專利名稱：基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)校正領(lǐng)域，更具體地說是一種基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于天文觀測，激光核聚變裝置像差校正和人眼像差校正成像等領(lǐng)域。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，都是通過自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來測量并校正諸如大氣擾動，光學(xué)元器件或者生物組織本身所導(dǎo)致的各種像差，以達(dá)到消除或減少像差對成像或光束質(zhì)量的影響。常見的像差校正系統(tǒng)通常包含由一臺波前傳感器和一臺變形鏡由波前傳感器負(fù)責(zé)像差測量，由變形鏡根據(jù)測量結(jié)果實(shí)現(xiàn)像差校正。如目前常見的人眼眼底組織高分辨率成像系統(tǒng)。但是，在實(shí)際使用中，這種單變形鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常存在對人眼低階像差校正不足或高階像差校正無法校正等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了對眼底的成像質(zhì)量。上述單變形鏡系統(tǒng)的校正效果不理想的主要原因和由于人眼像差分布特點(diǎn)及常用的變形鏡的性質(zhì)有關(guān)。人眼像差存在分布不均勻性，面形較簡單的低階像差往往值較大，高階像差雖然值較小，但面形復(fù)雜；而出于體積和成本方面考慮。目前常用于人眼像差校正的微機(jī)械薄膜變形鏡通常分為兩種，一種驅(qū)動單元較少行程較大，另一種驅(qū)動單元較多行程較小。因此無論單獨(dú)使用哪一種變形鏡，都會存在低階校正不完全或高階無法校正等問題，雖然優(yōu)化變形鏡控制算法可以最大程度發(fā)揮變形鏡校正能力，但對于超出其校正范圍的像差部分依然是有心無力。因此，在除了控制光學(xué)系統(tǒng)本身像差、優(yōu)化控制算法等基礎(chǔ)上，還應(yīng)該從光學(xué)系統(tǒng)的校正方法入手，在對人眼像差的解耦基礎(chǔ)上，對待校正像差進(jìn)行分解，進(jìn)而根據(jù)不同變形鏡的校正特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雙變形鏡聯(lián)合校正，從而達(dá)到優(yōu)于單變形鏡系統(tǒng)的校正結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是一種可以實(shí)現(xiàn)對人眼像差的高、低階分級聯(lián)合校正的基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)和方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)，包括紅外激光光源、分光鏡、孔徑匹配系統(tǒng)1、孔徑匹配系統(tǒng)I1、孔徑匹配系統(tǒng)II1、波前傳感器、變形鏡1、變形鏡II和控制計(jì)算機(jī)；所述分光鏡、孔徑匹配系統(tǒng)1、變形鏡1、孔徑匹配系統(tǒng)I1、變形鏡I1、孔徑匹配系統(tǒng)III在同一光路上，含有人眼波前像差的光束經(jīng)過孔徑匹配系統(tǒng)I后由變形鏡I反射，再經(jīng)孔徑匹配系統(tǒng)II后由變形鏡II反射，然后經(jīng)孔徑匹配系統(tǒng)III后進(jìn)入波前傳感器，計(jì)算機(jī)利用波前傳感器獲得的畸變波前信息實(shí)現(xiàn)模式解耦，并進(jìn)一步根據(jù)不同變形鏡校正能力分別計(jì)算控制信號，驅(qū)動變形鏡I和變形鏡II實(shí)現(xiàn)波前像差校正。同時(shí)，針對該系統(tǒng)提出對人眼像差的校正方法，包括以下步驟
步驟一、對測量的人眼像差進(jìn)行解耦，將解耦后的人眼像差分解成低階和高階兩部分；步驟二、通過比較變形鏡I和變形鏡II擬合各階模式產(chǎn)生的波前RMS值來確定變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力；同階模式下，變形鏡的RMS值越高，則其對該階像差的校正能力越強(qiáng)。步驟三、根據(jù)步驟二中確定變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力，采用變形鏡I對低階部分進(jìn)行校正，采用變形鏡II對高階部分進(jìn)行校正，將兩部分校正結(jié)果疊加實(shí)現(xiàn)對整個(gè)人眼像差的聯(lián)合校正。
進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明的人眼像差校正方法中，所述步驟一中對測量的人眼像差進(jìn)行解耦，具體為
(1-1)對測量的人眼像差進(jìn)行基于Zernike多項(xiàng)式的波前重建，公式如下
n
爐(x，y) == I CiZi (X, y) + e式中，n是模式復(fù)原的項(xiàng)數(shù)，Ci是Zernike多項(xiàng)式第i階的模式系數(shù),Zi (x，y)為第i模式項(xiàng)所對應(yīng)的Zernike多項(xiàng)式，e是殘余像差；( 1-2)將波前重建中的模式系數(shù)分別對應(yīng)各階像差得到待校正的人眼波前像模式向量C；，不考慮像差中的傾斜項(xiàng)，其中向量(；包括高階像差和低階像差。進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明的人眼像差校正方法中，所述步驟二通過比較變形鏡I和變形鏡II擬合各階模式產(chǎn)生的波前RMS值來確定變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力，具體為(2-1)將影響函數(shù)與實(shí)際的控制電壓相乘得到變形鏡擬合該Zernike模式的最大像差Cf,由該像差計(jì)算得到擬合產(chǎn)生該Zernike模式對應(yīng)像差的RMS值；(2-2)分別控制變形鏡I和變形鏡II對相同系數(shù)值的各階模式進(jìn)行擬合，按照(2-1)所述方法計(jì)算得到擬合結(jié)果的RMS值，以該RMS值作為指標(biāo)考核變形鏡對各階像差的校正能力；進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明的人眼像差校正方法中，所述步驟三進(jìn)行聯(lián)合校正，具體為(3-1)、根據(jù)變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力，待校正的人眼波前像模式向量(；分解為Ce-Cdml+Cdm2其中Cdml=
，Cdm2=
，Cdml 為變形鏡I待校正的低階像差、Cdm2為變形鏡II待校正的高階相差；(3-2)利用下式確定變形鏡1、變形鏡II的理論控制電壓
P — T/ C +TT TfP^oc-11 dm I ~ V It3I U Idm I<丄丁
[Pdm2 = -V2S2H式中，V1；，S1, U1, V2, S2, U2分別是變形鏡I和變形鏡II的影響函數(shù)奇異值分解結(jié)果，Pdml和Pdm2是變形鏡I和變形鏡II的理論控制電壓；
(3-3)利用下式對控制電壓超出變形鏡最大控制電壓部分做截止處理，獲取實(shí)際控制校正電壓PM，從而實(shí)現(xiàn)雙變形鏡聯(lián)合校正
權(quán)利要求
1.一種基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)，其特征在于包括紅外激光光源、分光鏡、孔徑匹配系統(tǒng)1、孔徑匹配系統(tǒng)I1、孔徑匹配系統(tǒng)II1、波前傳感器、變形鏡1、 變形鏡II和控制計(jì)算機(jī)；所述分光鏡、孔徑匹配系統(tǒng)1、變形鏡1、孔徑匹配系統(tǒng)I1、變形鏡I1、孔徑匹配系統(tǒng)III在同一光路上，含有人眼波前像差的光束經(jīng)過孔徑匹配系統(tǒng)I后由變形鏡I反射，再經(jīng)孔徑匹配系統(tǒng)II后由變形鏡II反射，然后經(jīng)孔徑匹配系統(tǒng)III后進(jìn)入波前傳感器，計(jì)算機(jī)利用波前傳感器獲得的畸變波前信息實(shí)現(xiàn)模式解耦，并進(jìn)一步根據(jù)不同變形鏡校正能力分別計(jì)算控制信號，驅(qū)動變形鏡I和變形鏡II實(shí)現(xiàn)波前像差校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)，其特征在于 所述變形鏡1、變形鏡II均為微機(jī)械薄膜變形鏡。
3.一種基于權(quán)利要求1或2所述校正系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、對測量的人眼像差進(jìn)行解耦，將解耦后的人眼像差分解成低階和高階兩部分；步驟二、通過比較變形鏡I和變形鏡II擬合各階模式產(chǎn)生的波前RMS值來確定變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力；在同階模式下，變形鏡的RMS值越高，則其對該階像差的校正能力越強(qiáng)；步驟三、根據(jù)步驟二中確定變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力，采用變形鏡I 對低階部分進(jìn)行校正，采用變形鏡II對高階部分進(jìn)行校正，將兩部分校正結(jié)果疊加實(shí)現(xiàn)對整個(gè)人眼像差的聯(lián)合校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的校正方法，其特征在于所述步驟一中對測量的人眼像差進(jìn)行解耦，具體為(1-1)對測量的人眼像差進(jìn)行基于Zernike多項(xiàng)式的波前重建，公式如下η爐(X，ν) == [CiZi (X, V) + ε/=1式中，η是模式復(fù)原的項(xiàng)數(shù)，Ci是Zernike多項(xiàng)式第i階的模式系數(shù),ZiU, y)為第i模式項(xiàng)所對應(yīng)的Zernike多項(xiàng)式，ε是殘余像差；(1-2)將波前重建中的模式系數(shù)分別對應(yīng)各階像差得到待校正的人眼波前像模式向量 Ce,不考慮像差中的傾斜項(xiàng)，其中向量Ce包括聞階像差和低階像差。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的校正方法，其特征在于所述步驟二通過比較變形鏡I和變形鏡II擬合各階模式產(chǎn)生的波前RMS值來確定變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力，具體為(2-1)將影響函數(shù)與實(shí)際的控制電壓相乘得到變形鏡擬合該Zernike模式的最大像差 Cf,由該像差計(jì)算得到擬合產(chǎn)生該Zernike模式對應(yīng)像差的RMS值；(2-2)分別控制變形鏡I和變形鏡II對相同系數(shù)值的各階模式進(jìn)行擬合，按照(2-1) 所述方法計(jì)算得到擬合結(jié)果的RMS值，以該RMS值作為指標(biāo)考核變形鏡對各階像差的校正能力。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的校正方法，其特征在于所述步驟三進(jìn)行聯(lián)合校正，具體為 (3-1)、根據(jù)變形鏡1、變形鏡II對各階像差的校正能力，待校正的人眼波前像模式向量Ce分解為Ce-Cdm^Cdm2其中
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙變形鏡人眼像差自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)和方法，該方法利用解耦后的人眼像差呈現(xiàn)大像差主要出現(xiàn)在低階，且波動較大，而高階模式像差相對較小且變化較穩(wěn)定的特點(diǎn)。再結(jié)合對變形鏡I和變形鏡II波前校正能力，將解耦后的人眼像差分解成低階和高階兩部分，采用變形鏡I對面形較簡單但值較大的低階部分進(jìn)行校正，而變形鏡II對面形復(fù)雜而值較小的高階部分進(jìn)行，將兩部分校正結(jié)果疊加實(shí)現(xiàn)對整體人眼像差的聯(lián)合校正。有效克服了已有的采用單變形鏡自適應(yīng)光學(xué)人眼像差校正系統(tǒng)的局限性。
文檔編號G02B26/06GK102998793SQ20121057454
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者梁春, 沈建新, 鈕賽賽 申請人:南京航空航天大學(xué)