[发明专利]基于有调制和无调制组合式棱锥波前传感器的自适应光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于有调制和无调制的组合式棱锥波前传感器的自适应光学系统。

背景技术

自适应光学技术通过光电子器件实时测量波前动态误差，用快速的电子系统进行计算和控制，用能动器件进行实时波前校正，使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力。通常自适应光学系统包括三个基本组成部分：探测波前误差的波前传感器、提供波前校正信号的波前控制器和动态校正畸变的波前校正器。其中波前传感器实时测量从目标或者目标附近的信标来的波前误差，是自适应光学系统中的核心单元器件，比较典型的包括剪切干涉传感器、哈特曼传感器和曲率传感器：剪切干涉传感器利用光栅衍射效应产生的横向剪切干涉测量波前信息；哈特曼传感器利用子透镜阵列对应聚焦光斑的偏离来获得入射波前的斜率信息；曲率传感器通过测量焦平面前后相同距离处的光强差异得到波前曲率分布的信息。波前传感器的探测精度直接决定了自适应光学系统的闭环校正精度，因此人们在不断研究探测精度更高、灵敏度更强的波前传感器新技术，使其能够满足自适应光学系统日益提高的性能要求。Ragazzoni在文章“Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism”Journal of Modern Optics 43，1996，中首次提出使用棱锥进行波前探测的思想，同哈特曼波前传感器一样，棱锥波前传感器也是一种以波前斜率测量为基础的波前探测装置，但是相比哈特曼波前传感器，其具有一些明显的优点：首先其对光能的利用率更高；另外随着调制幅度的降低，棱锥波前传感器的探测灵敏度会逐渐提高，特别在闭环工作情况下棱锥波前传感器对信号探测的灵敏度要明显高于哈特曼传感器；而且通过改变棱锥的调制幅度和后继透镜的焦距，可以方便实现对波前探测动态范围和采样点数的调整，鉴于上述优点，棱锥波前传感器获得了快速发展。棱锥波前传感器可以采用两种工作模式，分别为有调制工作模式和无调制工作模式。国外文献“On sky test of the pyramid wavefront sensor”Proc.SPIE 4839，2003，指出TNG望远镜中的自适应光学系统采用的就是有调制工作模式的棱锥波前传感器，国外文献“PYRAMIR：first on-sky results from an infrared pyramid wavefront sensor”Proc.SPIE6272，2006，指出Calar Alto望远镜中的自适应光学系统采用的就是无调制工作模式的棱锥波前传感器。国外采用有调制工作模式棱锥波前传感器的自适应光学系统，传递函数测量过程和闭环控制过程中，棱锥波前传感器都工作在有调制工作模式下，而在闭环控制过程中，调制工作模式虽然增加了探测线性范围，但是却降低了棱锥波前传感器的探测灵敏度，同时由于闭环控制对探测帧频要求很高，因此对调制倾斜镜的频率要求更高，从而增加了系统的硬件复杂度；国外采用无调制工作模式棱锥波前传感器的自适应光学系统，传递函数测量过程和闭环控制过程中，棱锥波前传感器都工作在无调制工作模式下，但是由于无调制工作模式时棱锥波前传感器的探测线性范围非常小，因此在传递函数测量过程中受各种噪声和静态像差的影响程度会加剧，甚至会导致传递函数测量出现错误。

目前还未见采用有调制工作模式的棱锥波前传感器进行传递函数测量，而采用无调制工作模式的棱锥波前传感器进行闭环控制的自适应光学系统报道。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有棱锥波前传感器在传递函数矩阵测量和闭环控制过程中使用相同调制幅度的不足，提供一种基于有调制和无调制的组合式棱锥波前传感器的自适应光学系统，该系统能够在传递函数测量过程中提高测量的线性范围和精确度，而在闭环控制过程中则能有效提高探测灵敏度，从而保证自适应光学系统在探测线性范围和灵敏度方面都有明显的改善。