin對(duì)應(yīng)，形成子孔徑編號(hào)向量K、曝光時(shí)間上限向量Tmax和曝光時(shí)間下限向量Tmin ；(b)取出曝光時(shí)間上限向量Tmax中最小值tmax的子孔徑編號(hào)，并找出曝光時(shí)間下限向量 Tfflin小于tmax的子孔徑編號(hào)，形成以tmax為曝光時(shí)間的子孔徑集合；(c)將步驟(b)中取出的子孔徑編號(hào)從子孔徑編號(hào)向量K中取出，并取出曝光時(shí)間上限向量Tmax和曝光時(shí)間下限向量Tmin中對(duì)應(yīng)的tkmax和tkmin值；(d)重復(fù)步驟(b)和(C)，直到所有子孔徑都取出，從而實(shí)現(xiàn)滿足同一曝光時(shí)間范圍的子孔徑合并采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，其特征在于為避免CCD 相機(jī)(5)飽和，所述光斑最大值達(dá)到CCD相機(jī)(5)規(guī)定量程不等于CCD相機(jī)(5)的滿量程， 根據(jù)實(shí)際情況光斑最大取CCD相機(jī)(5)滿量程的80% 90%。
全文摘要
一種采用分時(shí)曝光的哈特曼波前傳感器，包括分光鏡、光功率密度測(cè)量?jī)x、分步采集控制器、微透鏡陣列、CCD相機(jī)、質(zhì)心計(jì)算器和波前復(fù)原器；光功率密度測(cè)量?jī)x首先測(cè)量出入射波前的光功率密度，分步采集控制器根據(jù)入射波前光功率密度的特性和CCD相機(jī)的響應(yīng)靈敏度制定出CCD相機(jī)對(duì)光斑陣列的分步采集的曝光時(shí)間，采集完成后控制質(zhì)心計(jì)算器分步計(jì)算光斑陣列的質(zhì)心，最后波前復(fù)原器根據(jù)質(zhì)心計(jì)算器得到的質(zhì)心矩陣復(fù)原出入射波前。本發(fā)明采用分步采集控制器以不同的曝光時(shí)間分步采集CCD相機(jī)處光斑的陣列，改善了當(dāng)入射光強(qiáng)不均勻時(shí)，單個(gè)子孔徑內(nèi)光斑質(zhì)心探測(cè)的信噪比，提高了質(zhì)心探測(cè)的精度，為高精度地復(fù)原非均勻照明條件下的入射波前提供了解決方案。
文檔編號(hào)G01J9/00GK102607718SQ20121007173
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者饒學(xué)軍, 饒長(zhǎng)輝, 馬曉燠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所