劉麗麗, 鄧玉福, 封文江, 崔 崧

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034 )

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激光散斑引起的波前探測誤差及誤差消除研究

劉麗麗, 鄧玉福, 封文江, 崔 崧

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034 )

激光具有較高的能量且單色性較好,因此被廣為應用在弱光波前探測系統(tǒng)中。但激光的強相干性產(chǎn)生的像面散斑會造成CCD面陣上的光強無規(guī)律分布,導致波前重構質心算法的錯誤,進而降低波前像差探測的精度。分析了激光散斑降低波前探測精度的原因,并嘗試用旋轉散射體、多模光纖耦合及隨機位相板等多種組合方法消除激光散斑,提升波前探測精度。評估幾種方法對光強、光均勻性及消除散斑的效果進行對比分析、優(yōu)化設計激光為光源的波前探測消散斑系統(tǒng)。最后利用隨機位相板與多模光纖耦合的方法有效消除激光散斑,并進行消散斑前后的波前探測。該消散斑系統(tǒng)可有效消除激光散斑并提升波前探測精度,大幅提升了激光光源在自適應光學領域的應用性。

波前探測; 夏克哈特曼波前傳感器; 激光散斑; 自適應光學

0 引 言

激光散斑是一種干涉現(xiàn)象。激光照射粗糙表面時,表面上每點都可以看作子波源,產(chǎn)生散射光,由于激光的強相干性,眾多子波源的散射光之間仍存在相干性。因此,它們在空間某點相遇時,將會發(fā)生相長干涉或相消干涉,從而出現(xiàn)無規(guī)則分布的亮暗散斑紋。消除激光散斑能夠顯著提升光學系統(tǒng)的成像質量。當使用激光作為照明光源時,由于激光本身相干性很強,存在嚴重的散斑場[1-2],能將物體的微細結構完全掩蓋住的同時,能夠造成像面光強分布不均的情況。對于激光為探測光源的哈特曼波前探測系統(tǒng),激光散斑會造成每個微透鏡陣列所對應CCD成像區(qū)域的非高斯離散光強分布。每個子孔徑內光強的不均一性會造成質心算法重構波前的誤差進而影響波前像差的探測精度[3-8]。本文將探討激光散斑對波前探測精度的影響并著重探討幾種消除激光散斑、提高波前探測誤差的方法,并進行對比研究。

1 激光散斑引起的波前探測誤差

激光散斑,可分為自由空間散斑(菲涅耳散斑)和像面散斑(夫瑯和費散斑),激光用于成像照明時產(chǎn)生的散斑即像面散斑。像面散斑的平均橫向尺寸主要由成像系統(tǒng)的像方孔徑角決定:

其中:l′為像面到出瞳距離;D為出瞳直徑。可見像面散斑橫向尺寸與系統(tǒng)的衍射極限相當,因此對成像質量有嚴重影響。

圖1 激光散斑在哈特曼探測器焦平面的像光斑分布

廣泛采用的哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前傳感器通過測量畸變波前在透鏡陣列焦平面上成像光斑的質心坐標位置與參考波前質心位置之差,求得全孔徑波前的相位分布。質心算法的核心在于尋找單個微透鏡所對應的CCD上的子孔徑區(qū)域的光強最集中像素的所在位置以確定光斑質心位置[9]。正常情況下,微透鏡后的光強呈近似高斯分布。激光散斑使哈特曼波前探測器中每個微透鏡后光強分布散亂,如圖1所示。這會造成擬合的波前像差[10-13]無規(guī)律變化。因此激光散斑的存在對波前像差探測精度存在嚴重影響。

2 消除激光散斑的方法

2.1 旋轉散射體消散斑

本文采用旋轉毛玻璃的方法即通過運動的散射體來抑制激光散斑[14-15],這種方法成本低廉且操作方便:激光二極管發(fā)出的光經(jīng)透鏡后聚焦到毛玻璃上,通過調節(jié)激光器和毛玻璃到透鏡的距離可以控制在毛玻璃形成有一定大小的激光光斑,經(jīng)毛玻璃散射后該激光斑成為二次照明光源。

通過移動散射體消散斑時,散斑引入的圖像噪聲的信噪比可按下式計算[10]:

(a)—毛玻璃旋轉前; (b)—毛玻璃旋轉后。

式中,v是散射體移動速度;T是成像積分時間即成像CCD曝光時間。實驗中采用的毛玻璃的有效利用直徑為30 mm,像面到出瞳距離約100 mm,該出瞳直徑約3 mm,成像CCD曝光時間10 ms。根據(jù)以上系統(tǒng)參數(shù)及式(1),式(2)計算可得,當毛玻璃轉速大于10 rps時,散斑引入噪聲的信噪比即可大于18。

圖2為激光消散斑前后對標準分辨率板照明成像的結果。消散斑后,分辨率板最小的一組也可以清晰分辨,而且視覺上看不出散斑的存在。將圖像中紅色標標記處的光強分別讀出,以光強為縱軸得光強分布三維圖,如圖3所示。可見通過旋轉毛玻璃,散斑場得到很好的抑制。進一步計算表明,圖3b所示光強不均勻性只有8.3%。

(a)—消散斑前; (b)—消散斑后。

2.2 多模光纖耦合散射體消散斑

采用高速旋轉的毛玻璃雖然能有效的消除激光的像面散斑,但該方法對于擴大照明范圍時,邊緣照度下降嚴重,影響圖像質量。為克服以上不足,提出增加全視場照明均勻性的方法:激光經(jīng)毛玻璃勻光后耦合進多模光纖,光纖內徑800 μm,全長約1 m,激光經(jīng)過在光纖中多次反射后,在出口處成為非常均勻的發(fā)光面。統(tǒng)計了不同照明方式下光照徑向平均分布,結果如圖4所示,可見經(jīng)光纖二次耦合后獲得的中心照明區(qū)域均勻度明顯提高,在中心400像素的圓范圍內,光照不均勻性小于5%,而采用直接照明方式,光照度由中心到四周幾乎線性下降,邊緣處(距離中心200像素)的光照度只有中心處的60%左右。

圖4 直接照明和經(jīng)光纖二次耦合后,徑向照度的平均分布

2.3 隨機相位板減弱激光散斑

與普通毛玻璃相比,隨機位相單元尺度較大,起伏程度小,因此對光的散射很小,如圖5給出了直徑0.5 mm左右的激光束,經(jīng)毛玻璃和隨機位相板散射后,在距離400 mm處的垂直平面內的光強度分布。此外,拍攝圖5b時相機的曝光時間是拍攝圖5a曝光時間的1/10。從圖中可以看出,與隨機位相板相比,毛玻璃對光的散射作用更強,且邊緣和中心區(qū)域光強不均已性更強。相比毛玻璃,位相板具有更好的勻光性。

(a)—毛玻璃; (b)—隨機位相板。

3 結 論

旋轉散射體可以有效的消除激光散斑且其結構易于實現(xiàn)。但其缺點是位相變化尺度小,且光能利用率較低。而利用多模光纖耦合配合隨機位相板的方法可以提高光能利用率、提升光強分布均勻性和消散斑效率。最后采用了隨機位相板和多模光纖二次耦合的方法復合消散斑,并將利用該方法消散斑后進行波前探測精度與未消散斑的探測精度進行對比見如圖6。

圖6 波前探測精度對比

可以看出,消散斑之前,Zernike系數(shù)出現(xiàn)了與像差理論相違背的從低階像差到高階像差的無規(guī)律增大,即像差探測出現(xiàn)了較大的誤差。經(jīng)過激光消散斑之后,整體系數(shù)分布符合像差理論的描述,且對于特殊項,4階球差項和2階離焦項的系數(shù)值實現(xiàn)了與給定值非常接近的重現(xiàn)。說明該消散斑系統(tǒng)可以有效消除激光散斑及散斑帶來的波前探測誤差。

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Wave-front detective error produced by laser speckle and error elimination

LIULili,DENGYufu,FENGWenjiang,CUISong

(College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Laser was commonly used in dim light wave-front detective system because of its high energy and monochromaticity property.Due to the nature of high coherence, the intensity dispersion will be disordered when focused on the CCD panel, causing centroid algorithm error.Hence the accuracy of detecting will be decreased consequently.In this paper, the reason for decreased wave-front detective accuracy was analyzed.Based on the analysis, several methods and compounded one, such as rotation of a light diffuser, random phase plate and multimode coupled fiber were used to eliminate the laser speckle and improve wave-front detective quality.The comparision was made among them and consequently a laser speckle eliminating system was optimized: a random phase plate cooperated with a multi mode coupled fiber was finally used to decrease the bad effect of laser speckle.Wave-front detective system was used to detect same wave-front with the speckle eliminating system and without it.It was clearly demonstrated that the optimized system could effectively remove the laser speckle and increase the wave-front detective accuracy.The applied range of laser in adaptive optics system was enlarged.

wave-front detection; Shack-Hartman wave-front sensor; laser speckle; adaptive optics

2014-10-15。

遼寧省科技廳科學技術計劃項目(20092069)。

劉麗麗(1980-),女,吉林舒蘭人,沈陽師范大學副教授,碩士。

1673-5862(2015)01-0072-04

O439; TP212.14

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.016