专利名称：一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应光学系统中应用的哈特曼波前传感器，特别是一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器。
背景技术：
哈特曼波前传感器以其较高的测量实时性、合适的测量精度等特性，最早应用在天文自适应光学中。随着科学技术的发展，哈特曼波前传感器由于其结构简单、原理直白而作为一种精密的波前测量仪器广泛应用于在镜面面型检测、激光参数诊断、流场CT重建、 人眼像差诊断、光路准直等方面。哈特曼波前传感器一般由微透镜和CC D相机组成，是一种以波前斜率测量为基础的波前测量仪器。哈特曼波前传感器在工作时，微透镜阵列将被检测波面分成若干个采样单元， 这些采样单元分别由高质量透镜汇聚在分离的焦点上，然后用C⑶相机接收。每个子孔径范围内的波前倾斜将造成其光斑的在X和y方向上的位移，光斑的质心在X和y方向上的偏离程度反映了对应采样单元波面在两个方向上的波前斜率。在泽尼克模式波前复原算法中，复原波前的泽尼克系数是通过波前斜率向量与复原矩阵相乘后得到的， 所以波前斜率向量计算得越正确，复原波前的误差也就越小(Chaohong Li，Hao, Xian, “measuringstatistical error of Shack-Hartmann wavefront sensor with discrete detectorarrays，，，Journal of Lightwave Technology, 2007)。哈特曼波前传感器作为一种精密的波前测量仪器时，受到噪声的影响，测量得到的光斑质心的带有误差，一般可以通过提高光斑信噪比的方法来提高光斑质心测量的精度 (姜文汉，鲜浩，沈锋“夏克-哈特曼波前传感器的探测误差”，量子电子学报，1998)，然而受 CCD相机动态范围的限制，当入射波前的光功率密度均匀性较差时，在光强较弱的子孔径内，CCD相机的信噪比较低，根据该子孔径内光斑的光功率密度计算得到的光斑质心的误差较大，从而会影响复原波前的精度。由于有了上述问题的存在，如何提高哈特曼波前传感器在非均匀光照明时每个子孔径内光斑的信噪比而CCD相机又不会局部饱和，从而提高哈特曼波前传感器在非均匀光照明时的波前复原精度，就成为了一个很重要的研究课题。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，提高了光斑的质心测量精度，使整体波前复原的精度提高。本发明的技术解决方案是一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于包括分光镜、光功率密度测量仪、分步采集控制器、微透镜阵列、CCD相机、质心计算器和波前复原器；入射波前经分光镜后分为波前能量测量部分和波前斜率测量部分；波前能量测量部分进入光强分布测量仪，波前斜率测量部分经微透镜阵列分割后在CCD相机处形成光斑阵列；光强分布测量仪测量入射波前的光功率密度并将光功率密度数据传递给分步采集控制器；分步采集控制器首先根据入射波前的光功率密度特性和CCD相机的响应灵敏度计算出CCD相机对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间，分步采集控制器再控制CCD相机按照每个子孔径集合的曝光时间分步采集光斑数据并将数据传递给质心计算器，分步采集控制器最后控制质心计算器分步计算出每个子孔径集合的光斑质心并传递给波前复原器，波前复原器将质心计算器得到的质心排列为质心向量后计算得到入射波前的斜率向量并复原出入射波前的相位分布。所述分步采集控制器根据入射波前的光功率密度的特性和CCD相机的响应灵敏度计算出CCD相机对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间的过程如下首先分步采集控制器计算微透镜阵列的单个子孔径内达到光斑质心测量精度时所需最低信噪比要求时入射光能量的最小值Emin和光斑最大值达到CCD相机规定量程时的入射光能量的最大值Emax ;然后将光功率密度测量仪测量得到的光强按微透镜阵列的排布进行分割，对单个子孔径内的光强积分得到子孔径内的入射光功率Pk，k为子孔径编号；再将每个子孔径内的光能量要求和光功率相除得到曝光时间的下限ttain = Pk/Emax和曝光时间的上= ，将满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集，得到每步采集的子孔径集合及每次采集的子孔径集合的曝光时间。所述满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集过程如下(a)将子孔径编号k与曝光时间的上限tkmax、曝光时间的下限tkmin对应，形成子孔径编号向量K、曝光时间上限向量Tmax和曝光时间下限向量Tmin ；(b)取出曝光时间上限向量Tmax中最小值tmax的子孔径编号，并找出曝光时间下限向量Tmin小于tmax的子孔径编号，形成以tmax为曝光时间的子孔径集合；(C)将步骤(b)中取出的子孔径编号从子孔径编号向量K中取出，并取出曝光时间上限向量Tmax和曝光时间下限向量Tmin中对应的tkmax和tkmin值；(d)重复步骤(b)和(C)，直到所有子孔径都取出，从而实现满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集。为避免CXD相机饱和，所述光斑最大值达到CXD相机规定量程不等于CXD相机的满量程，根据实际情况光斑最大取CCD相机满量程的80% 90%。本发明的原理是在哈特曼波前传感器内部加装光功率密度测量仪和分步采集控制器来分步控制每个子孔径曝光的曝光时间和质心计算器分步计算的子孔径的质心。在分步采集控制器的控制下，对于光强较强的子孔径，CCD相机的曝光时间较短，不会达到饱和； 而对于光强较弱的子孔径，CCD相机的曝光时间较长，从而提高了信噪比。为提高哈特曼波前传感器在非均匀光照明时的波前复原精度提供了解决方案。本发明与现有技术相比有如下优点传统基于单次曝光方法的哈特曼波前传感器在非均匀光照明时，受限于CCD相机的动态范围，当光强较强的子孔径内的光斑信号已经达到饱和时，光强较弱的子孔径内的光斑信号的光斑信号还很弱，由于噪声不可避免地存在于光斑质心测量的过程中，所以此时光斑信号弱的子孔径内信噪比较低，降低了光斑的质心测量精度，最终导致整体波前复原的精度降低；而本发明采用多次分时曝光技术，即分步采集控制器，这样分次以不同的曝光时间采集不同光斑的质心数据，保证了每次采集过程中光斑质心计算的信噪比，提高了光斑质心测量的精度，从而提高了整体波前复原的精度。
图I为本发明的分时曝光哈特曼波前传感器示意图2为传统哈特曼波前传感器示意图3为本实施例中子孔径排列及编号不意图4为本实施例中入射光功率密度直方图5为本实施例中每个子孔径编号对应的入射光功率的直方图6为本实施例中非均勻光照明下光斑阵列图像(t = 50ms)；
图7为本实施例中被测波前示意图8为本实施例中每个子孔径所需的曝光时间的上下限直方图9为传统的单次光斑质心采集方法和本发明分次光斑质心采集方法复原得到的波前误差曲线图中1 :分光镜2 :光功率密度测量仪3 :分步采集控制器4 :微透镜阵列5 :CCD相
机6 :质心计算器7 :波前复原器8 :被测波前9 :波前能量测量部分10 :波前斜率测量部分。
具体实施例方式在本实施例中，本发明所采用的CXD相机5满量程为4095ADU (12位)、噪声的均方根值为20ADU、灵敏度为50nJ/ADU、光斑的艾利斑直径为lOpixel、哈特曼波前传感器的微透镜阵列4数为10x10、单个子孔径的尺寸为lmmxlmm、子孔径的编号方式如图3所示。根据光斑的光强分布特性(参见马晓燠，�：睬澹某せ浴白允视庋低持泄芈ㄇ按衅鞴獍咧市牡淖罴驯甓ㄎ恢谩保庋аПǎ�2009年)，当光斑的艾利斑直径为 IOpixel时，光斑的最大值点为IADU时，光斑的总ADU数约为26，此时需要入射光能量为 26ADUX50nJ/ADU = I. 3uJ0如图2所示，传统的哈特曼波前传感器包括微透镜阵列4、CXD相机5、质心计算器6和波前复原器7。当入射光功率密度如图4所示时，编号为k的子孔径处的入射光功率为
权利要求
1.一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于包括分光镜(I)、光功率密度测量仪(2)、分步采集控制器(3)、微透镜阵列(4)、CCD相机(5)、质心计算器(6)和波前复原器(7);入射波前⑶经分光镜⑴后分为波前能量测量部分(9)和波前斜率测量部分 (10);波前能量测量部分(9)进入光强分布测量仪(2)，波前斜率测量部分(10)经微透镜阵列⑷分割后在CCD相机(5)处形成光斑阵列；光强分布测量仪(2)测量入射波前⑶ 的光功率密度并将光功率密度数据传递给分步采集控制器(3);分步采集控制器(3)首先根据入射波前(8)的光功率密度特性和CCD相机(5)的响应灵敏度计算出CCD相机(5)对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间，分步采集控制器(3)再控制CCD相机(5)按照每个子孔径集合的曝光时间分步采集光斑数据并将数据传递给质心计算器￠)，分步采集控制器(3)最后控制质心计算器(6)分步计算出每个子孔径集合的光斑质心并传递给波前复原器(7)，波前复原器(7)将质心计算器(6)得到的质心排列为质心向量后计算得到入射波前(8)的斜率向量并复原出入射波前的相位分布。
2.根据权利要求I所述的采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于所述分步采集控制器(3)根据入射波前(8)的光功率密度的特性和CCD相机(5)的响应灵敏度计算出CCD相机(5)对光斑阵列的分步采集的子孔径集合及每个子孔径集合的曝光时间的过程如下首先分步采集控制器(3)计算微透镜阵列的单个子孔径内达到光斑质心测量精度时所需最低信噪比要求时入射光能量的最小值Emin和光斑最大值达到CCD相机(5)规定量程时的入射光能量的最大值Emax;然后将光功率密度测量仪(2)测量得到的光强按微透镜阵列(4)的排布进行分割，对单个子孔径内的光强积分得到子孔径内的入射光功率Pk，k为子孔径编号；再将每个子孔径内的光能量要求和光功率相除得到曝光时间的下限tkmin = Pk/ Efflax和曝光时间的上限tkmax = Pk/Emin，将满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集，得到每步采集的子孔径集合及每次采集的子孔径集合的曝光时间。
3.根据权利要求2所述的采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于所述满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集过程如下(a)将子孔径编号k与曝光时间的上限tkmax、曝光时间的下限tkmin对应，形成子孔径编号向量K、曝光时间上限向量Tmax和曝光时间下限向量Tmin ；(b)取出曝光时间上限向量Tmax中最小值tmax的子孔径编号，并找出曝光时间下限向量 Tfflin小于tmax的子孔径编号，形成以tmax为曝光时间的子孔径集合；(c)将步骤(b)中取出的子孔径编号从子孔径编号向量K中取出，并取出曝光时间上限向量Tmax和曝光时间下限向量Tmin中对应的tkmax和tkmin值；(d)重复步骤(b)和(C)，直到所有子孔径都取出，从而实现满足同一曝光时间范围的子孔径合并采集。
4.根据权利要求2所述的采用分时曝光的哈特曼波前传感器，其特征在于为避免CCD 相机(5)饱和，所述光斑最大值达到CCD相机(5)规定量程不等于CCD相机(5)的满量程， 根据实际情况光斑最大取CCD相机(5)满量程的80% 90%。
全文摘要
一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器，包括分光镜、光功率密度测量仪、分步采集控制器、微透镜阵列、CCD相机、质心计算器和波前复原器；光功率密度测量仪首先测量出入射波前的光功率密度，分步采集控制器根据入射波前光功率密度的特性和CCD相机的响应灵敏度制定出CCD相机对光斑阵列的分步采集的曝光时间，采集完成后控制质心计算器分步计算光斑阵列的质心，最后波前复原器根据质心计算器得到的质心矩阵复原出入射波前。本发明采用分步采集控制器以不同的曝光时间分步采集CCD相机处光斑的阵列，改善了当入射光强不均匀时，单个子孔径内光斑质心探测的信噪比，提高了质心探测的精度，为高精度地复原非均匀照明条件下的入射波前提供了解决方案。
文档编号G01J9/00GK102607718SQ20121007173
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者饶学军, 饶长辉, 马晓燠 申请人:中国科学院光电技术研究所
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