[发明专利]哈特曼波前探测器子孔径内多项模式的波前探测方法

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，是一种基于哈特曼波前探测器的波前探测方法。涉及哈特曼波前探测器的子孔径内存在倾斜以外像差时的波前重构算法，使得在子孔径内可以获得多项模式系数，相应增大子波前的直径，提高波前探测灵敏度。

背景技术

利用望远镜对天体目标进行观测时，由于大气湍流的随机干扰，成像光波前发生动态畸变，导致望远镜成像分辨率下降。自适应光学系统可实时探测和校正大气湍流造成的畸变波前，以恢复望远镜理想的高分辨率成像。哈特曼波前探测器是当前自适应系统中广泛应用的波前探测器。该探测器如图1所示，由前置的微透镜阵列1与位于微透镜阵列焦平面上的背部相机2组成，单个微透镜的口径为d、焦距为f，微透镜阵列所处平面的坐标系为ξ-η，微透镜阵列将望远镜输出的畸变波前分割为不同倾斜度的平面子波前阵列，使通过的子光束在相机上会聚成光点斑，在相机像素构成的与ξ-η二维坐标系平行的x-y坐标系中计算光点斑质心位置，可获得子波前的二维倾斜数据。利用子波前阵列的所有二维倾斜数据，即可重构出望远镜输出的整体畸变波前。

望远镜输出的整体畸变波前的重构方法如下：

根据任意波前Φ(ξ,η)都可以用Zernike模式函数的多项式表示的原理，Φ(ξ,η)写成为：

此处k对应Zernike模式项序数，a_k为每一项Zernike模式的权重系数，n为组成波前Φ(ξ,η)的Zernike模式总数；n由湍流强度参数大气相干长度和望远镜口径决定，当望远镜口径D＝1m、大气相干长度r₀＝10cm时，通常选n＝36；因为第一项Zernike模式为常数在波前拟合中不起作用，故选择k＝2、3、…、n；令每一项Zernike模式的位相起伏PV值为1λ，λ为所探测光波段的中心波长，分别解出各项Zernike模式的面形位相数值解；利用自适应光学系统中的另一关键器件波前校正器及其位相－驱动电压关系，将Z_k(ξ,η)的面形位相数值转换成波前校正器的驱动电压分布值，从而逐项将Zernike模式的面形位相施加在波前校正器上，在哈特曼波前探测器上测量出每个光点斑阵列上光点斑质心与标定位置的偏移量，由计算机换算出子波前在x轴和y轴上的斜率；根据中国发明专利(ZL 201410203990.9)，“最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法”，定义光点阵的有效光斑数为M，光斑序数为m＝1、2、3、…、M，由这一系列子波前斜率组成响应矩阵R：

此处k仍对应Zernike模式项序数，m对应哈特曼波前探测器上的子孔径序数m＝1、2、3、…、M，通常要求M>n，上角标x和y分别代表x轴和y轴上的子波前斜率，到此得到了一个2M行n-1列响应矩阵R，并被存入控制该自适应系统的计算机。

对于哈特曼波前探测器探测到的望远镜输出的任意波前Φ(ξ,η)，均可在背部相机2的像素构成的x-y坐标系中计算出光点斑阵列的各个光点斑质心位置，从而获得各个子波前的二维倾斜数据，表达为2M个波前斜率组成的列向量s，并有s＝Ra，a是用Zernike模式多项式表达的所探测波前Φ(ξ,η)的Zernike模式系数a_k构成的列向量，控制计算机由这个矩阵方程可以解出列向量a，即可重构出望远镜输出的任意波前Φ(ξ,η)。

依据以上所述，哈特曼波前探测器的设计基于以下两点：1)微透镜子孔径d对应的子波前直径与大气相干长度相等，子波前为只有倾斜的平面波；2)通过微透镜聚焦在相机上的光点斑分布在2×2像素或更多的像素上，以保证光斑质心的计算精度，同时光点斑还限定在4×4像素或更多像素组成的子窗口内，要保证光点斑有足够的移动距离以满足波前探测动态范围。

鉴于哈特曼波前探测器的设计原理，也构成如下缺点：1)由于子孔径将畸变波前分割为子波前，探测光能量受限于子孔径，限制了自适应系统可成像的极限星等；2)子孔径的设计与大气相干长度相等，但每天的大气相干长度会在几厘米范围内随机变动，尤其变短时会造成子波前内出现倾斜以外的离焦和像散畸变，经常破坏会聚光点斑的中心对称性，进而造成波前重构的严重误差。

如果能将子孔径内的离焦和像散畸变计算出来，不仅可以保证波前重构精度，还能相应减少子孔径的设计数量、增大子波前的直径，等于增加了子孔径内收集的光能量，提高哈特曼波前探测器的探测灵敏度即可探测的极限星等。

发明内容