[发明专利]基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置及方法。该装置包括场镜、准直透镜、微透镜阵列和CCD相机，微透镜阵列由多个呈阵列式排布的微透镜组成，场镜位于准直透镜的前焦面上，微透镜阵列位于准直透镜之后并紧贴准直透镜，CCD相机位于微透镜阵列的后焦面上。本发明通过使用场镜确保每一个微透镜收集到的物体的信息完全一致，进而使CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同，在频域中，通过消除扩展物体的傅里叶频谱操作，完全消除扩展物体，从而重构出每个微透镜的光学传递函数和点扩散函数，进而计算重构点扩散函数的重心偏移，最后通过点光源夏克‑哈特曼波前重构算法重构出入射畸变波前。

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种新型波前传感器，具体涉及通过在频域消除扩展物体傅里叶频谱的方法实现针对扩展物体的波前传感及其波前重构方法。

背景技术

波前传感技术是光学技术领域一个十分重要的研究方向，也是自适应光学领域的一项核心关键技术。在自适应光学系统中，波前传感器需要实时、精确地测量入射光场的波前信息，并以此为依据，通过波前校正器实时校正入射光场的畸变波前，实现高分辨成像。因此，波前传感技术在天文观测、显微成像，以及实时监控等领域都有重要的应用价值。

目前，自适应光学中常用的波前传感器有夏克-哈特曼波前传感器、曲率传感器、剪切干涉仪。这三种波前传感器基本都只适用于点光源情况下的波前传感，例如天文中的自然导星。但是，在大多数情况下，需要成像观测的物体都属于扩展物体，并非点光源。针对波前传感中缺乏点光源的问题，现有解决方案大多采用人造点光源进行波前传感。例如，在夜天文观测中，通过向天空发射激光产生人造激光导星作为点光源进行波前传感，解决自然导星天空覆盖率低的问题。激光导星的缺点是需要增加激光发射系统，从而使整个光学系统变得复杂且成本高昂。在显微成像中，生物样本中通常也没有可以作为点光源的结构，现有解决方案为在样品中植入荧光珠，通过激发荧光珠发光产生点光源，从而进行波前传感。荧光珠作为点光源进行波前传感的缺点是在于激发荧光珠发光的光学系统和用于成像的光学系统需工作在不同的波段，极大地增加了系统的复杂度，而且样本制作复杂，无法应用于活体样本观测。人眼视网膜也不存在适合作为点光源的结构，只能通过聚焦窄激光束在视网膜上形成点光源，实现波前传感，这样做的缺点是容易对视网膜造成永久性损伤。上述人为引入的点光源，虽然在一定程度上解决了波前传感中的困境，但是会增加光学系统的复杂性和经济成本，更重要的是在很多应用场合中无法引入人造点光源，这些问题极大地限制了自适应光学的广泛应用。

直接对扩展物体进行波前传感，其难点在于波前传感器无法区分扩展物体结构引起的波前和系统真正需要测量的波前。目前，虽然采用相关或相位相关算法的夏克-哈特曼传感器，可以通过图像相关运算获得入射波前的局部倾斜，实现波前传感，但是这种方法只在某些特定的场所有所应用，例如太阳颗粒结构，不具备通用性，而且传感精度有限。因此，对于扩展物体情况下，通用性好、测量精度高的波前传感器是自适应光学领域亟需的波前传感技术。

发明内容

为了突破扩展物体波前传感中存在的瓶颈，本发明的目的是提供一种普适的新型扩展物体波前传感器。该波前传感器应具备使用方便、实时性好、精度高、通用性强的特点，可以拓展自适应光学的应用范围，例如显微成像、远距离监控等需要克服波前畸变实现高分辨成像的领域。本发明还将提供该新型扩展物体波前传感器的波前重构方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置，包括场镜、准直透镜、微透镜阵列和CCD相机，所述微透镜阵由多个呈阵列式排布的微透镜组成，所述的场镜位于准直透镜的前焦面上，所述微透镜阵列位于准直透镜之后并紧贴准直透镜，所述CCD相机位于微透镜阵列的后焦面上。

进一步的，所述传感装置直接对扩展物体进行波前传感。

进一步的，每一个所述微透镜收集到的物体的信息一致，且所述CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同。