[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

说明书

技术领域

本发明涉及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及标定方法。

背景技术

自适应光学系统是目前大多数光学系统提高成像分辨率的有效手段，尤其对于复杂性高、光学元器件多的大型光学系统。自适应光学系统主要包含波前探测器、波前控制器和波前校正器等3个部分。首先由波前探测器对光路中的波前畸变进行探测，并通过波前控制器计算对应波前校正器的校正量，最终通过波前校正器实施波前校正，从而达到更高的成像质量或能量集中度等。由于波前校正器的非线性响应特性，目前主要自适应光学系统均采用多次闭环控制的方法实现对波前畸变的校正。对于波前探测而言，基于近场光强分布信息的波前检测技术较为广泛的应用于自适应光学系统中，典型代表为哈特曼-夏克型波前传感器，其能量利用率高、波前探测速度快、结构简单，使之成为很多自适应光学系统中不可缺少的探测器件。

然而，在很多成像系统中，基于近场光强分布信息的波前探测器仅能够探测进入成像系统之前部分光路的像差，对于进入成像系统后的波前畸变则无法完成波前诊断，这常常使得自适应光学系统波前控制能力限制在某一较低水平上，其根本原因在于未对该成像系统全光路像差实施完整校正。2009年，黄林海等人在专利号：200910241233的“基于远场性能指标的自适应光学系统标定装置”中提出采用基于SPGD的方法对全光路像差进行标定，基本做法是：利用SPGD算法控制波前控制器，使得像面成像质量达到最好状态时记录校正器控制量，定义为预校正量，并在每次自适应光学系统闭环校正器时将该预校正量预先加载到校正器中。这种方法没有客观测量数据做基准，往往需要很多次试探性校正后才能获得较好的效果，对于某些较复杂的成像系统，其波前控制效果影响因素较多，过程较为复杂，存在一定的不稳定性。此外，由于校正器的非线性响应，这种预加校正量的方式往往不能达到较好的波前控制效果。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供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及标定方法，实现对全光路静态像差的完整校正。

本发明的技术解决方案：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及方法，包括波前校正器1、第一分光镜2、近场波前传感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；标定光束在从波前校正器1反射并最终进入近场波前传感器3的传播过程中，由于各光学镜面的加工以及装配误差等因素，使得最终进入近场波前传感器中的光束含有一不随时间变化的静态像差该静态像差由于产生于近场波前传感器3和相位差波前传感器6的共用光路中，因此，这里将从波前校正器1反射并最终进入近场波前传感器3的传播过程中静态像差称为自适应光学系统共光路静态像差。

如前所述，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，由于前文所述的自适应光学系统共光路静态像差以及第二分光镜9及成像系统5的加工以及装配误差等引入的额外波前像差，该相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等自适应光学系统全系统像差，因此这里将静态像差称为自适应光学系统全光路静态像差。相对而言，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，其与第一成像探测器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

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可以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定量数学关系如下：

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。