專利名稱：大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用哈特曼探測器對大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法，可以大幅提高哈特曼探測器的探測能力，省卻專門的波前傾斜探測器，減少與望遠(yuǎn)鏡對接的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的能量損耗。
背景技術(shù)：
大氣自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的光波前自適應(yīng)校正系統(tǒng)，其功能是對連續(xù)入射望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)光畸變波前進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償校正，以得到理想的實(shí)時(shí)光學(xué)成像。通常與望遠(yuǎn)鏡對接的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是基于粗校和精校的兩個(gè)校正器來完成波前校正的，其中做粗校的振動反射鏡也稱振鏡只校正入射光波前的傾斜，而傾斜校正后的高階畸變由波前校正器來完成校正。對應(yīng)粗校和精校這兩個(gè)校正器需有兩個(gè)波前探測器:O探測波前傾斜:一般采用CCD為波前傾斜探測器，對接收到的目標(biāo)光斑，計(jì)算其質(zhì)心在x-y平面坐標(biāo)系中的偏移量，從而解算波前在三維空間的傾斜；CCD探測器的優(yōu)點(diǎn)是傾斜探測的動態(tài)范圍大，缺點(diǎn)是只限于探測波前傾斜；2)探測波前上傾斜以外的高階畸變:一般采用哈特曼探測器探測波前高階畸變；哈特曼探測器由微透鏡陣列板和高靈敏度CCD組成，入射波前被微透鏡陣列分割成一個(gè)一個(gè)的子波前，由于微透鏡數(shù)足夠多，子波前為只有傾斜的平面波前，通過微透鏡后聚焦在背部CCD上的小光斑會依賴傾斜度而偏離正入射平面波所對應(yīng)的中心位置，通過嚴(yán)格計(jì)算每個(gè)小光斑質(zhì)心在X和y方向上的偏離程度，可以得出每個(gè)子波前的傾斜方向和傾斜度，再用一套Zernike模式函數(shù)去擬合這些子波前，就可以重構(gòu)出被測的高階畸變波前。哈特曼探測器的工作原理在Francois Roddier撰著的“天文學(xué)中的自適應(yīng)光學(xué)”的第 99 頁Francois Roddier, Adaptive optics in astronomy,Cambridge University Press, 1999, Part two, pp99上有詳述?？紤]微透鏡陣列板上具有方格陣排列的MX M個(gè)微透鏡，CXD面板上具有PXP個(gè)像素，對應(yīng)每個(gè)微透鏡的子區(qū) 域具有ηXη個(gè)像素，其中η=Ρ/Μ。正入射微透鏡陣列板的平行光束在CCD面板上形成內(nèi)切圓，圓內(nèi)均勻分布微透鏡陣列聚焦出的Q個(gè)小光斑，圓外的區(qū)域?yàn)闊o光斑區(qū)域。一般情況下，哈特曼探測器的動態(tài)范圍由微透鏡陣列的微透鏡數(shù)、小光斑直徑和C⑶面板上的像素?cái)?shù)決定。小光斑不可以覆蓋子區(qū)域上所有的像素，必須留有一定余地，當(dāng)小光斑邊緣到達(dá)子區(qū)域邊界時(shí)，就達(dá)到了哈特曼探測器的最大測量范圍，即動態(tài)范圍。光斑質(zhì)心坐標(biāo)(cx, cy)的求算方法也依據(jù)Francois Roddier撰著的“天文學(xué)中的自適應(yīng)光學(xué)，，第99頁的Francois Roddier, Adaptive optics in astronomy, CambridgeUniversity Press, 1999, Part two，pp99敘述:在背部C⑶的像素面板上建立直角坐標(biāo)系，通常以左上角為原點(diǎn)、像素為單位，設(shè)從左到右的橫軸為X軸，從上到下的縱軸為y軸，光斑陣列中任意一個(gè)小光斑的質(zhì)心坐標(biāo)為:
權(quán)利要求
1.一種大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法，其特征是在自適應(yīng)系統(tǒng)開始工作的數(shù)個(gè)校正周期，在入射光波前的傾斜角度很大、超過哈特曼探測器的動態(tài)范圍即測量范圍時(shí)，將哈特曼探測器采集到的小光斑陣列看作一個(gè)整體即一個(gè)大光斑，按照計(jì)算一個(gè)光斑質(zhì)心的辦法計(jì)算大光斑的質(zhì)心坐標(biāo)；根據(jù)質(zhì)心的偏移量得出波前的整體傾斜，將此數(shù)據(jù)反饋給振鏡以校正波前的傾斜，但不給波前校正器反饋數(shù)據(jù)；繼之而來的入射光，其波前傾斜由于振鏡的校正會大幅減小，這樣高頻率地重復(fù)上面的過程；由于波前抖動頻率遠(yuǎn)低于振鏡的校正頻率，經(jīng)過振鏡數(shù)次校正后的入射光，其波前的整體傾斜就會減小到哈特曼探測器的動態(tài)范圍之內(nèi)，波前的傾斜和高階畸變可以同時(shí)被正確探測，此時(shí)系統(tǒng)控制程序?qū)⒔o出“命令”恢復(fù)哈特曼探測器探測波前的正常程序，使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法，其特征是所用的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中只有一個(gè)波前探測器，由準(zhǔn)直透鏡(2),振鏡(3),分色片(4),偏振片(5),第一縮束透鏡(6)和第二縮束透鏡(7)，哈特曼探測器(8)，第三縮束透鏡(9)和第四縮束透鏡(10)，波前校正器(11)，反射鏡(12)，第一、第二成像透鏡(13)和(14)，CCD (15)，計(jì)算機(jī)(16)構(gòu)成；計(jì)算機(jī)(16)中存有自適應(yīng)波前校正控制程序，且波前傾斜校正頻率5 10倍大于波前抖動頻率；計(jì)算機(jī)(16)與哈特曼探測器(8)、振鏡(3)、波前校正器(11)和CCD15相連；分色片(4)是高通濾波片，使波長大于700nm的光透過,而波長小于700nm的光被反射；振鏡(3)與哈特曼探測器(8)處于閉環(huán)控制的光路上，而波前校正器(11)與哈特曼探測器(8)則處于開環(huán)光路上；第四縮束透鏡(10)的光軸相對第三縮束透鏡(9)的光軸垂直向上移動5mm±0.2mm，使得光束通過第四縮束透鏡(10)后以1.5°角向下傾斜入射到波前校正器(11)上，然后從波前校正器(11)反射出來的光束與入射光束光軸分離再次到達(dá)第四縮束透鏡(10)而聚焦，實(shí)現(xiàn)與入射焦點(diǎn)分離，此處設(shè)置反射鏡(12)，使反射光束焦點(diǎn)位于反射鏡(12)上，并被折束90°，通過第一、第二成像透鏡(13)和(14)進(jìn)入CXD(15)成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法，其特征是哈特曼探測器(8)對振鏡(3)的響應(yīng)矩陣有兩個(gè)，一是正常動態(tài)范圍的響應(yīng)矩陣，二是超動態(tài)范圍的響應(yīng)矩陣；超動態(tài)范圍的響應(yīng)矩陣測量方法為:將望遠(yuǎn)鏡出射光在焦點(diǎn)(I)前截?cái)?，并在望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)(I)處置入一個(gè)鹵素?zé)酎c(diǎn)光源(P )，形成響應(yīng)矩陣測量系統(tǒng)；在哈特曼探測器(8)的背部CCD像素面板上建立直角坐標(biāo)系，以左下角為原點(diǎn)、像素為單位，從左到右的橫軸為X軸，從下到上的縱軸為y軸；開始測量時(shí)，將哈特曼探測器(8)給出的光斑陣列看作一個(gè)大光斑,整體大光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(<\χ，CB；y)按下式計(jì)算:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法，其特征是在所述的自適應(yīng)系統(tǒng)中: 1)點(diǎn)光源(P)為大恒公司的GC1-0601型直流調(diào)壓光纖光源，是一種白光光源，口徑控制為200微米； 2)準(zhǔn)直透鏡(2)、第一縮束透鏡(6)和第二縮束透鏡(7)均為雙膠合透鏡，焦距分別為50mm、100mm、100mm, 口徑分別為 12mm、25mm、25mm ; 3)振鏡(3)為德國PI公司的S334型，口徑10mm，有互為垂直的A、B兩個(gè)軸控制傾斜，輸入電壓范圍都是O到10V、連續(xù)可調(diào)，振鏡(3)位于初始位置時(shí)其A、B兩個(gè)軸上均施加5.0OV電壓，響應(yīng)頻率為700Hz ； 4)分色片(4)是高通濾波片，使波長大于700nm的光透過，而波長小于700nm的光被反射； 5)哈特曼探測器(8)的背部CXD采用AndorDU860,使用有效像素?cái)?shù)40X40，子區(qū)域η' η=4 X 4像素，小光斑直徑約2.5像素，微透鏡陣列MXM=IO X 10，被正入射光束覆蓋的微透鏡數(shù)為Q=80個(gè)； 6)計(jì)算機(jī)(16)為DELLT5500工作站，windows XP操作系統(tǒng)，雙核CPU X9650主頻分別為3.0OGHz和2.99GHz，內(nèi)存為3.0OGB ;計(jì)算機(jī)(16)中存有自適應(yīng)波前校正控制程序，其中波前傾斜的校正頻率為340Hz ;在開始的前五個(gè)校正周期，采用整體大光斑的質(zhì)心偏移量計(jì)算方法進(jìn)行波前 傾斜的自適應(yīng)校正，然后恢復(fù)為采用小光斑質(zhì)心平均偏移量的計(jì)算方法進(jìn)行較高精度的波前傾斜自適應(yīng)校正； 系統(tǒng)中哈特曼探測器(8)的超動態(tài)范圍偏移量范圍達(dá)到[11.8像素，-12.3像素]，比正常動態(tài)范圍偏移量擴(kuò)展至少15倍。
全文摘要
本發(fā)明屬于大氣自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用哈特曼探測器對大動態(tài)范圍光波前傾斜的探測方法。本發(fā)明在與望遠(yuǎn)鏡對接的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中只使用一個(gè)哈特曼探測器，在系統(tǒng)開始工作的數(shù)個(gè)校正周期入射光波前的傾斜角度超過哈特曼探測器的動態(tài)范圍，故將哈特曼采集到的小光斑陣列看作一個(gè)大光斑，計(jì)算大光斑的質(zhì)心坐標(biāo)及其偏移量得出波前的整體傾斜，將此數(shù)據(jù)反饋給振鏡以校正波前的傾斜，如此重復(fù)這個(gè)過程5～10次，可使波前的整體傾斜減小到哈特曼探測器的動態(tài)范圍之內(nèi)，此時(shí)系統(tǒng)控制程序?qū)⒔o出“命令”恢復(fù)哈特曼探測器探測波前的正常功能，使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明可使哈特曼探測器的動態(tài)范圍擴(kuò)展至少15倍，如圖所示。
文檔編號G01J9/00GK103115687SQ201210562868
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者宣麗, 胡立發(fā), 穆全全, 曹召良, 彭增輝, 楊程亮, 劉永剛, 姚麗雙, 李大禹, 夏明亮, 魯興海 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所