一种基于模型的无波前探测自适应光学系统

摘要

一种基于模型的无波前探测自适应光学系统，包括主控计算机、数模转换器、高压放大器、反射变形镜、聚焦透镜、光斑探测器、图像采集卡、波前校正方法组成，待校正的畸变波前由变形反射镜反射到聚焦透镜上，经聚焦透镜聚焦在其焦平面上的光斑探测器上，主控计算机把经过波前校正方法运算得到的控制信号输出到高压放大器，该信号再经高压放大器放大，施加到变形反射镜的各个驱动器上，使变形镜反射镜产生与待测波前方向相反的变形量，最终校正入射光束波前的各种像差。本发明结构简单，成本低，收敛速度快，易于实现且应用范围更广。

权利要求

1.一种基于模型的无波前探测自适应光学系统，其特征在于：包括主控计算机、数模转换器、高压放大器、反射变形镜、聚焦透镜、光斑探测器、图像采集卡、波前校正方法组成，待校正的畸变波前由变形反射镜反射到聚焦透镜上，经聚焦透镜聚焦在其焦平面上的光斑探测器上，主控计算机把经过波前校正方法运算得到的控制信号输出到高压放大器，该信号再经高压放大器放大，施加到变形反射镜的各个驱动器上，使变形镜反射镜产生与待测波前方向相反的变形量，最终校正入射光束波前的各种像差；

所述的波前校正方法的具体实现步骤如下：

(1)定义一组表征波前像差的Zernike多项式或者K-L多项式基函数；计算各阶Zernike像差x分量、y分量的梯度二阶矩，并求逆，记为P；

(2)由光斑探测器测量待校正像差的远场光强，经图像采集卡读入到主控计算机，以质心为中心截取M×M大小的像面，并计算截取部分的像面光强之和，记为I0，M取值范围为

10～20倍衍射极限；

(3)利用Zernike或者K-L各阶模式与变形镜影响函数之间的关系得到各阶模式对应的变形镜驱动器控制信号，再经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，从而将各阶Zernike或者K-L像差转换为变形镜面形，将各阶Zernike或者K-L模式系数向量记为a；

(4)变形镜产生的各阶Zernike或者K-L像差分别与待校正波前叠加，经聚焦透镜聚焦，由放置在聚焦透镜焦平面上的光斑探测器测量叠加后的波前对应的远场光斑，再经图像采集卡读入到主控计算机，以质心为中心截取M×M大小的像面，并计算截取部分像面的光强之和，N阶Zernike像差对应的光强之和分别记为I1，I2 IN，N为正整数；

(5)在主控计算机中，分别将I1，I2 IN与待测像差光斑之和I0做差运算，得到一N维向量Q，(6)利用公式 得到待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前；

(7)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(6)直到算法满足预先设定的终止条件，所述的终止条件包括一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

说明书

一种基于模型的无波前探测自适应光学系统

技术领域

[0001] 本发明属于光学技术领域，涉及一种新的自适应光学系统，特别是一种基于模型的无波前探测自适应光学系统。

背景技术

[0002] 光学系统中存在的各种静态和动态像差严重影响了光学系统的性能。自适应光学技术是改善光学成像系统的分辨能力和激光系统的光束质量的有力手段。目前已在天文成像、激光传输、工业和医学成像等领域得到了应用。

[0003] 常规自适应光学系统由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成。波前传感器的存在使得整个自适应光学系统结构 复杂，成本昂贵，其应用领域很难得到拓展和普及。在波前信息无法测量的应用环境中，如大气激光通信、激光腔内像差校正、扩展目标成像等，该类系统使用受限。

[0004] 相比常规自适应光学技术，无波前探测自适应光学系统不再需要波前探测环节，因而系统复杂性大大降低，且有着比常规自适应光学技术更为广泛的应用空间，如上述波前无法测量的环境。但是现有的无波前探测自适应光学系统大都采用各种盲优化算法作为系统控制算法，如遗传算法、粒子群算法、随机并行梯度下降算法或模拟退火算法，这类系统称为无模型优化自适应光学系统。收敛速度慢是无模型优化自适应光学系统的最大缺陷，难以用于实时像差校正系统，仅适用于对时间没有要求的应用场合。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术结构复杂、成本高和在某些场合难以应用的不足，以及现有无波前探测自适应光学系统收敛速度慢等问题，提出一种结构简单、成本低廉、收敛速度快、易于实现且应用范围更广的新型无波前探测自适应光学系统。

[0006] 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。本发明是一种基于模型的无波前探测自适应光学系统，其特点是：包括主控计算机、数模转换器、高压放大器、反射变形镜、聚焦透镜、光斑探测器、图像采集卡、波前校正方法组成，待校正的畸变波前由变形反射镜反射到聚焦透镜上，经聚焦透镜聚焦在其焦平面上的光斑探测器上，主控计算机把经过波前校正方法运算得到的控制信号输出到高压放大器，该信号再经高压放大器放大，施加到变形反射镜的各个驱动器上，使变形镜反射镜产生与待测波前方向相反的变形量，最终校正入射光束波前的各种像差。

[0007] 本发明所述的系统中，所述的波前校正方法的优选具体实现步骤如下：

[0008] （1）定义一组表征波前像差的Zernike多项式或者K-L多项式基函数；计算各阶Zernike像差x分量、y分量的梯度二阶矩，并求逆，记为 ；

[0009] （2）由光斑探测器测量待校正像差的远场光强，经图像采集卡读入到主控计算机，以质心为中心截取 大小的像面，并计算截取部分的像面光强之和，记为 ， 取值范围为10~20倍衍射极限；

[0010] （3）利用Zernike或者K-L各阶模式与变形镜影响函数之间的关系得到各阶模式对应的变形镜驱动器控制信号，再经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，从而将各阶Zernike或者K-L像差转换为变形镜面形，将各阶Zernike或者K-L模式系数向量记为 ；

[0011] （4）变形镜产生的各阶Zernike或者K-L像差分别与待校正波前叠加，经聚焦透镜聚焦，由放置在聚焦透镜焦平面上的光斑探测器测量叠加后的波前对应的远场光斑，再经图像采集卡读入到主控计算机，以质心为中心截取 大小的像面，并计算截取部分像面的光强之和，N阶Zernike像差对应的光强之和分别记为 ，N为正整数；

[0012] （5）在主控计算机中，分别将 与待测像差光斑之和 做差运算，得到一维向量 ； ；

[0013] （6）利用公式 得到待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前；

[0014] （7）将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤（2）-（6）直到算法满足预先设定的终止条件，所述的终止条件包括一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

[0015] 本发明系统的原理是：几何光学原理中远场光斑强度的质心与待校正波前畸变有关。经过一定的数学变换可以推导得到远场成像面上的某点光强值与波前梯度的二阶矩成线性关系，利用上述原理设计系统闭环波前校正方法。采用变形反射镜作为自适应光学系统的波前校正器件，变形反射镜由所述波前校正方法进行控制。每一次迭代中，将叠加Zernike或者K-L像差的待校正波前对应的远场光斑光强之和与待校正波前对应的光斑之和做差运算，再乘以波前梯度二阶矩的逆可以得到当前迭代次数的变形镜驱动信号。将驱动信号放大施加到变形镜各驱动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量。

[0016] 本发明与现有技术相比，有如下优点：

[0017] (1)常规自适应光学系统由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成。本发明不需要波前传感器使得整个系统的复杂性和成本大大降低；

[0018] (2)本发明直接从像平面图像计算控制信号，避免了通常自适应光学系统中波前传感器和成像系统相互独立分光、浪费入射光能量的缺点，提高了光能利用率；

[0019] (3)常规自适应光学系统，如基于哈特曼传感器的自适应光学系统，使用前需要事先标定。本发明不需要事先标定，可以将待校正的波前和系统自身的静态像差一起校正；

[0020] (4)现有的无波前探测自适应光学系统收敛速度缓慢，是将其应用到实时校正领域的最大瓶颈。本发明和现有技术相比收敛速度大大提高，所需迭代次数少，可以应用于自适应光学实时校正领域。

附图说明

[0021] 图1 本发明的结构示意图；

[0022] 图2 本发明波前校正方法的流程图。

具体实施方式

[0023] 以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明。

[0024] 如图1所示，一种基于模型的无波前探测自适应光学系统由主控计算机、数模转换器、高压放大器、反射变形镜、聚焦透镜、光斑探测器、图像采集卡组成。待校正的畸变波前由变形反射镜反射到聚焦透镜上，经聚焦透镜聚焦在其焦平面上的光斑探测器上，主控计算机读取采集卡数据、实现波前校正方法，并把经波前校正方法运算得到的控制信号输出到数模转换器，数模转换器将数字信号转换为模拟信号并传送给高压放大器，控制信号经高压放大器放大，施加到变形反射镜的各个驱动器上，使变形镜反射镜产生与待测波前方向相反的变形量，最终校正入射光束波前的各种像差。

[0025] 具体实施时，可按如下步骤进行：

[0026] （1） 预处理，包括梯度逆矩阵和各单位Zernike模式对应的变形镜控制信号计算，这两部分信息事先计算，与待校正波前没有关系，存储下来以备用。

[0027] A 梯度二阶矩计算。首先定义一组表征波前像差的基函数，本实施案例以Zernike多项式为例，但不限于Zernike多项式，如K-L多项式等。计算各阶Zernike像差x分量、y分量的梯度二阶矩，并求逆，记为 。

[0028] B 各单位Zernike模式对应的变形镜控制信号计算。按照公式(1)完成各单阶Zernike模式对应的变形镜驱动信号的计算。

[0029] (1)

[0030] 其中 为驱动器控制信号向量， 为驱动器影响函数与Zernike模式间的相互关系矩阵， 为驱动器影响函数间的耦合矩阵，为对称阵可逆。矩阵 和 事先测量或计算，与待校正像差没有关系。

[0031] （2）迭代过程。以N阶模式校正为例，描述迭代过程。

[0032] A由光斑探测器测量待校正像差的远场光强，经图像采集卡读入到主控计算机，以质心为中心截取 大小的像面，并计算截取部分像面的光强之和，记为 ， 取值范围为10~20倍衍射极限；

[0033] B 以系数 代入公式(1)得到第 阶Zernike模式像差对应的变形镜驱动信号，并将该信号由主控计算机输出到数模转换部分，再经高压放大器施加到变形镜，变形镜产生的面形与待校正波前叠加，经聚焦透镜聚焦，由放置在聚焦透镜焦平面上的光斑探测器测量叠加后的波前对应的远场光斑，再经图像采集卡读入到主控计算机，以质心为中心截取 大小的像面，并计算截取部分像面的光强之和，记为 。重复以上过程，得到N阶Zernike像差对应的光强之和，分别记为 。总的Zernike系数向量为 。

[0034] C在主控计算机中，按公式(2)计算Q。

[0035] (2)

[0036] D利用公式(3)得到待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前，得到残余波前。

[0037] (3)

[0038] E 将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤A-D直到算法满足预先设定的终止条件，如一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

[0039] （3）迭代过程结束，波前像差得到校正。

[0040] 图2为基于模型的无波前探测自适应光学闭环波前校正方法流程图。

[0041] 本发明未详细阐述的部分可以参考本领域公知技术。