技术领域
[0001] 本
发明属于自适应光学成像技术领域，是针对
相位差波前重构(PD)图像处理方法能够良好应用于液晶自适应光学系统的光学设计方法。涉及液晶自适应光学系统的焦面与离焦面上并行成像的光学设计，大幅减小自适应波前校正后的残留波前畸变，是一种具有PD图像恢复功能的液晶自适应光学系统。
背景技术
[0002] 自从1609年伽利略首次使用望远镜进行了天文观测以来，人类对于空间目标的观测有了长足的发展，其中大口径
光学望远镜是人们最重要的观测工具之一。光学望远镜的主要性能包括集光
力和分辨力，这两个性能都随望远镜有效口径增大而提高，所以大口径望远镜能够观测到更暗的目标并且能够分辨目标更多的细节。然而，对于地基望远镜，光传播通道中的大气
湍流使光波前严重畸变，劣
化成像
质量，使大口径望远镜的分辨力下降至20厘米口径的小型望远镜
水平，极大限制了大口径望远镜的观测能力和应用。
[0003] 自适应光学系统利用波前探测器，实时探测波前相位，通过控制波前校正器施加反相位波前
信号以补偿波前畸变，大幅降低了大气湍流对大口径望远镜成像系统的影响。但是，由于波前探测误差、校正器重构波前误差、校正延时等原因，导致自适应光学系统并不能对大气湍流造成的波前畸变进行完美校正，校正后的波前依然存在畸变残差，此时得到的目标图像依然有改善空间。
[0004] 针对上述问题，人们提出了
相位差波前重构(PD)
算法恢复图像的技术，该技术利用自适应波前校正系统后焦面图像和离焦图像计算波前畸变残差，进一步消除残留波前畸变，得到更高
分辨率的目标图像。
[0005] 其计算过程如下：
[0006] 被成像目标在成像相机上的理想
亮度分布为o(x,y)，其中(x,y)是相机成像面上直
角坐标系中的坐标，系统焦面图像和离焦图像在成像相机上的亮度分布分别为if(x,y)和id(x,y)，系统焦面所成的像为理想图像与系统点扩散函数hf(x,y)的卷积，如式(1)所示：
[0007] if(x,y)＝o(x,y)*hf(x,y) (1)
[0008] 其中“*”代表卷积运算。同样，系统离焦图像id(x,y)可表示为：
[0009] id(x,y)＝o(x,y)*hd(x,y) (2)
[0010] 其中hd(x,y)为对应离焦图像的点扩散函数。点扩散函数与成像透镜前平行光束的波前的关系表示如下：
[0011]
[0012] 其中(u,v)为成像透镜前平行光束截面上的直角坐标系中的坐标，A(u,v)为成像透镜前平行光束的光强分布函数，在光束内A(u,v)＝1，在光束外A(u,v)＝0；FT-1为逆傅里叶变换算子； 为成像透镜前有残留畸变的波前，可用一系列Zenike模式函数的线性
叠加表示，如(4)式：
[0013]
[0014] αk为第k项Zenike模式系数，Zk(u,v)为第k项Zenike模式波前。系统离焦图像的点扩散函数为：
[0015]
[0016] 其中θ(u,v)就是人为引入的固定离焦像差，可由第三项Zenike系数表示，为已知量。将(3)和(5)式代入(1)和(2)可得：
[0017]
[0018]
[0019] 从式(6)和(7)可以看出，if(x,y)和id(x,y)为成像相机上采集到的系统焦面图像和离焦面图像，为已知量，只要从两式中解出残留畸变的波前 即可获得理想图像o(x,y)。但由于 是系列Zenike模式函数的线性叠加，不能通过直接解方程的方法进行求解，需要通过全局最优化方法才能得到残留畸变的波前
[0020] 使用下式来表示所求得的残留畸变波前的误差：
[0021] E＝|if(x,y)-o(x,y)*h′f(x,y)|2+|id(x,y)-o(x,y)*h′d(x,y)|2 (8)
[0022] 其中h′f(x，y)和h′d(x，y)分别为求得的焦面图像和离焦图像的点扩散函数，如果求得的h′f(x，y)和h′d(x，y)与真值hf(x，y)和hd(x，y)相同，则E＝0。h′f(x，y)和h′d(x，y)求解
精度越高，E值越小。
[0023] 利用全局最
优化算法可以寻找一组Zenike系数使得E值最小。关键是要在成像相机上准确采集到系统焦面图像if(x,y)和已知离焦量的离焦图像id(x,y)。
[0024] 实施PD技术的初期，使用两个成像相机分别采集系统焦面图像if(x,y)和离焦面图像id(x,y)，这种方法需要将两个相机在光路上的
位置与预想位置十分吻合，但是实际上很难做到，很容易引入偏离预想离焦量、离轴或倾斜等误差，使得PD处理得出的波前误差较大。
[0025] 之后，提出了一种能够准确采集焦面图像if(x,y)和离焦图像id(x,y)的光路设计，使得焦面图像和离焦图像分别成像于一台相机的两个区域上，如图1所示。图1中1为成像透镜，2为分光三角棱镜组合体，3为成像相机；分光三角棱镜组合体2由非偏振分束棱镜和三角棱镜胶合而成，使从成像透镜1出射的汇聚光束到达非偏振分束棱镜时被分为
能量相同的透射和反射两束，其中
透射光束聚焦于成像相机3上，形成焦面图像if(x,y)，反射光束则进入三角棱镜、又从三角棱镜的45°反射面处折束产生一个固定的离焦像差后进入成像相机3，形成离焦图像id(x,y)。这种焦面图像if(x,y)和离焦图像id(x,y)的采集方法很适用于基于
变形镜波前校正器的自适应光学系统，但对于基于液晶波前校正器的自适应光学系统来说并非最佳设计，因为在液晶自适应光学系统中必须采用两个液晶校正器分别校正P偏振光和S偏振光，以避免偏振光能量的损失。因此，液晶自适应光学系统的光路结构与变形镜自适应光学系统的有很大不同。针对液晶自适应光学系统的特殊性，本发明提出更适合的设计。
发明内容
[0026] 本发明针对相位重构(PD)技术应用于液晶自适应成像系统中的需求，提出在液晶自适应光学系统终端并行采集系统焦面图像与固定离焦图像的光路设计，目的是使液晶自适应光学系统获得的图像能够经过PD处理进一步减少残留的波前畸变，使重建图像分辨率提高。
[0027] 下面详述本发明。
[0028] 主光学系统如图2所示，由分光镜12、第二透镜7、第三透镜8、波前探测器13、第四透镜9、第五透镜10、偏振分光棱镜14、第一液晶波前校正器15、第二液晶波前校正器16、反射镜17、CCD相机18组成。主光学系统中各元件的作用为：分光镜12与接收光学系统后的平行光束对接，是进行谱段分光的高通
滤波器，谱段分光
波长为700nm，用来使接收的平行光束分为波前探测支路和校正成像支路，其中使700nm-900nm波段透射、进入校正成像支路，而将400nm-700nm短波段的光反射、同时90°折束进入波前探测支路；波前探测支路的第二透镜7和第三透镜8构成缩束透镜组，将进入波前探测支路的光束缩束为与波前探测器13的口径一致，使之完全进入波前探测支路终端的波前探测器13中；位于分光镜12之后的校正成像支路上的第四透镜9和第五透镜10为另一缩束透镜组，将进入校正成像支路的光束缩束为与第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16的口径一致，第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16的口径是相同的，另外第五透镜10的轴线相对第四透镜9的轴线下移4mm～5mm，使得通过第五透镜10的光束为偏心入射，从第五透镜10出射光束产生2°～3°的倾斜，然后以2°～3°入射角进入偏振分光棱镜14，又被偏振分光棱镜14分成透射的P偏振光和反射的且90°折束的S偏振光，分别在偏振分光棱镜14后的透射光束处设置第一液晶波前校正器15且其e光光轴平行P偏振方向、在90°折束的反射光束处设置第二液晶波前校正器16且其e光光轴平行S偏振方向，所谓e光光轴即液晶取向方向，经第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16校正后的P、S偏振光束被反射回偏振分光棱镜14，且相对入射光束以4°～6°的光束夹角再次到达第五透镜10，此时，反射光束与入射光束的中心间距为4mm～5mm、然后到达与传播方向成45°角的反射镜17，使光束折束90°并聚焦在校正成像支路终端的CCD相机18上；在纸面内顺
时针旋转第二液晶波前校正器16，使其法线偏离入射的S偏振光束光轴0.3°～0.4°，观测CCD相机18，在其不同区域同时能得到P偏振光束的成像和S偏振光束的成像，两个图像即不重叠也没有偏出CCD相机18。主光学系统搭建完毕。
[0029] 令主光学系统中的波前探测器13、第一液晶波前校正器15，第二液晶波前校正器16，CCD相机18都与存储有自适应波前校正成像控制
软件的计算机相连。
[0030] 利用所搭建的上述液晶自适应主光学系统，采集波前自适应校正后的焦面图像和离焦图像：
[0031] 1)开启自适应波前校正成像控制软件，发生如下过程：波前探测器13探测畸变的波前，计算机将探测
信号处理为波前校正信号，并分别施加到第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16上，同时在第二液晶波前校正器16上叠加PV值为400nm～500nm的离焦像差，CCD相机18采集到自适应波前校正后被成像目标的焦面图像和离焦图像。
[0032] 3)采用PD图像处理方法对采集到的焦面图像和离焦图像进行残留畸变波前解析，使用解出的波前对采集到的焦面图像进行图像重建。
[0033] 上述方法，可以获得比液晶自适应光学系统更高分辨率的目标图像。
附图说明
[0034] 图1一种适用于变形镜自适应光学系统的能够准确采集焦面图像和离焦图像的光路设计，其中1为成像透镜，2为分光三角棱镜组合体，3为成像相机。分光三角棱镜组合体2由非偏振分束棱镜和三角棱镜胶合而成，使从成像透镜1出射的汇聚光束到达非偏振分束棱镜时被分为能量相同的透射和反射两束，其中透射光束聚焦于成像相机3上，形成焦面图像，反射光束则进入三角棱镜、又从三角棱镜的45°反射面处折束产生一个固定的离焦像差后进入成像相机3，形成离焦图像。其中焦面图像和离焦图像分别成像于一台相机的两个区域上。
[0035] 图2为本发明的具有PD图像处理功能的液晶自适应光学系统的主光学系统，由第二透镜7、第三透镜8、第四透镜9、第五透镜10、分光镜12、波前探测器13、偏振分光棱镜14、第一液晶波前校正器15、第二液晶波前校正器16、反射镜17、CCD相机18组成。
[0036] 图3为检测本发明效果的闭合主光学模拟系统，其中有四个位于主光学系统前光路的辅助元件，有卤素光纤灯4、分辨率板5、第一透镜6和大气湍流
模拟器11。卤素光纤灯4和分辨率板5用于模拟无穷远处的点目标，第一透镜6用于模拟无穷远处点目标的光学接收系统，大气湍流模拟器11用于模拟无穷远处点目标的准平行光在通过大气层时产生的光波前畸变，矩形框内的“主光学系统”是图2所示的本发明的主光学系统。
[0037] 图4为利用本发明的液晶自适应光学系统进行PD图像处理的实施效果图。其中(a)为未置入大气湍流模拟器11时系统焦面上分辨率板5的图像，空间分辨率如(a)中的白色方框所示，为32.00lp/mm，相当于系统衍射极限分辨率的1.22倍；(b)为插入大气湍流模拟器11引入静态畸变波前的焦面图像，(c)为经过液晶自适应光学系统校正波前畸变后的焦面图像，图像清晰度较(b)有了大幅度提高，分辨率如(c)中的白色方框所示与(a)的相当，(d)为经过液晶自适应光学系统校正波前畸变后的离焦面图像，(e)为经过PD算法得到的液晶自适应光学系统校正波前畸变后图像(c)中的残留畸变波前，其RMS值为84nm，使用该波前对图像(c)进行图像重建得到图像(f)，图像(f)的分辨率较液晶自适应光学系统校正之后的图像(c)显著提高，如(f)中的白色方框所示，空间分辨率达到35.92lp/mm，相当于系统衍射极限分辨率的1.08倍。
具体实施方式
[0038] 首先在实验室光学平台上搭建如图2所示的具有PD图像处理功能的液晶自适应光学系统，再按照图3所示插入四个辅助元件，以形成检测本发明效果的闭合模拟系统。图3中矩形框内的“主光学系统”是图2所示的本发明的主光学系统。闭合模拟系统由卤素光纤灯4、分辨率板5、第一透镜6、大气湍流模拟器11、分光镜12、第二透镜7、第三透镜8、波前探测器13、第四透镜9、第五透镜10、偏振分光棱镜14、第一液晶波前校正器15、第二液晶波前校正器16、反射镜17、CCD相机18组成。其中波前探测器13、第一液晶波前校正器15、第二液晶波前校正器16、CCD相机18都与存储有自适应波前校正成像控制软件的计算机相连，第五透镜10的轴线相对第四透镜9的轴线下移5mm，使得通过第五透镜10的光束为偏心入射，从第五透镜10出射光束产生2°的倾斜，经第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16反射后的P、S偏振光束被反射回偏振分光棱镜14，且相对入射光束以4°的光束夹角再次到达第五透镜10，此时，反射光束与入射光束的中心间距为5mm、然后到达与传播方向成45°角的反射镜17，使光束折束90°并聚焦在校正成像支路终端的CCD相机18上；辅助元件中，卤素光纤灯4为点
光源，分辨率板5紧邻卤素光纤灯4放置、且严格位于第一透镜6的前焦点位置，使分辨率板5模拟要被成像的无穷远处的点目标，点目标光束经过第一透镜6后变为平行光，第一透镜6用于模拟无穷远处点目标的光学接收系统，大气湍流模拟器11位于第一透镜6和分光镜12之间，用于模拟无穷远处点目标的准平行光在通过大气层时产生的光波前畸变，其畸变程度调整到对应一般天文观测站的情况。
[0039] 上述闭合模拟系统中各元件的技术参数如下：
[0040] 卤素光纤灯4，光纤纤芯直径100μm，用来模拟点光源。
[0041] 分辨率板5，型号为USAF 1951 1X，作为被成像的目标。
[0042] 第一透镜6、第二透镜7、第三透镜8、第四透镜9、第五透镜10均为双胶合消色差透镜，口径分别为25mm、25mm、65mm、25mm、25mm，焦距分别为100mm、100mm、288mm、100mm、290mm。
[0043] 大气湍流模拟器11是美国Lexitek.Inc.公司的产品，型号为Near-Index-MatchTM phase plate，静态波前的畸变程度调整到对应大气相干长度10cm/接收口径2m。
[0044] 分光镜12的口径为25mm，是在700nm波长处进行谱段分光的
高通滤波器，用来使入射光的400nm-700nm波段反射、进入波前探测支路，使700nm-900nm波段透射、进入校正成像支路。
[0045] 波前探测器13是可见光波段的哈特曼波前探测器，由20×20个呈正方形排列的微透镜阵列和背部的EMCCD组成。EMCCD是英国e2v Technologies公司的产品，型号为CCD220，具有120×120个
像素、像素尺寸为48μm，每一个微透镜对应EMCCD 6×6像素的
子窗口，微透镜孔径d＝288μm，焦距f＝19.35mm。
[0046] 偏振分光棱镜14，尺寸为25mm×25mm×25mm，其P偏振光的消光比为1×10-3；其作用是将入射光分为P偏振光和S偏振光，P偏振光进入第一液晶波前校正器15，S偏振光进入第二液晶波前校正器16。
[0047] 第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16，口径均为5.8mm×5.8mm，位相调制量1000nm，在第二液晶波前校正器16上施加的离焦像差PV值为470nm，将第二液晶波前校正器16与S偏振光束垂直对准后、再在纸面内顺时针旋转0.3°，使S偏振光束再次经过第五透镜10后与P偏振光束形成0.6°的夹角，在CCD相机18上能够分开S偏振光束和P偏振光束的两幅图像。
[0048] 反射镜17的口径为15mm，位于第五透镜10前230mm处，且与第五透镜10的光轴成45°角放置。其作用是将透过第五透镜10的光束折转90°进入CCD相机18。
[0049] CCD相机18为英国Andor公司产品，型号为DU888-U3，可见光波段，具有1024×1024个像素，像素尺寸为13μm。CCD相机18的作用是接收分别经液晶自适应光学系统波前校正后的焦面图像和离焦图像。
[0050] 利用所搭建的上述液晶自适应光学系统，采集波前自适应校正后的焦面图像和离焦图像：
[0051] 1)在未置入大气湍流模拟器11的静态光学系统条件下，开启卤素光纤灯4，调节其亮度，使得波前探测器13在增益设置为1、曝光时间为0.4ms时，亮度读数为6000至8000ADU。调节CCD相机18，使其在增益设置为30、曝光时间为5ms时，亮度读数为6000至8000ADU。
[0052] 2)在未置入大气湍流模拟器11的静态光学系统条件下，使用CCD相机18采集分辨率板5在系统焦面的图像，以表明没有大气湍流干扰下系统的成像分辨率，结果如图4(a)所示，由于所搭建的光路中存在元件位置误差，所以存在系统固有像差；其空间分辨率如图4(a)中的白色方框所示，为32.00lp/mm，相当于系统衍射极限分辨率的1.22倍；然后在第一透镜6与分光镜12之间插入大气湍流模拟器11，采用静态畸变波前，其畸变程度调整到对应大气相干长度10cm/接收口径2m，此时使用CCD相机18采集分辨率板5在系统焦面的图像，以检验畸变波前对图像的干扰程度，如图4(b)所示，已经无法分辨分辨率板5上的任何线对。
[0053] 3)在插入大气湍流模拟器11引入静态畸变波前的条件下，开启自适应波前校正成像控制软件，发生如下过程：波前探测器13探测畸变的波前，计算机将探测信号处理为波前校正信号，并分别施加到第一液晶波前校正器15和第二液晶波前校正器16上，同时在第二液晶波前校正器16上叠加PV值为470nm的离焦像差，CCD相机18采集到自适应波前校正后分辨率板5的焦面图像和离焦图像，分别如图4(c)和(d)所示，看出经过液晶自适应系统校正波前畸变后的焦面图像图4(c)的清晰度较图4(b)有了大幅度的提高，空间分辨率如图4(c)中的白色方框所示，达到32.00lp/mm，与未插入大气湍流模拟器11之前的系统分辨率相当，已是自适应系统的较高水平。但是，从图4(c)上看，还存在着图像模糊，图像有进一步改善的空间。
[0054] 4)采用PD图像处理方法对自适应系统焦面上的图4(c)和离焦的图4(d)进行残留畸变波前解析和图像重建，获得的残留畸变波前如图4(e)，其RMS值为84nm，使用该波前对图4(c)进行图像重建得到图4(f)，图4(f)的分辨率较液晶自适应光学系统校正波前之后的图4(c)显著提高，空间分辨率如图4(f)中的白色方框所示，达到35.92lp/mm，相当于系统衍射极限分辨率的1.08倍。
[0055] 以上说明，本发明使PD图像处理技术有效地应用于液晶自适应光学系统，显著提高自适应光学系统终端的图像分辨率。
