[发明专利]基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置及标定方法

权利要求书

1.一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置，其特征在于：包括波前校正器(1)、第一分光镜(2)、近场波前传感器(3)、波前控制器(4)、成像系统(5)和相位差波前传感器(6)；相位差波前传感器(6)与成像系统（5）共用成像光路；所述成像系统(5)包括成像器件(8)和位于成像系统焦面位置的第一成像探测器(8)；相位差波前传感器(6)包括成像器件(7)、第二分光镜(9)、第一成像探测器(8)、第二成像探测器(10)和计算机(11)；一束标定光束入射到波前校正器(1)表面，经波前校正器(1)反射后被第一分光镜(2)分为透射光束和反射光束，其中透射光束正入射于近场波前传感器(3)中，反射光束入射于成像系统(5)和相位差波前传感器(6)中；所述标定光束是指经过一定手段处理之后的理想光束，其波前畸变较小，光强分布均匀；标定光束在经过第一分光镜反射(2)后入射于成像系统(5)和相位差波前传感器(6)中，成像器件(5)后方的汇聚光路中引入第二分光镜(9)，透射光束仍然成像于焦面位置，反射光束成像于离焦位置，离焦面位置与相应焦面位置之间的距离为已知量，记为d；第一成像探测器(8)置于透射光束所在的焦面位置，用于测量标定光束经过波前校正器反射并最终进入第一成像探测器(8)光敏面后的光强分布信息I；第二成像探测器(10)置于反射光束所在的离焦面位置，用于测量标定光束经过波前校正器反射并最终进入第二成像探测器(10)光敏面后的光强分布信息I_d；标定光束在从波前校正器(1)和第一分光镜(2)反射并最终进入第一成像探测器(8)的传播过程中，由于所述的自适应光学系统共光路静态像差第二分光镜(9)和成像系统(5)的加工及装配误差引入的额外波前像差，该额外波前像差为不随时间变化的静态像差，记为该静态像差包含了自适应光学系统共光路静态像差和成像系统像差自适应光学系统全系统像差，将静态像差称为自适应光学系统全光路静态像差；标定光束在从波前校正器(1)反射并最终进入第二成像探测器(10)的传播过程中，第二成像探测器(10)与第一成像探测器(8)之间仅存在一个已知的离焦像差，该离焦像差与离焦距离d有定量关系，即为

第一成像探测器(8)和第二成像探测器(10)用于同时采集焦面和离焦面光强分布信息I和I_d，并将采集到的信息以图像形式传输给计算机(11)；然后，计算机(11)根据第一成像探测器(8)和第二成像探测器(10)实际测量的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息I_d，以及二者之间已知的离焦像差大小测量得到自适应光学系统全光路静态像差该自适应光学系统全光路静态像差与焦面光强分布信息I、离焦面光强分布信息I_d以及二者之间已知的离焦像差大小的关系如下：

其中，i为虚数单位，表示傅里叶变换，p(r)表示光瞳振幅分布函数；计算机(11)根据公式(1)，并通过相位差复原算法即反演出自适应光学系统全光路静态像差根据自适应光学系统全光路静态像差波前控制器(4)计算出波前校正器(1)各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器(1)，使波前校正器(1)产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，实现对自适应光学系统全光路静态像差的校正，最终使得标定光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；在此最佳状态下，对位于瞳面位置的近场波前传感器(3)的进行初始像差的零点标定，并以此作为该自适应光学系统的校正目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。

2.根据权利要求1所述的基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置，其特征在于：所述近场波前传感器（3）为哈特曼-夏克波前传感器、干涉仪或金字塔波前传感器。

3.根据权利要求1所述的基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定装置，其特征在于：所述自适应光学系统是对点目标进行波前校正的自适应光学系统，或是对扩展目标进行波前校正的自适应光学系统。

4.一种基于相位差法的自适应光学系统近场波前传感器标定方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）首先利用第一成像探测器(8)和第二成像探测器(10)同时采集焦面和离焦面光强分布信息I和I_d，并将采集到的信息以图像形式传输给计算机（11）；

（2）计算机(11)根据实测的焦面光强分布信息I和离焦面光强分布信息I_d，采用相位差复原算法计算得到自适应光学系统全光路静态像差的相位分布信息，全光路静态像差与焦面光强分布信息I、离焦面光强分布信息I_d以及离焦像差之间的数值关系如下：

（3）根据相位差波前传感器(6)对自适应光学系统全光路静态像差的测量结果，利用波前控制器(4)计算机计算出波前校正器(1)各驱动器的驱动电压值，并输出至波前校正器(1)，使之产生大小为测量全光路静态像差的1/2、方向相反的波前校正量，实现对自适应光学系统中全光路静态像差的校正，最终使得理想光束经过全光路后成像质量达到最佳状态；

（4）完成静态像差校正后，对位于瞳面位置的近场波前传感器的参考位置进行零点标定或对绝对像差进行零点设定，并以此作为该自适应光学系统的波前控制目标，从而实现对全光路静态像差有效校正。