最小二乘法测量液晶校正器响应矩阵的方法技术

本发明专利技术属于自适应光学领域，是最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法。本发明专利技术采用大量随机系数组合的Zernike模式波面，将这些计算出来的波面逐一施加在液晶波前校正器上，通过哈特曼波前探测器依次测出对应波面的光点阵斜率数据，构成测量矩阵，进而利用测量矩阵与响应矩阵间的计算关系、通过最小二乘矩阵算法消除测量中的误差，得出精确响应矩阵。分别利用常规测量的和最小二乘法统计测量的响应矩阵进行了湍流干扰下的光纤束自适应校正成像，如图所示，(a)为校正前，(b)与(c)分别对应前后两方法的成像效果，看出最小二乘法统计测量的响应矩阵确实使成像清晰度提高，经径向平均功率检测得出(c)的峰值是(b)的3倍。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于自适应光学领域，是最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法。本专利技术采用大量随机系数组合的Zernike模式波面，将这些计算出来的波面逐一施加在液晶波前校正器上，通过哈特曼波前探测器依次测出对应波面的光点阵斜率数据，构成测量矩阵，进而利用测量矩阵与响应矩阵间的计算关系、通过最小二乘矩阵算法消除测量中的误差，得出精确响应矩阵。分别利用常规测量的和最小二乘法统计测量的响应矩阵进行了湍流干扰下的光纤束自适应校正成像，如图所示，(a)为校正前，(b)与(c)分别对应前后两方法的成像效果，看出最小二乘法统计测量的响应矩阵确实使成像清晰度提高，经径向平均功率检测得出(c)的峰值是(b)的3倍。【专利说明】
本专利技术属于自适应光学领域，是一种最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法。涉及最小二乘法的统计思想和大数据量的矩阵运算方法，具体地说是一种通过大量测量、统计运算消除随机误差的最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法。
技术介绍
液晶自适应光学系统可以对大气引起的光学波前畸变进行实时补偿校正、恢复望远镜的高分辨率成像，因此在大口径地基望远镜中具有重要应用。通常与望远镜对接的自适应光学系统是基于粗校和精校的两个校正器来完成波前校正的，其中做粗校的倾斜振镜只校正入射光波前的倾斜，而倾斜校正后的高阶波前畸变由波前校正器来完成校正，对于液晶自适应光学系统即由液晶波前校正器来完成校正。响应矩阵表达了波前校正器和波前探测器之间的定量控制关系，是自适应校正过程中将波前探测信号转换为波前校正信号的依据。所以，响应矩阵的测量精度直接影响自适应光学系统的成像效果。这种影响在液晶自适应光学系统中尤为严重，因为基于光能量利用效率的考虑，液晶自适应光学系统中需要采用开环控制，而不是像变形镜自适应光学系统中使用闭环控制。闭环控制中，波前探测器置于校正器之后，探测的是校正后的剩余残差，从探测信号中不但可以了解校正器的工作效果，而且可以逐步趋近校正，对每一次的校正精度可以放松一些；而在开环控制中，波前探测器直接探测外界干扰，从探测信号中无法了解校正器的工作效果，只能靠严格的精度设计来把握，所以响应矩阵的测量精度也是影响液晶自适应光学成像效果的一个重要环节。哈特曼波前探测器的工作原理在【Francois Roddier, Adaptive optics inastronomy, Cambridge University Press, 1999，Part2, pp99】上有详述。哈特曼波前探测器是用微透镜阵列分割波面，分割后的子波面上只有倾斜畸变而不存在高阶畸变，因而用子波面光束聚焦点的位置测量该子波面的斜率；那么对应整体波面哈特曼波前探测器上则呈现光点阵图，计算光点阵中每个光斑质心在X轴和y轴上的偏移量，等于知道了各子波面的相对斜率，将这些斜率数据按照光斑序号排成矩阵，依据响应矩阵的标准即能重构所探测到的整体位相波面，也称波前，并能很容易换算为波前校正器上的校正信号。由于任意一个位相波前Φ都能用Zernike模式波面的组合形式表达:IΦ =(I) d其中I表示取前I项Zernike模式，且不包含平移项，第i项Zernike模式为Zi,Ci为Zi的系数，i = 1，2，3……I，所以液晶波前校正器的响应矩阵是通过在其上施加I项Zernike模式波面而测得的。给液晶波前校正器施加I项Zernike模式波面的顺序是按照i的序号从最低阶一直到高阶逐一施加，模式波面的位相起伏以入射光的中心波长λ为单位表示，实际上通常采用单色光测量响应矩阵，为数据处理方便Zernike模式的位相起伏峰谷值一般选为I λ，也可以说Zernike模式的系数Ci均为I ;同时在哈特曼波前探测器上依次测出对应Zi的光点阵各光斑斜率数据，这里定义光点阵的有效光斑数为J，J需要大于I，光斑序数为j，j = 1，2，3......J ;每个光斑的斜率都分解为X轴和I轴上的两个斜率分量表示，则响应矩阵M2U为一个2J行I列的斜率数据矩阵，其中I~J行为X轴上的斜率数据子矩阵、J~2J行为y轴上的斜率数据子矩阵。常规液晶波前校正器响应矩阵的测量方法参见中国专利技术专利(ZL200910266664.1)，“普适性液晶自适应像差校正视网膜成像系统”。由于I和J都是数十或数百的数字，故响应矩阵M2U是个相当庞大的矩阵。因此响应矩阵的测量精度很容易受到多方面随机因素的干扰，一是液晶波前校正器对每个Zernike模式波面尤其是高阶模式波面的表达误差，二是哈特曼波前探测器的不可控误差，三是环境中空气流动等因素的影响，而响应矩阵的误差会使波前重构标准漂移，导致液晶自适应光学成像效果变差。本专利技术针对这个问题，提出消除误差的办法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法，能够避免测量中的误差，保证Zernike模式波面的标准响应精度，从而提高液晶自适应光学成像的效果。本专利技术的内容是采用大量随机系数组合的Zernike模式波面，其表达式如(I)式，将这些计算出来的波面逐一施加在液晶波前校正器上，通过哈特曼波前探测器依次测出对应波面的光点阵斜率数据，构成测量矩阵，进而利用测量矩阵与响应矩阵间的计算关系、通过最小二乘矩阵算法消除测量矩阵中的误差，解出精确响应矩阵。为了更好地理解本专利技术，下面详述本专利技术的思想。将(I)式两侧的波面即波面Φ和系列模式波面Zi都转换为斜率数据矩阵表示，则Φ对应2J个斜率数据，排成列向量S2J，而(I)式右侧正好对应响应矩阵M2U与Zernike模式系数向量C1的乘积，其中C1为I个Ci排成的列向量；进一步将S2j对应为哈特曼波前探测器测量的光点阵的斜率数据，其中含有误差，写成误差向量^，^是与S2J同样元数的列向量，表示每个光斑的斜率数据中都含有误差，则(I)式转换成:S2J-N2J = M2jj J^Ci (2)这里强调(2)式成立的条件:选用前I项Zernike模式，其中不包括平移项，第i项Zernike模式Zi的系数为Ci, i = 1，2，3……I ;哈特曼波前探测器中光点阵的有效光斑数为J，J必须大于1.31，有效光斑序数为j，j = 1，2，3......J ;响应矩阵M2^为一个2J行I列的标准斜率数据矩阵。M2J；i即为本专利技术要求取的响应矩阵。为了精确测量M2j，i;给液晶波前校正器施加K个Zernike模式组合波前，第k个波前表达为【权利要求】1.一种最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法，其特征是:采用大量随机系数组合的Zernike模式波面，将这些计算出来的波面逐一施加在液晶波前校正器上，通过哈特曼波前探测器依次测出对应波面的光点阵斜率数据，构成测量矩阵，进而利用测量矩阵与响应矩阵间的计算关系、通过最小二乘矩阵算法消除测量矩阵中的误差，得出精确响应矩阵； 最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的具体步骤为: 选用前I项Zernike模式，其中不包括平移项，第i项Zernike模式Zi的系数为ci; i=1，2，3……I ;哈特曼波前探测器中光点阵的有效光斑数为J，J必须大于1.31，有效光斑序数为j, j = 1，2，3......J ;响应矩阵M2J为一个2J行I列的标准斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的方法，其特征是：采用大量随机系数组合的Zernike模式波面，将这些计算出来的波面逐一施加在液晶波前校正器上，通过哈特曼波前探测器依次测出对应波面的光点阵斜率数据，构成测量矩阵，进而利用测量矩阵与响应矩阵间的计算关系、通过最小二乘矩阵算法消除测量矩阵中的误差，得出精确响应矩阵；最小二乘法测量液晶波前校正器响应矩阵的具体步骤为：选用前I项Zernike模式，其中不包括平移项，第i项Zernike模式Zi的系数为ci，i＝1,2,3……I；哈特曼波前探测器中光点阵的有效光斑数为J，J必须大于1.3I，有效光斑序数为j，j＝1,2,3......J；响应矩阵M2J,I为一个2J行I列的标准斜率数据矩阵；给液晶波前校正器施加K个Zernike模式组合波前，第k个波前表达为令K>103>>I，I个Zernike模式系数ci,k为小于(‑0.5，0.5)范围内的随机数；分别用哈特曼波前探测器探测K个Zernike模式组合波前，获得K个光点阵的斜率数据列向量S2J,k；进一步将K个斜率数据列向量S2J,k排列构成一个2J行K列的斜率矩阵MS，将K个Zernike模式系数向量CI,k排列构成一个I行K列的系数矩阵MZ；利用最小二乘矩阵算法，即为：解出响应矩阵的精确解...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宣丽，张杏云，李大禹，刘永刚，穆全全，夏明亮，胡立发，曹召良，徐焕宇，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22