一种基于付立叶频谱滤波模块的夏克－哈特曼波前传感器

摘要

基于付立叶频谱滤波模块的夏克－哈特曼波前传感器，包括参考光源、反射镜、缩束系统、透镜阵列、匹配透镜组、光电探测器。其特征在于：在所述的光电探测器后接有对低信噪比时的图像噪声进行抑制的付立叶频谱滤波模块，付立叶频谱滤波模块对光电探测器获取的图像进行付立叶变换，然后进行滤波处理和信号复原。本发明能通过其特有的付立叶频谱滤波模块对探测图像进行处理后对信噪比低于1.0的极弱目标实现探测，在信噪比为1.0时，波面复原精度达到1/10波长，具有结构简单、工作性能稳定，加工工艺成熟的特征，使传感器的生产、安装和调节简单化，利于实现批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种夏克-哈特曼波前传感器，特别是一种基于付立叶频谱滤波模块的夏克-哈特曼波前传感器。

背景技术

夏克-哈特曼波前传感器已经广泛应用于自适应光学系统中。利用阵列透镜对探测波前进行分割，分割的波前被聚焦到CCD光电探测器上，计算各个子孔径的斜率，经复原计算得到探测波前的相位分布。夏克-哈特曼波前传感器除了应用于各种用途的自适应适应光学系统中外，还用于各种静态相差的测量，比如光学检测、系统标定和医学中的人眼像差测量等。这类传统的夏克-哈特曼波前传感器可以参见“哈特曼波前传感器的应用”，姜文汉，鲜浩等，量子电子学报Vol.15，April，1998，2，P228-235；“夏克-哈特曼波前传感器的波前相位探测误差”，沈锋，姜文汉，光学学报，Vol.20，No.5，May 2000，P666-671；“Combined shearing interferometer and Hartmann wavefrontsensor”，US patent No.518854，Hutchin etc.，June 17，1982。现有的用于天文观测中的夏克-哈特曼波前传感器中有的采用了像增强器环节以进行较弱目标的探测，参见“ICCD型于CCD型弱光哈特曼-夏克波前传感器的性能分析于对比”，曹根瑞等，光学学报，Vol.19，No.7，July1999，P975-980。

上述各种夏克-哈特曼波前传感器用于极弱目标探测时存在不足为：在信噪比很低时，信号被噪声淹没，光电探测器所获得图像不经处理则不能够得到精确的斜率数据，在采用了像增强器的夏克-哈特曼波前传感器中，信号得到增强的同时，但同时噪声也被放大，因此不能有效提高信噪比。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服了现有技术的不足，提出一种基于付立叶频谱滤波模块的夏克-哈特曼波前传感器，这种传感器可以有效地对极弱目标的探测，提高了信噪比，且结构简单、工作性能稳定，适合批量生产。

本发明的技术解决方案是：基于付立叶频谱滤波模块的夏克-哈特曼波前传感器，包括参考光源、反射镜、缩束系统、透镜阵列、匹配透镜组、光电探测器，其特征在于：在所述的光电探测器后接有对低信噪比时的图像噪声进行抑制的付立叶频谱滤波模块，付立叶频谱滤波模块对光电探测器获取的图像进行付立叶变换，然后进行滤波处理和信号复原。

所述的付立叶频谱模块为各种固化了快速傅立叶滤波算法的数字硬件模块，其工作过程包括首先对所采集信号进行傅立叶变换，然后滤除掉噪声频谱并复原信号至后级处理系统。

本发明相对于现有技术具有如下优点：本发明通过其特有的付立叶频谱滤波模块对探测图像进行处理后对信噪比低于1.0的极弱目标实现了有效探测，弥补了现有的夏克-哈特曼波前传感器只适用于较强目标探测的不足。本发明在信噪比为1.0时，波面复原精度达到1/10波长。此外，本发明还具备结构简单、工作性能稳定，加工工艺成熟的特征，使传感器的生产、安装和调节简单化，利于实现批量生产，可以用于针对低信噪比的各种高精度的波前探测场合。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由参考光源1-5、反射镜6、缩束系统7、透镜阵列8、匹配透镜组9、CCD光电探测器10和付立叶频谱滤波FSF模块11组成，在标定夏克-哈特曼波前传感器时，参考光源1-5产生的平行光束经反射镜6进入探测系统，标定后的传感器在工作时，反射镜6切换出光路，探测目标光进入探测系统进行探测。在光路布局中，要求参考光源光和探测目标光在反射镜6之后共光路。缩束系统7使前级系统(参考光源，目标)产生的光束口径与阵列透镜匹配，之后的匹配透镜组9则将由阵列透镜分割的子波前成像与CCD探测器件10上，由CCD探测器件10采集的电信号首先进入FSF处理模块11进行处理，然后进入后级处理系统。付立叶频谱滤波模块11为任何可以实现高速付立叶频谱滤波的硬件模块，阵列透镜可以采用微光学技术，或采用二元光学技术加工而得，缩束透镜后的光电探测器为一组或一组以上。

付立叶频谱滤波FSF模块11通过如下过程实现对低信噪比时的图像噪声进行抑制，即首先对所采集信号进行傅立叶变换，然后滤除掉噪声频谱并复原信号至后级处理系统。具体如下：

(1)对由光电探测器件获取的图像进行付立叶变换

G_F＝F(s+n)＝S_F+N_F                       (1)

其中s，n，S_F，N_F分别表示空间域和频率域的信号和噪声。

(2)滤波处理

$>>>>G>^>>F>>=>u>>(>>\Pi >D>>>G>F>>->T>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

其中u(x)为筛选函数： $>>u>>(>x>)>>=>\begin{array}{}>>x>,>x>>>0>\; >>0>,>Otherwise>\; >\; >,>>\Pi >D>>>(>x>)>>=>\begin{array}{}>>1>,>x>\in >D>\; >>0>,>Otherwise>\; >\; >,>>s>D为滤波器的支撑域，T为阈值。\end{array}\end{array}$

(3)信号复原

$>>>s>^>>=>>F>>->1>\; >>(>>>G>^>>F>>)>>->->->>(>3>)>>>s>$

由于信号函数的支撑域有限，付立叶频谱滤波模块实现了对频率大于其支撑域的成分的噪声的抑制。