CN103308187A - 高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

高频三维夏克哈特曼波前测量装置，由微透镜阵与光纤束组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，该夏克哈特曼波前测量装置光轴的前方，依次设有高频激光器、分光镜、准直镜与干涉滤光片；该夏克哈特曼波前测量装置光轴的后方设有盖革雪崩光电二极管阵列和***控制单元，该盖革雪崩光电二极管阵列的输出接***控制单元。本发明采用GM_APDsarray作为探测核心，通过光子计数反演的方法实现对被测目标的波前误差测量，利用GM_APDsarray的高频和高灵敏特性，使得测量装置具有测量间隔短、单次测量精度高等特点，能够有效降低环境变化对测量精度的影响，特别适用于自适应光学中大气波前误差的分层测量。

Description

高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）的高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法。属于光学测量技术领域。

背景技术

夏克哈特曼是一种常见的波前误差测量装置，广泛应用于光学测试和天文望远镜装调，在自适应光学中被用于大气波前误差测量，对于提高望远镜成像质量起着重要的作用。夏克哈特曼采用微透镜阵将入射光瞳划分为一定数量的子孔径，入射波面误差会造成子孔径内焦点像斑的变化，通过对这些焦点像斑变化量的分析和计算，得到每个子孔径入射波面的斜率，并最终拟合出完整的入射波前误差（SU Dingqiang,et al.Experiment system of segmented-mirroractive optics.）。

在多层共轭自适应光学（MACO）中，需要对大气湍流造成的波前误差进行更高精度的测量，获得不同高度大气湍流的波前误差，通过对不同高度大气波前误差分别校正，达到提高自适应光学校正精度并扩大视场的目的。目前担负大气波前分层探测的夏克哈特曼广泛采用CCD作为探测核心，其时间响应特性在毫秒（ms）量级，需要采用普克尔斯盒（Pockels’cell）才能实现大气的分层测量，光路复杂、能量损耗大、分层精度低（Michael Lloyd-Hart and N.Mark Milton.Design and expected performance of the6.5m MMT MCAO system）。

工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）是一种新型的光电探测器件，既可以工作在线性放大模式，如常用的激光测距，激光雷达，实现较强入射光信号的测量，也可以工作在盖革模式，具有单光子探测能力，可以通过光子计数反演的方法实现微弱光信号的探测（Carl Jackson and Alan Mathewson.Improvements in silicon photon countingmodules）。

中国在光子计数成像研究领域已经开展了一些研究，主要采用经过特殊处理的光电倍增管、微光像增强器和CCD等器件作为探测核心构成光子计数***，通过对得到的图像进行处理，使其工作在光子计数模式下（张兴华等.紫外单光子成像***的研究；朱香平等.30.4nm极紫外成像探测器的实验研究）。这些光子计数成像***能够将微弱光的探测水平提高3～4个数量级，但是还停留在“以模拟方式得到光子计数值”的技术水平上，存在一定的局限性。

国外在APD器件和应用技术水平上都处于领先地位，基于APD的光子计数成像技术在三维激光雷达领域的研究已经具备了从实验室走向产品化的条件（Richard M.Marino,et al.Acompact3D imaging laser radar system using Geiger-mode APD arrays:system andmeasurements）。中国对全固态、全数字化的APD光子计数成像研究不足，相关研究很少，仅见到少量综述性论文发表，与国外差距很大（李琦等.基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术）。

近些年中国投入了大量的人力物力进行主动光学和自适应光学方面的研究，在激光人造信标和大气波前探测方面已经取得了长足的进步，中科院理化所的全固体化、准连续波钠信标激光器技术已达到国际先进的水平，结合中科院光电所的自适应光学技术和大气波前CCD探测技术合作研制成的激光钠导星***已进行过钠导星外场试验。但是中国在大气波前分层探测方面却进展有限，一方面是因为中国在该领域起步较晚，另一方面的原因是受到西方发达国家的禁运限制，无法购买到满足分层探测所需的高帧频、低噪声、高灵敏度的探测器件。从目前的局势来看，探测器受制于人的状况还将长期存在。只有探索新技术，新途径与新方法，突破西方国家设置的技术壁垒，才能够提高中国在该领域的竞争力。

发明内容

本发明的目的是针对现有夏克哈特曼波前传感器时间响应特性差、测量频率较低的不足，提出了一种基于盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）探测核心的高频三维夏克哈特曼波前测量装置。该装置采用光子计数反演和时间相关的方法实现了高频、动态的波前误差测量，时间响应特性可以达到ns量级，测量灵敏度可以达到单光子量级。本发明还将提供这种高频三维夏克哈特曼波前测量装置的探测方法。

完成上述发明任务的技术方案是，一种高频三维夏克哈特曼波前测量装置，由微透镜阵与光纤束组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，该夏克哈特曼波前测量装置光轴的前方，依次设有高频激光器、分光镜、准直镜与干涉滤光片（例如，采用窄带滤光片）；该夏克哈特曼波前测量装置光轴的后方设有盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）和***控制单元，该盖革雪崩光电二极管阵列的输出接***控制单元。

其中高频激光器用于产生高频激光脉冲照射被测目标，被测目标可以是光学元件，也可以是大气。分光镜用于将发射光路和接收光路的光轴重合到一起，并通过棱镜表面散射，为计数提供开门信号。干涉滤光片用于选通回波信号，滤除杂散光，其误差范围为±5nm。准直镜用于将回波信号准直成平行光，其焦点与激光发射的共轭像点重合。微透镜阵为方形或圆形排列，将平行光束分割成多个子孔径，子孔径内的光束分别汇聚到对应微透镜的焦平面上，入射光斜率的变化将会造成像斑位置的变化(Δx_i,Δy_i)。光纤束用于将微透镜阵焦平面上的入射光子匹配到GM_APDs array的探测单元上，并保持其位置信息不变。GM_APDs array用于接受入射光子信息，并将每一个门控周期内探测到的光子信息以数字矩阵的方式传输到控制单元进行数字积分和反演成像计算。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述高频三维夏克哈特曼波前测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.所述***控制单元发出激光发射指令给高频激光器，同时开始计数；

⑵.高频激光器接到发射指令后发射激光脉冲，照射到被测目标；

⑶.被测目标反射回来的光束经分光镜反射，进入准直镜成为平行光束；

⑷.平行光束经过窄带滤光片和微透镜阵列聚焦在光纤面板上；

⑸.聚焦在光纤面板上的光束经光纤传输至盖革雪崩光电二极管阵列接收；

⑹.盖革雪崩光电二极管阵列经过信号处理得到连续的光子流信息；并传输给控制单元

⑺.控制单元对光子流进行计数和反演，得到微透镜焦点光斑的位置和时间特性；

⑻.控制单元将光斑位置、时间特性信息与标准信息进行比较，根据波前误差重建算法计算出波前误差按照时间的分布特性。

换言之，本发明所提供的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，包含高频激光器、分光镜、准直镜、窄带滤光片、微透镜阵、光纤面板、盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）和***控制单元。所述***控制单元发出激光发射指令给高频激光器，同时开始计数。高频激光器接到发射指令后发射激光脉冲，照射到被测目标。被测目标反射回来的光束经分光镜反射，进入准直镜成为平行光束。平行光束经过窄带滤光片和微透镜阵列聚焦在光纤面板上，并经光纤传输至GM_APDs array接收，经过信号处理得到连续的光子流信息。对光子流进行计数和反演，得到微透镜焦点光斑的位置和时间特性。将光斑位置、时间特性信息与标准信息进行比较，根据波前误差重建算法计算出波前误差按照时间的分布特性。

基于GM_APDs array的光子计数反演成像方法是，采用门控工作模式的GM_APDs array作为探测核心，通过相关的光子计数反演方法，得到被测目标的图像。高频激光经过被测目标反射后，其光子并非均匀分布，而是按照一定的概率入射到GM_APDs array的探测区域。通过泊松变换可以得到多个门控周期的光子计数概率分布：

$p\left(n\right)\frac{{\stackrel{\‾}{n}}^n}{n!}{e}^{-\stackrel{\‾}{n}};$

根据光子计数概率分布，采用最大熵法推导出物函数光强分布：

对物函数光强分布进行归一化处理，使其对应到（0～255）的灰度等级：

$f_{\mathrm{ch}}(x,y)=\frac{{f_{\mathrm{ch}}}^{\′}(x,y)}{\max \left({f_{\mathrm{ch}}}^{\′}(x,y)\right)}\×256;$

目标反射信息获取方法特征在于，激光发射点与准直镜前焦点共轭，通过分光棱镜实现发射光路与接收光轴的重合。激光器发射的激光通过分光棱镜发射，分光棱镜散射的激光作为开门信号，计数器计数开始。经过目标反射后通过分光棱镜在发射光轴90°的位置成共轭像点，该像点的波前误差等同于被测目标入射光瞳波前误差。该方法既可以实现波前误差测量，又可以通过激光发射与接收的时间相关性建立夏克哈特曼光点图像序列、被测目标波前误差序列与时间轴之间的联系，实现三维测量信息获取。根据激光发射的时间相关性，建立物函数灰度图像的三维序列：

I(x,y,t)＝f_ch(x,y)g(t)；

采用光纤束将微透镜阵所成的点阵列图像输至GM_APDs array的特征在于，采用圆锥形光纤束将微透镜阵焦平面与GM_APDs array探测区域匹配。这样的设计优点有两条，一是微透镜阵所成像斑阵列尺寸较大，相对应缩焦镜的视场比较大，所产生的畸变会对测量精度造成较大的影响，采用光纤束降低了光路调整难度，避免了采用缩焦镜所造成的图像畸变。另一方面，GM_APDs array的每个像元探测面积比较大（0.1～0.5mm），通过调整光纤束中的光纤间隔可以保证微透镜阵焦平面与GM_APDs array的完善匹配。

本发明结合天文光学的实际需要，借鉴国外在GM_APDs array技术上的发展，采用GM_APDs array作为夏克哈特曼探测核心，通过光子计数反演方法实现高频三维的波前误差测量，即可以直接用于大口径光学元件面型检测和望远镜像质检测，也可以借助大功率激光器，通过激光导引星和瑞利散射方法实现大气波前分层测量。

附图说明：

图1是高频三维夏克哈特曼波前测量装置的光学***图。

图2是高频三维夏克哈特曼波前测量装置的工作流程图。

图3是GM_APDs array光子计数反演成像原理图。

图4是采用光纤束将微透镜阵所成点阵列图像传输至GM_APDs array的原理图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1，基于盖革雪崩光电二极管阵列（GM_APDs array）探测核心的高频三维夏克哈特曼波前测量装置。如图1所示，本发明所提出的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，由高频激光器2、分光镜3、准直镜4、窄带滤光片5、微透镜阵6、光纤束7、GM_APDs array8和***控制单元组成。其中高频激光器2用于产生高频激光脉冲照射被测目标1，被测目标1可以是光学元件，也可以是大气。分光镜3用于将发射光路和接收光路的光轴重合到一起，并通过棱镜表面散射，为计数提供开门信号。干涉滤光片4用于选通回波信号，滤除杂散光，其误差范围为±5nm。准直镜5用于将回波信号准直成平行光，其焦点与激光发射的共轭像点重合。微透镜阵6为方形或圆形排列，将平行光束分割成多个子孔径，子孔径内的光束分别汇聚到对应微透镜的焦平面上，入射光斜率的变化将会造成像斑位置的变化(Δx_i,Δy_i)。光纤束7用于将微透镜阵焦平面上的入射光子匹配到GM_APDs array的探测单元上，并保持其位置信息不变。GM_APDs array8用于接受入射光子信息，并将每一个门控周期内探测到的光子信息以数字矩阵的方式传输到控制单元进行数字积分和反演成像计算。

如图2所示，本发明所提出的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，其工作流程如下：

1）制单元发出激光发射指令给高频激光器，同时开始计数。

2）高频激光器接到发射指令后发射激光脉冲，照射到被测目标。

3）被测目标反射回来的光束经分光镜反射，进入准直镜成为平行光束。

4）平行光束经过窄带滤光片和微透镜阵列聚焦在光纤面板上，并经光纤传输至GM_APDsarray接收，经过信号处理得到连续的光子流信息。

5）对光子流进行计数和反演，得到微透镜焦点光斑的位置和时间特性。

6）将光斑位置、时间特性信息与标准信息进行比较，根据波前误差重建算法计算出波前误差按照时间的分布特性。

如图3所示，本发明所提出的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，其光子计数成像原理如下：

1）在门控时间内，入射的光子经物镜7-1到达APD阵列8的“像素”单元上，并引起该单元的APD雪崩；

2）APD产生的雪崩电流被高速驱动控制电路探测，产生光子计数脉冲，记录并输出；

3）高速驱动控制电路在探测到雪崩电流的同时会迅速降低APD的偏置电压，抑制雪崩的继续进行，从而使得APD具备进行下一个或几个入射光子探测的能力；

4）每一个门控周期内的不同像元输出结果构成一个由0和1组成的离散的、没有灰度等级的二维数字矩阵；

5）在一定时间内对多次门控周期产生的数字矩阵进行时间相关、反演、非均匀校正、增强、降噪处理后得到信息量丰富的高灰度等级图像。

图中各步骤的标号为：多幅门控图象9、图象处理10、显示控制11、图象12。

可以看出，APD光子计数成像的核心科学问题是以门控方式对目标光场在空间和时间上采样，通过对采样结果的反演计算得到目标光场的最佳估计，从而以最小的误差表征出光场的统计分布特征。

如图4所示，本发明所提出的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，采用圆锥形光纤束7实现微透镜阵列6焦平面到GM_APDs array8之间的匹配。光纤束7在微透镜阵列6焦平面一侧紧密排列，其端面与焦平面重合，以更好地接收入射光子信号。光纤束在GM_APDsarray8一侧以一定的距离排列，两根光纤之间的距离与GM_APDs array8面元间隔一致。光纤束7端面到GM_APDs array8之间的间隔为：

$l=\frac{D-d}{\mathrm{NA}};$

式中，D为GM_APDs array面元直径，d为光纤直径，NA为光纤数值孔径。

Claims (10)

1.一种高频三维夏克哈特曼波前测量装置，由微透镜阵与光纤束组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，该夏克哈特曼波前测量装置光轴的前方，依次设有高频激光器、分光镜、准直镜与干涉滤光片；该夏克哈特曼波前测量装置光轴的后方设有盖革雪崩光电二极管阵列和***控制单元，该盖革雪崩光电二极管阵列的输出接***控制单元。

2.根据权利要求1所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，所述的高频激光器产生的高频激光脉冲用于照射被测目标，该被测目标是光学元件，或是大气。

3.根据权利要求1所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，所述的微透镜阵为方形或圆形排列。

4.根据权利要求1所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，所述高频激光器产生的激光发射点与准直镜前焦点共轭，通过分光棱镜实现发射光路与接收光轴的重合。

5.根据权利要求1-4之一所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，所述的光纤束在盖革雪崩光电二极管阵列一侧以一定的距离排列，两根光纤之间的距离与盖革雪崩光电二极管阵列面元间隔一致；所述光纤束端面到盖革雪崩光电二极管阵列之间的间隔为：

$l=\frac{D-d}{\mathrm{NA}};$

式中，D为盖革雪崩光电二极管阵列面元直径，d为光纤直径，NA为所述光纤束中的光纤数值孔径。

6.权利要求1所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.所述***控制单元发出激光发射指令给高频激光器，同时开始计数；

⑵.高频激光器接到发射指令后发射激光脉冲，照射到被测目标；

⑶.被测目标反射回来的光束经分光镜反射，进入准直镜成为平行光束；

⑷.平行光束经过窄带滤光片和微透镜阵列聚焦在光纤面板上；

⑸.聚焦在光纤面板上的光束经光纤传输至盖革雪崩光电二极管阵列接收；

⑹.盖革雪崩光电二极管阵列经过信号处理得到连续的光子流信息；并传输给控制单元

⑺.控制单元对光子流进行计数和反演，得到微透镜焦点光斑的位置和时间特性；

⑻.控制单元将光斑位置、时间特性信息与标准信息进行比较，根据波前误差重建算法计算出波前误差按照时间的分布特性。

7.根据权利要求6所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置的测量方法，其特征在于，步骤⑸与步骤⑹中，所述的盖革雪崩光电二极管阵列是通过数字积分的方法实现高频图像获取。

8.根据权利要求7所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置的测量方法，其特征在于，所述的数字积分方法，是采用门控方法对入射光子流信息进行采样，通过对多个门控周期内采样得到的入射光子流信息矩阵进行重组和反演处理，得到包含位置信息和时间信息的目标图像。

9.根据权利要求6-8之一所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置的测量方法，其特征在于，步骤⑺中所述控制单元对光子流进行计数和反演的方法是，基于GM_APDs array的光子计数反演成像方法：采用门控工作模式的盖革雪崩光电二极管阵列作为探测核心，通过相关的光子计数反演方法，得到被测目标的图像；高频激光经过被测目标反射后，其光子并非均匀分布，而是按照一定的概率入射到GM_APDs array的探测区域；通过泊松变换可以得到多个门控周期的光子计数概率分布：

通过泊松变换可以得到多个门控周期的光子计数概率分布：

$p\left(n\right)\frac{{\stackrel{\‾}{n}}^n}{n!}{e}^{-\stackrel{\‾}{n}};$

根据光子计数概率分布，采用最大熵法推导出物函数光强分布：

对物函数光强分布进行归一化处理，使其对应到（0～255）的灰度等级：

$f_{\mathrm{ch}}(x,y)=\frac{{f_{\mathrm{ch}}}^{\′}(x,y)}{\max \left({f_{\mathrm{ch}}}^{\′}(x,y)\right)}\×256.$

10.根据权利要求6-8之一所述的高频三维夏克哈特曼波前测量装置的测量方法，其特征在于，步骤⑻的操作是：通过激光发射与接收的时间相关性建立夏克哈特曼光点图像序列、被测目标波前误差序列与时间轴之间的联系，实现三维测量信息获取；根据激光发射的时间相关性，建立物函数灰度图像的三维序列：

I(x,y,t)＝f_ch(x,y)g(t)；

采用光纤束将微透镜阵所成的点阵列图像输至GM_APDs array的特征在于，采用圆锥形光纤束将微透镜阵焦平面与GM_APDs array探测区域匹配。

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