[发明专利]高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）的高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法。属于光学测量技术领域。

背景技术

夏克哈特曼是一种常见的波前误差测量装置，广泛应用于光学测试和天文望远镜装调，在自适应光学中被用于大气波前误差测量，对于提高望远镜成像质量起着重要的作用。夏克哈特曼采用微透镜阵将入射光瞳划分为一定数量的子孔径，入射波面误差会造成子孔径内焦点像斑的变化，通过对这些焦点像斑变化量的分析和计算，得到每个子孔径入射波面的斜率，并最终拟合出完整的入射波前误差（SU Dingqiang,et al.Experiment system of segmented-mirror active optics.）。

在多层共轭自适应光学（MACO）中，需要对大气湍流造成的波前误差进行更高精度的测量，获得不同高度大气湍流的波前误差，通过对不同高度大气波前误差分别校正，达到提高自适应光学校正精度并扩大视场的目的。目前担负大气波前分层探测的夏克哈特曼广泛采用CCD作为探测核心，其时间响应特性在毫秒（ms）量级，需要采用普克尔斯盒（Pockels’cell）才能实现大气的分层测量，光路复杂、能量损耗大、分层精度低（Michael Lloyd-Hart and N.Mark Milton.Design and expected performance of the6.5m MMT MCAO system）。

工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）是一种新型的光电探测器件，既可以工作在线性放大模式，如常用的激光测距，激光雷达，实现较强入射光信号的测量，也可以工作在盖革模式，具有单光子探测能力，可以通过光子计数反演的方法实现微弱光信号的探测（Carl Jackson and Alan Mathewson.Improvements in silicon photon counting modules）。

中国在光子计数成像研究领域已经开展了一些研究，主要采用经过特殊处理的光电倍增管、微光像增强器和CCD等器件作为探测核心构成光子计数系统，通过对得到的图像进行处理，使其工作在光子计数模式下（张兴华等.紫外单光子成像系统的研究；朱香平等.30.4nm极紫外成像探测器的实验研究）。这些光子计数成像系统能够将微弱光的探测水平提高3～4个数量级，但是还停留在“以模拟方式得到光子计数值”的技术水平上，存在一定的局限性。

国外在APD器件和应用技术水平上都处于领先地位，基于APD的光子计数成像技术在三维激光雷达领域的研究已经具备了从实验室走向产品化的条件（Richard M.Marino,et al.A compact3D imaging laser radar system using Geiger-mode APD arrays:system and measurements）。中国对全固态、全数字化的APD光子计数成像研究不足，相关研究很少，仅见到少量综述性论文发表，与国外差距很大（李琦等.基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术）。

近些年中国投入了大量的人力物力进行主动光学和自适应光学方面的研究，在激光人造信标和大气波前探测方面已经取得了长足的进步，中科院理化所的全固体化、准连续波钠信标激光器技术已达到国际先进的水平，结合中科院光电所的自适应光学技术和大气波前CCD探测技术合作研制成的激光钠导星系统已进行过钠导星外场试验。但是中国在大气波前分层探测方面却进展有限，一方面是因为中国在该领域起步较晚，另一方面的原因是受到西方发达国家的禁运限制，无法购买到满足分层探测所需的高帧频、低噪声、高灵敏度的探测器件。从目前的局势来看，探测器受制于人的状况还将长期存在。只有探索新技术，新途径与新方法，突破西方国家设置的技术壁垒，才能够提高中国在该领域的竞争力。

发明内容

本发明的目的是针对现有夏克哈特曼波前传感器时间响应特性差、测量频率较低的不足，提出了一种基于盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）探测核心的高频三维夏克哈特曼波前测量装置。该装置采用光子计数反演和时间相关的方法实现了高频、动态的波前误差测量，时间响应特性可以达到ns量级，测量灵敏度可以达到单光子量级。本发明还将提供这种高频三维夏克哈特曼波前测量装置的探测方法。