[发明专利]一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器

说明书

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CCD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E_min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E_max；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P_k，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t_kmin＝P_k/E_max和曝光时间的上限t_kmax＝P_k/E_min，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：