[发明专利]基于差分传感器的自适应光学系统

说明书

技术领域

 本发明属于光学技术领域，涉及一种新型自适应光学系统，具体涉及到一种基于差分传感器(a null sensor)的自适应光学系统。

背景技术

自适应光学技术能够动态的克服各种像差对光学系统的影响，是改善成像系统的分辨能力和激光系统的光束质量的有力手段。一套典型的自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成。波前传感器测量系统的光学像差，波前控制器根据波前传感器得到的测量数据计算出波前校正器的控制信号，最后通过波前校正器来校正整个系统的光学像差。波前传感器是整个自适应光学系统的关键部件之一。

最广泛使用的波前传感器为夏克-哈特曼波前传感器，如中国科学院光电技术研究所研制的61单元星体成像补偿系统、美国林肯实验室的SWAT系统及欧洲的Come-On系统等。其原理通常采用微透镜阵列分割光束口径，并将入射光聚焦到光电探测器上（通常称为CCD）的光敏靶面。这类波前传感器的微透镜阵列与CCD探测器的耦合技术比较复杂，微透镜阵列各个单元焦距的不一致会影响传感器精度，对微透镜阵列制作技术的要求很高，安装、调试困难；在系统中，必须保证哈特曼波前传感器子孔径布局与变形镜驱动器布局按照一定关系对应，否则会影响控制算法乃至整个控制系统的稳定性，且仅适用于连续波前。

授权号为CN101013195 B的中国专利公开了一种“基于线性相位反演的自适应光学系统” ，该方法能量利用率高、计算量小，但只能针对像差均方根(RMS)小于0.2                                               的情况，且对噪声十分敏感。欧洲专利EP2012102A1和美国专利US2006/0175528提出了基于衍射光学元件的差分传感器，并指出差分传感器可以在自适应光学系统中使用。差分传感器作为一种新型的波前传感器应用到自适应光学系统时，必须有合适的控制方式，世界专利WO2009/058747仅给出了基于差分传感器的相位恢复方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种光路简单、易于实现，具有较强的抗噪能力、实用性强的基于差分传感器的自适应光学系统。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于差分传感器的自适应光学系统，其特点是：该系统由差分传感器、主控计算机和波前校正器组成，侍校正像差通过波前校正器反射或透射，与波前校正器补偿量叠加，得到校正后的残余像差，残余像差进入差分传感器后，由差分传感器中的CCD相机实时记录经过波前校正器补偿后残余波前的+1阶和-1阶的衍射图像，再经图像采集卡、差分运算得到信号差；主控计算机根据输入的信号差，依据实时控制算法生成波前校正器的驱动信号U；

所述的驱动信号U通过下列公式计算得到：

其中向量，向量，为波前校正器第个影响函数通过差分传感器后得到的信号差，为绝对值运算， 为取符号运算；

驱动信号U通过波前校正器的驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生需要的补偿量，如此反复实时闭环工作，最终使侍校正像差得到校正，获得理想成像效果。

本发明所涉及的差分传感器(the null sensor)为现有技术，它由透镜、光栅透镜组合、CCD相机、图像采集卡和差分运算等组成。差分传感器可以完成光路传输、图像采集、差分运算。

本发明所依据的控制算法利用从差分传感器获得的计算波前校正器所需要的驱动信号。控制算法的基本原理说明如下：

在差分传感器的透镜的焦距处可以得到侍校正像差（待测波前）的傅里叶变换。由傅里叶光学可以知道，透镜的后焦面上的复振幅分布是入射场的夫琅和费衍射模式。这可以通过输入波前分布的傅里叶变换乘上一个二次相位因子来计算：

        (1)

其中是波数，为波长，这里指透镜的焦距。由于之后光栅透镜组合的特性，公式（1）中的二次相位因子可以忽略，因此透镜焦面上的场分布可以简单地认为是输入待测波前的傅里叶变换，差分传感器中A点的场分布可以用下式描述：

                    (2)