[发明专利]大动态范围光波前倾斜的探测方法

权利要求书

1.一种大动态范围光波前倾斜的探测方法，其特征是在自适应系统开始工作的数个校正周期，在入射光波前的倾斜角度很大、超过哈特曼探测器的动态范围即测量范围时，将哈特曼探测器采集到的小光斑阵列看作一个整体即一个大光斑，按照计算一个光斑质心的办法计算大光斑的质心坐标；根据质心的偏移量得出波前的整体倾斜，将此数据反馈给振镜以校正波前的倾斜，但不给波前校正器反馈数据；继之而来的入射光，其波前倾斜由于振镜的校正会大幅减小，这样高频率地重复上面的过程；由于波前抖动频率远低于振镜的校正频率，经过振镜数次校正后的入射光，其波前的整体倾斜就会减小到哈特曼探测器的动态范围之内，波前的倾斜和高阶畸变可以同时被正确探测，此时系统控制程序将给出“命令”恢复哈特曼探测器探测波前的正常程序，使自适应光学系统正常运转。

2.根据权利要求1所述的大动态范围光波前倾斜的探测方法，其特征是所用的自适应光学系统中只有一个波前探测器，由准直透镜(2)，振镜(3)，分色片(4)，偏振片(5)，第一缩束透镜(6)和第二缩束透镜(7)，哈特曼探测器(8)，第三缩束透镜(9)和第四缩束透镜(10)，波前校正器(11)，反射镜(12)，第一、第二成像透镜(13)和(14)，CCD(15)，计算机(16)构成；计算机(16)中存有自适应波前校正控制程序，且波前倾斜校正频率5～10倍大于波前抖动频率；计算机(16)与哈特曼探测器(8)、振镜(3)、波前校正器(11)和CCD15相连；分色片(4)是高通滤波片，使波长大于700nm的光透过，而波长小于700nm的光被反射；振镜(3)与哈特曼探测器(8)处于闭环控制的光路上，而波前校正器(11)与哈特曼探测器(8)则处于开环光路上；第四缩束透镜(10)的光轴相对第三缩束透镜(9)的光轴垂直向上移动5mm±0.2mm，使得光束通过第四缩束透镜(10)后以1.5°角向下倾斜入射到波前校正器(11)上，然后从波前校正器(11)反射出来的光束与入射光束光轴分离再次到达第四缩束透镜(10)而聚焦，实现与入射焦点分离，此处设置反射镜(12)，使反射光束焦点位于反射镜(12)上，并被折束90°，通过第一、第二成像透镜(13)和(14)进入CCD(15)成像。

3.根据权利要求2所述的大动态范围光波前倾斜的探测方法，其特征是哈特曼探测器(8)对振镜(3)的响应矩阵有两个，一是正常动态范围的响应矩阵，二是超动态范围的响应矩阵；超动态范围的响应矩阵测量方法为：将望远镜出射光在焦点(1)前截断，并在望远镜的焦点(1)处置入一个卤素灯点光源(1′)，形成响应矩阵测量系统；在哈特曼探测器(8)的背部CCD像素面板上建立直角坐标系，以左下角为原点、像素为单位，从左到右的横轴为x轴，从下到上的纵轴为y轴；开始测量时，将哈特曼探测器(8)给出的光斑阵列看作一个大光斑，整体大光斑的质心坐标(C_B,x，C_B,y)按下式计算：

CB,x=Σi=0PΣj=0PxiIi,jΣi=0PΣj=0PIi,j,]]>CB,y=Σi=0PΣj=0PyiIi,jΣi=0PΣj=0PIi,j]]>

其中求和区域为CCD面板上所有像素即P′P个像素；

大光斑质心的原点坐标为入射光束覆盖CCD面板区域的几何中心，表示为(C_B，x0，C_B,y0)，那么大光斑质心的偏移量为：A_Bx=C_B,x-C_B，x0,A_By=C_B,y-C_B,y0;

利用计算大光斑质心偏移量A_Bx和A_By的方法，可以测量哈特曼探测器(8)的超动态范围响应回滞曲线，从回滞曲线的两个交点得到最大正、负偏移量A_Bx，p与A_Bx,n、A_By，p与A_By,n，在A_Bx，p与A_By，p和|A_Bx,n|与|A_By,n|中分别找出较小值A_Bp与|A_Bn|，[A_Bp，A_Bn]即为哈特曼探测器(8)的超常动态范围；求得A轴和B轴两对回滞曲线的中值曲线，并将两条中值曲线都限定在[A_Bp，A_Bn]范围内，二者相应的驱动电压范围分别被均分为50～100个分度值，并分别在两条中值曲线上得到相应的偏移量值，做成两个二维矩阵，即超动态范围响应矩阵A_Bx(V_Bx)、A_By(V_By)；将超动态范围响应矩阵A_Bx(V_Bx)、A_By(V_By)输入到计算机(16)的内存中；

计算机(16)存储的自适应波前校正控制程序首先根据哈特曼探测器(8)给出的信号计算出大光斑的A_Bx和A_By值，然后在存储的超动态范围响应矩阵A_Bx(V_Bx)、A_By(V_By)中查找相应的驱动电压V_Bx、V_By，施加V_Bx、V_By于振镜(3)进行波前倾斜校正；再进行下一周期波前探测、大光斑的A_Bx和A_By值计算、……；如此重复进行5～10个周期，重复频率即波前倾斜校正频率为波前抖动频率的5～10倍，以保证偏移量A_x和A_y快速减小到[A_n，A_p]范围内，即被测的波前倾斜已在哈特曼探测器(8)的正常响应范围内；从此恢复为采用哈特曼探测器(8)正常动态范围的自适应波前校正程序，计算小光斑质心平均偏移量从而较高精度地自适应校正波前倾斜，同时利用小光斑质心计算波前的高阶畸变，驱动波前校正器(11)自适应校正波前上的高阶畸变，校正后的光束进入CCD成像。

4.根据权利要求2所述的大动态范围光波前倾斜的探测方法，其特征是在所述的自适应系统中：

1)点光源(1′)为大恒公司的GCI-0601型直流调压光纤光源，是一种白光光源，口径控制为200微米；

2)准直透镜(2)、第一缩束透镜(6)和第二缩束透镜(7)均为双胶合透镜，焦距分别为50mm、100mm、100mm，口径分别为12mm、25mm、25mm；

3)振镜(3)为德国PI公司的S334型，口径10mm，有互为垂直的A、B两个轴控制倾斜，输入电压范围都是0到10V、连续可调，振镜(3)位于初始位置时其A、B两个轴上均施加5.00V电压，响应频率为700Hz；

4)分色片(4)是高通滤波片，使波长大于700nm的光透过，而波长小于700nm的光被反射；

5)哈特曼探测器(8)的背部CCD采用Andor DU860，使用有效像素数40×40，子区域n′n=4×4像素，小光斑直径约2.5像素，微透镜阵列M×M=10×10，被正入射光束覆盖的微透镜数为Q=80个；

6)计算机(16)为DELL T5500工作站，windows XP操作系统，双核CPU X9650主频分别为3.00GHz和2.99GHz，内存为3.00GB；计算机(16)中存有自适应波前校正控制程序，其中波前倾斜的校正频率为340Hz；在开始的前五个校正周期，采用整体大光斑的质心偏移量计算方法进行波前倾斜的自适应校正，然后恢复为采用小光斑质心平均偏移量的计算方法进行较高精度的波前倾斜自适应校正；

系统中哈特曼探测器(8)的超动态范围偏移量范围达到[11.8像素，-12.3像素]，比正常动态范围偏移量扩展至少15倍。