一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法

本发明属于波前探测，尤其涉及一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法。

背景技术：

1、波前探测需要将任意形态的光波波前转化为计算机可识别、可处理的电信号，从而产生校正器需要的控制信号，这一波前信息的采集过程所要用到的是特定的波前传感器。常见的波前传感器包括波前曲率传感器、棱锥波前传感器以及夏克—哈特曼波前传感器。其中，夏克—哈特曼传感器由于其结构简单、能够同时测量x、y两个方向的斜率、光能利用率高等特点，逐渐成为自适应光学系统中应用最为广泛的波前传感器。其主要是通过微透镜阵列分割待测光束的波前，然后根据光电探测器上各子孔径光斑质心位置的偏移量来估算对应子波前的斜率，最后利用相应算法重构波前相位。但是夏克—哈特曼波前传感器的探测精度受微透镜阵列或子孔径采样率的限制，子孔径数目越多，孔径分辨率越高，然而子孔径分割越密集，单个孔径所占像素减少，采集的能量越低，降低了像差测量的能力，从而限制了波前复原精度，因此单个子孔径要覆盖一定的像素数才能对波前进行准确的复原。

2、自适应光学系统中，随着望远镜的口径增加，或者校正大气湍流强度增强，为了实现对波前信息的准确探测，要求夏克—哈特曼波前传感器分割更多的子孔径。而在光电探测器像素有限或者追求高采样频率情况下，分割下来单个子孔径对应的像素数减小。由此引入以下难题：若要保持单个子孔径对应的的像素数不变，则需要运用大靶面、高速的光电探测器，会给后续处理系统带来极大的计算负担，在自适应光学系统需要高采样频率的场景下不适用，或者没有符合要求的探测器；若持现有探测器像素数不变，为了保证一定的波前探测动态范围，同时子孔径间不发生串扰，子光斑所占像素数下降，此时，波前探测精度下降。所以这是一个子孔径所占像素数和波前探测精度的矛盾，为此瞄准低像素采样下实现高精度提取问题，开展相关研究，提出一种在子孔径低像素采样条件下提升波前探测精度的传感器方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：夏克-哈特曼波前传感器子孔径所占像素数和波前探测精度的矛盾，提高夏克—哈特曼波前传感器在低像素采样下的波前探测精度。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，该方法通过引入倾斜调制器实现对入射光波多角度倾斜调制，从而增加了子光斑图像信息量，进而提升波前探测精度。

3、该方法具体通过以下步骤实现：

4、步骤1：利用倾斜调制器实现对入射光波多个角度的倾斜调制，首先设定调制次数n，以及调制幅值m。

5、步骤2：对入射光波进行第i次倾斜调制，获得光斑阵列图像i(i)。

6、步骤3：判断i是否满足i≤n，若不满足，则进行下一步；若满足，则重复执行步骤3直至执行n次倾斜调制，分别获得光斑阵列图像i(i+1)....i(n)。

7、步骤4：生成n次调制后的光斑阵列图像。

8、步骤5：根据采集得到的光斑阵列图像，计算波前斜率信息。

9、步骤6：通过波前复原算法实现像差复原。

10、进一步地，所述倾斜调制器可以是倾斜镜、液晶空间光调制器等可以进行倾斜调制的器件。

11、进一步地，可以采用多种调制方式进行调制，其倾斜调制幅度m≤p/2-λ·f/lp，其中λ为激光波长，f为微透镜焦距，p为子孔径所占像素数，lp为光电探测器像素尺寸。

12、进一步地，步骤1所述通过引入倾斜调制器实现对入射光波多个角度的n次倾斜调制，每次倾斜幅值为m，角度为θ，其在x和y方向上的幅值分别为xm和ym。

13、xm＝mcosθ

14、ym＝msinθ

15、进一步地，步骤3所述的n次倾斜调制中，单次倾斜镜调整角度为360°/n，n≥2。

16、进一步地，步骤5、6所述的经过调制n次后的图像，利用质心偏移计算、波前复原等过程实现像差复原，波前复原算法包括模式法、区域法等可以实现由哈特曼传感器子光斑点阵数据实现波前复原的方法。

17、本发明与现有技术相比有以下优点：

18、本发明所述的基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法通过引入倾斜调制器件实现对入射光波多角度倾斜调制，从而增加了子光斑图像信息量，以提高波前探测精度；本发明与传统夏克-哈特曼波前传感器复原算法相比，可以在子孔径低像素采样下以更高精度复原波前。

技术特征：

1.一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，其特征在于：通过引入倾斜调制器实现对入射光波多角度倾斜调制，从而增加了子光斑图像信息量，进而提升波前探测精度；

2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，其特征在于：所述倾斜调制器是包括倾斜镜或者液晶空间光调制器等在内的进行倾斜调制的器件。

3.根据权利要求1所述的一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，其特征在于：采用多种调制方式进行调制，其倾斜调制幅度m≤p/2-λ·f/lp，其中λ为激光波长，f为微透镜焦距，p为子孔径所占像素数，lp为光电探测器像素尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，其特征在于：所述步骤1中通过引入倾斜调制器实现对入射光波多个角度的n次倾斜调制，每次倾斜幅值为m，角度为θ，其在x和y方向上的幅值分别为xm和ym；

5.根据权利要求1所述的一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，其特征在于：所述步骤3中n次倾斜调制中，单次倾斜镜调整角度为360°/n，n≥2。

6.根据权利要求1所述的一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，其特征在于：所述步骤5、6中经过调制n次后的图像，利用质心偏移计算、波前复原过程实现像差复原，波前复原算法包括模式法、区域法实现由哈特曼传感器子光斑点阵数据实现波前复原的方法。

技术总结
本发明公开了一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法，该方法通过引入倾斜调制器件实现对入射光波多角度倾斜调制，从而增加了子光斑图像信息量，以提高波前探测精度。与传统夏克‑哈特曼波前传感器复原算法相比，本发明可以在子孔径低像素采样下以更高精度复原波前。

技术研发人员：赵晨思,赵旺,王帅,官泓利
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22