本发明属于波前像差测量技术领域，特别涉及一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置。
背景技术：
哈特曼-夏克波前探测技术是一种通用的经典波前相位检测技术，其广泛应用于自适应光学、天文、光学检测、生物医学等重要领域。当背景杂散光不强时，哈特曼-夏克波前探测技术不仅可以应用于点源目标探测，还可以应用于扩展目标探测，并分别采用质心算法和互相关算法获取高精度波前相位信息。当目标探测的信背比较低或背景杂散光较强时，点源目标或扩展目标在哈特曼-夏克传感器微透镜阵列子孔径中的成像信息就会被淹没，对比度极大下降，无法以来传统质心算法或互相关算法有效提取成像强度信息在单个子孔径中的位置偏移，并导致波前探测精度降低甚至失效。因此，传统哈特曼-夏克波前探测技术无法应用于强背景杂散光条件下进行波前探测，应用领域和探测能力均受到极大限制。减固定阈值(姜文汉等，夏克-哈特曼波前传感器的探测误差[j].量子电子学报，02:218，1998)、窄带光谱滤波(j.beckersetal.,usinglaserbeaconsfordaytimeadaptiveoptics[j].experimentalastronomy,11(2):133,2001)、视场偏移(c.lietal.,fieldofviewshiftedshack-hartmannwavefrontsensorfordaytimeadaptiveopticssystem[j].opticsletters,31(19):2821,2006)等方法虽然在一定程度上能够提升波前探测信背比，但依然无法实现强背景杂散光波前探测应用场景。
上述问题的根源在于传统哈特曼-夏克波前探测技术，其波前误差信息提取均停留在强度维度，目标信号光与背景杂散光融为一体，虽然通过减固定阈值等手段可一定程度上减弱背景杂散光影响，但无法从根本上对二者进行区分。偏振是光的固有属性，它反映了光的横波特性。相对于传统强度成像技术，偏振成像技术能够同时获取目标物体空间分布信息和理化信息，大大提高了目标信息量，具有传统强度成像所不具备的能力和特点。
基于以上背景，本发明一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其利用目标信号光与背景杂散光的偏振特性差异，在偏振维度对入射的目标信号光和背景杂散光进行区分，改变传统哈特曼-夏克波前探测装置在强度维度无法区分的状态，显著提升信背比，拓展哈特曼-夏克波前探测装置的应用领域和探测精度。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：如何在偏振维度对入射的目标信号光和背景杂散光进行区分，从而提高哈特曼-夏克波前探测信背比，拓展应用领域和探测精度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，通过对入射光束进行偏振调制，获取不同偏振调制状态下的强度分布阵列，并利用偏振复原方法得到单个微透镜对应区域光束偏振信息，最终计算波前斜率并复原波前像差，实现对入射光束波前探测。相比于传统哈特曼-夏克波前探测装置，本发明利用入射目标光与背景杂散光偏振特性差异，在偏振维度进行波前探测，特别有利于区分入射目标光与背景杂散光，提升波前探测信背比，拓展波前探测应用领域和探测精度。
本发明装置由波片1、波片旋转机构2、检偏器3、微透镜阵列4、光强探测器5、数据处理器6组成。含目标光和背景杂散光在内的入射光进入波片1和检偏器3共同组成的偏振调制器中，对入射光的偏振态进行调制；经过偏振调制后的入射光继续向前传播，并进入微透镜阵列4中，并被分割为m×n个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像与光强探测器5的光敏面上，获得对应子区域的成像强度分布i(m,n).
其中，波片1安装于波片旋转机构2上，其可以随波片旋转机构2共同转动，且转动至不同位置，偏振调制器对入射光偏振调制状态也不同。
其中，m和n分别为微透镜阵列的行数和列数，i(m,n)为序号为(m,n)的微透镜对应光强探测器5区域探测到强度分布。
在不同调制状态下的入射光经波片1、检偏器3、微透镜阵列4，最终到达光强探测器5后的光强分布被记录下来，并输出至数据处理器6中。数据处理过程如下：
单个子孔径区域可以看成一个偏振成像微系统，在不同调制状态下测量得到的光强分别记为i(m,n,1)，i(m,n,2)，…，i(m,n,n),1,2,…,n为偏振调制状态序号。波片1和检偏器3共同组成的偏振调制器对入射光束偏振态的调制作用由下式表示：
其中，sin和siout分别表示入射光偏振态和偏振调制后的初设光束偏振态，mp(θ)为检偏方向与水平方向夹角为θ的检偏器3穆勒矩阵，mr(αi,δ)为快轴方向与水平方向夹角为αi、延迟量为δ的波片1穆勒矩阵，i为单次测量中偏振调制序号。sin、siout、mp(θ)及mr(αi,δ)表达式如下：
由于光强探测器5能够探测光束强度信息，因此联立公式(1)～(4)后可得到如下入射光偏振态求解的线性方程：
其中，
利用(5)式求解入射光的偏振态后，可以进一步获取入射光的偏振度、偏振相位角等信息，如下式所示：
至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角等是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式。利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数(记为p)，应用质心算法或互相关算法等即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。
其中，本发明不改变哈特曼-夏克波前探测的基本原理，但将波前探测信标从传统强度维度变换到偏振维度，从而将传统强度维度不能区分的目标光与背景杂散光在偏振维度进行区分，提升信背比和探测精度。
所述偏振调制器由波片和检偏器组成，其中波片主要用于引入不同偏振相位，其可以采用1/4波片或其他波片，制作材料可以采用天然晶体，也可以采用液晶等人工材料；检偏器主要用于输出线偏振光，其可以采用线栅型也可以采用晶体等其他类型材料制作。
所述波片需要进行多次旋转形成对入射光的多次调制，其参数选择需要使系数矩阵满秩，测量次数至少为4次，更多测量引入的数据冗余有利于抑制系统噪声，提升测量精度。
所述偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置可以应用于不同哈特曼-夏克波前探测场景，探测对象可以是点目标，也可以是扩展目标。
所述偏振度和偏振相位角仅为表征入射光偏振信息的常用参数，也可以根据实际需要采用线偏振度、圆偏振度、椭偏角或其他可以表征偏振特性的参数，或是上述偏振特征参数的融合。
所述光强探测器6能够探测入射光束的强度，其可以采用ccd相机、cmos相机、emccd相机，只要满足光强探测和采集功能即可。
本发明的原理在于：利用入射的目标信号光与背景杂散光偏振特性差异，在偏振维度进行波前探测，获取不同偏振调制状态下的强度分布阵列，并利用偏振复原方法得到单个微透镜对应区域光束偏振信息，最终计算波前斜率并复原波前像差，实现对入射光束波前探测。本发明装置特别有利于区分入射目标光与背景杂散光，提升波前探测信背比，拓展波前探测应用领域和探测精度
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明提供的新型波前探测装置，利用入射的目标信号光与背景杂散光偏振特性差异，将传统哈特曼-夏克波前探测技术在强度维度无法区分的目标信号光和背景杂散光，变换到偏振维度进行区分。相对传统哈特曼-夏克波前探测器，本发明提供装置波前探测信背比更高，特别适用于背景杂散光较强的场合，提升波前探测精度。
附图说明
图1为一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置示意图。其中，1为波片，2为波片旋转机构，3为检偏器，4为微透镜阵列，5为光强探测器，6为数据处理器；
图2为一种19单元偏振调制哈特曼-夏克波前传感器子孔径排布示意图；
图3为含较强背景杂散光的点源目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像对比示意图；
图4为含较强背景杂散光的扩展目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。
如图1所示，一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置由波片1、波片旋转机构2、检偏器3、微透镜阵列4、光强探测器5、数据处理器6组成。含目标光和背景杂散光在内的入射光进入波片1和检偏器3共同组成的偏振调制器中，对入射光的偏振态进行调制；经过偏振调制后的入射光继续向前传播，并进入微透镜阵列4中，并被分割为m×n个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像与光强探测器5的光敏面上，获得对应子区域的成像强度分布。其中，波片1安装于波片旋转机构2上，其可以随波片旋转机构2共同转动，且转动至不同位置，偏振调制器对入射光偏振调制状态也不同。在不同调制状态下的入射光经波片1、检偏器3、微透镜阵列4，最终到达光强探测器5后的光强分布被记录下来，并输出至数据处理器6中。数据处理过程分别由公式(1)～(7)所示。
至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角等是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式。利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数(记为p)，应用质心算法或互相关算法等即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。
图2给出了本发明提出的偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置一种可能的微透镜阵列子孔径布局方式(19单元)。图3和图4分别显示了含较强背景杂散光的点源目标和扩展目标在19单元传统哈特曼-夏克波前探测装置(左图)和本发明的19单元偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置(右图)图像对比示意图。从示意图中可以看出，采用本发明的偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其单个子孔径内点源目标和扩展目标相对背景杂散光的信背比得到显著增强，波前探测信标提取精度更高，波前探测更准确。
需要指出的是，图2仅给出了点源目标和扩展目标单一偏振度信息，在实际应用中还可以给出点源目标和扩展目标的偏振相位角信息、偏振椭圆度信息及其他可以表征偏振状态的参数及其融合，在偏振信息表达上存在较多中可能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本发明为详细阐述的部分属于本领域公知技术。
1.一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：该装置由波片(1)、波片旋转机构(2)、检偏器(3)、微透镜阵列(4)、光强探测器(5)、数据处理器(6)组成，含目标光和背景杂散光在内的入射光进入波片(1)和检偏器(3)共同组成的偏振调制器中，对入射光的偏振态进行调制；经过偏振调制后的入射光继续向前传播，并进入微透镜阵列(4)中，并被分割为m×n个子区域，每个子区域为一个微透镜，其将分割后的入射光成像与光强探测器(5)的光敏面上，获得对应子区域的成像强度分布i(m,n)；
其中，波片(1)安装于波片旋转机构(2)上，其可以随波片旋转机构(2)共同转动，且转动至不同位置，偏振调制器对入射光偏振调制状态也不同；
其中，m和n分别为微透镜阵列的行数和列数，i(m,n)为序号为(m,n)的微透镜对应光强探测器(5)区域探测到强度分布；
在不同调制状态下的入射光经波片(1)、检偏器(3)、微透镜阵列(4)，最终到达光强探测器(5)后的光强分布被记录下来，并输出至数据处理器(6)中，数据处理过程如下：
单个子孔径区域可以看成一个偏振成像微系统，在不同调制状态下测量得到的光强分别记为i(m,n,1)，i(m,n,2)，…，i(m,n,n),1,2,…,n为偏振调制状态序号，波片(1)和检偏器(3)共同组成的偏振调制器对入射光束偏振态的调制作用由下式表示：
其中，sin和siout分别表示入射光偏振态和偏振调制后的初设光束偏振态，mp(θ)为检偏方向与水平方向夹角为θ的检偏器(3)穆勒矩阵，mr(αi,δ)为快轴方向与水平方向夹角为αi、延迟量为δ的波片(1)穆勒矩阵，i为单次测量中偏振调制序号，sin、siout、mp(θ)及mr(αi,δ)表达式如下：
由于光强探测器(5)能够探测光束强度信息，因此联立公式(1)～(4)后可得到如下入射光偏振态求解的线性方程：
其中，
利用(5)式求解入射光的偏振态后，可以进一步获取入射光的偏振度、偏振相位角等信息，如下式所示：
至此，经过偏振调制后的哈特曼-夏克子孔径图像已经从传统的强度维度变换为偏振维度，偏振度和偏振相位角等是子孔径图像信息在偏振维度的部分表征形式，利用单一的偏振参数或多项偏振参数融合后的偏振特征参数(记为p)，应用质心算法或互相关算法等即可获取单个子孔径内位置偏移及斜率，并最终复原入射光束的波前误差。
2.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：该装置不改变哈特曼-夏克波前探测的基本原理，但将波前探测信标从传统强度维度变换到偏振维度，从而将传统强度维度不能区分的目标光与背景杂散光在偏振维度进行区分，提升信背比和探测精度。
3.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：偏振调制器由波片和检偏器组成，其中波片主要用于引入不同偏振相位，其可以采用1/4波片或其他波片，制作材料可以采用天然晶体，也可以采用液晶等人工材料；检偏器主要用于输出线偏振光，其可以采用线栅型也可以采用晶体等其他类型材料制作。
4.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：波片需要进行多次旋转形成对入射光的多次调制，其参数选择需要使公式(5)系数矩阵满秩，测量次数至少为4次，更多测量引入的数据冗余有利于抑制系统噪声，提升测量精度。
5.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：其可以应用于不同哈特曼-夏克波前探测场景，探测对象可以是点目标，也可以是扩展目标。
6.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：偏振度和偏振相位角仅为表征入射光偏振信息的常用参数，也可以根据实际需要采用线偏振度、圆偏振度、椭偏角或其他可以表征偏振特性的参数，或是上述偏振特征参数的融合。
7.根据权利要求1所述的一种偏振调制哈特曼-夏克波前探测装置，其特征在于：光强探测器(6)能够探测入射光束的强度，其可以采用ccd相机、cmos相机、emccd相机，只要满足光强探测和采集功能即可。
技术总结