【OKO】荷兰OKO波前传感器

简介：

1997年，荷兰OKO公司成立（公司全名：Flexible Optical B.V.）。OKO公司是世界上最早进行自适应光学产品研发和销售的公司之一，该公司的创始人正是薄膜变形镜的发明人Vdovin博士。

OKO公司主营产品是MMDM薄膜变形镜、PDM变形镜等自适应光学器件。因为变形镜优良的光学性能、低廉的价格，一经推出就受到了全世界范围内自适应光学研究人员和用户的关注和青睐。尤其是15mm口径、37通道的MMDM最受欢迎，被称为“OKO Mirror”。

但当这些自适应光学的校正器件，与波前传感器相结合，和控制中枢形成闭环回路时，自适应光学系统的矫正能力便大大加强。此外，波前传感器还能通过软件监控，实时与外界进行交互，接收外界的控制，反馈波前状态。

原理

最常用的波前传感器（WFS）是Shack Hartmann（S-H）WFS。S-H WFS的工作原理如图所示。

理想平面波前与非理想平面波前垂直摄入微透镜整列对比：

S-H WFS由微透镜阵列和照相机组成。微透镜阵列，简而言之，就是由相当多个微米级通光孔径大小的透镜组成的光学元件。当一束平面波前垂直入射微透镜阵列时，每一个微透镜都会将其焦平面中的光汇聚到焦点上，形成一个四四方方，排列均匀的焦点阵列。

图2

但如果，光束波前发生畸变，焦点便不会汇聚至预想位置而在水平和/或垂直方向偏离其标称位置。此时，通过放置在微透镜阵列的焦平面中的照相机的图像传感器（例如，CCD传感器或CMOS传感器），捕获焦点的图案并发送到控制计算机进行图像处理，并结合器件的几何关系，我们便可以反推出这一小段波前的近似曲面。无数个微小近似曲面相连续，最终还原出一个与原波前极度相近的拟合波前曲面。

波前传感器在地面望远镜中使用的闭环AO系统的作用：

当来自太空中遥远恒星的光穿过大气层时，光的波前会受到大气扰动的干扰。当光进入AO系统时，它被变形镜（DM）和分束器反射，并被引导到波前传感器（WFS）。WFS的作用是将光波前转换为测量矢量（例如，Shack Hartmann WFS将波前的局部梯度转换为CCD/CMOS图像传感器中的光斑位移），并将测量结果反馈给控制器。控制器则根据WFS测量重构的波前，与基准面波前进行比较，并将控制信号计算给DM，以便DM使其表面变形以抵消波前像差。

当然，波前传感器包裹中，除了包含包含探头-Hartmann或Shack-Hartmann 波前传感器（由精密哈特曼掩模/微透镜阵列和CMOS/CCD摄像机组成）等硬件器件以外，还含有FrontSurfer软件。

FrontSurfer是一款基于哈特曼检验（Hartmann-Shack measurement principle）的波前分析和控制系统，此系统可用于：

·透射和反射光学的光学车间试验：透镜、反射镜、透镜组、准直器，等等。

·在所谓的“对准模式”下实时显示低阶像差（倾斜/倾斜、离焦、彗差、散光）。

·结合OKO技术的可变形反射镜系统的对波前像差的实时控制与补偿。

·光学系统校准、实时监测和自适应光学补偿光学像差。

FrontSurfer波前传感器的三种典型配置的特征如表3.1所示。但是，可以根据客户的要求，通过选择不同的摄像机、哈特曼掩模或微透镜阵列来重新配置系统。下面给出了当前可用的选项:

FrontSurfer 可以使用哪一种摄像头？

FrontSurfer可以与任何摄像头或帧抓取器连接，但它需要FrontSurfer的特殊视频插件。许多流行相机的插件都包含在发行版中。FrontSurfer手册包含插件中应包含的功能说明。用户可以按照以下说明开发自己的插件。

FrontSurfer 是如何工作的？

在处理的第一阶段，“FrontSurfer”对强度模式应用平滑滤波器，以最小化强度噪声的影响。然后尝试在平滑的强度分布中定位最亮点的质心。定位的光斑数量不超过给定数量，且强度高于指定阈值。用户可以调整平滑滤波器的窗口大小、要定位的最大斑点数和强度阈值（相对于最大强度）

主图案的点的质心形成所谓的主栅格，参考图案的点的质心形成参考栅格。

在绝对测量模式下，“FrontSurfer”将参考网格生成为具有指定间距和尺寸的理想六边形或正交网格FrontSurfer“优化理想网格的位置和旋转角度，以在两个网格的节点之间提供最接近的对应关系。

在下一阶段，“FrontSurfer”计算波前的局部倾斜。这是通过找到两个网格（主网格和参考网格）的质心坐标之间的对应关系来实现的，并计算每个点由于像差而产生的位移。最小允许位移可由用户指定。如果某个点未找到对应关系，或其位移超过指定限制，则该点将被丢弃。为了计算倾斜度，“FrontSurfer”使用像素尺寸以及哈特曼掩模（透镜阵列）和CC （CMOS）矩阵之间的距离。这些参数可以由用户手动设置，也可以通过校准传感器获得。

波前重建是基于参考网格和相应的局部倾斜阵列进行的。“FrontSurfer”使用模态重建，这意味着所需波前由线性独立基函数系统上的级数展开表示，并根据该基计算展开系数。然后在传感器的整个孔径内连续定义重构波前。

FrontSurfer的两种测量模式：

·FrontSurfer 中的绝对测量模式是什么？

在此模式下，波前由波前传感器（WFS）捕获的一个强度模式重建。哈特曼掩模或微透镜阵列的几何参数可用作参考。该模式只能与具有完整六角形或方形子孔径结构的精密哈特曼掩模（或微透镜阵列）一起使用（例如，见图2）。

·FrontSurfer 中的参考测量模式是什么？

在此模式下，波前由波前传感器捕获的两个强度模式重建。第一个（主图案）是在存在待重建像差的情况下测量的，第二个（参考图案）是为了校准目的而测量的，即在消除像差的情况下测量的。在这种模式下，微透镜阵列（哈特曼掩模）既不完整也不规则；甚至可以使用具有随机子孔径定位的阵列。

传感模式sensing mode与参考模式reference mode

选“FrontSurfer”可以使用或不使用参考模式进行操作。在后一种情况下，哈特曼掩模或微透镜阵列的几何参数用作参考，从而实现绝对波前传感。该模式需要完整的六边形或正交结构的斑点（见图2），尽管该程序可以容忍多达5%的缺失斑点。在参考模式下，模式既不完整也不规则；甚至可以使用具有随机子孔径定位的阵列。

绝对测量模式和参考模式之间的选择取决于应用。如果波前传感器用于光学系统的校准（即准直或像散消除），则绝对测量模式将更有用。

参考模式允许用户手动定义参考图案中的感兴趣区域（光圈）。此功能对于具有大遮罩（或透镜阵列）的传感器非常有用，其子孔径填充图像传感器的整个区域。用户可以选择圆形、椭圆形、方形和矩形孔径

OKO有哪些波前传感器产品？

OKO Technologies生产高质量复制微透镜阵列，专门用于FrontSurfer波前传感器。

作为标准选项之一，我们提供127个六角微透镜阵列，焦距约18 mm，螺距300μm，安装在C型支架上。

此外，OKO Technologies还提供一系列由玻璃和熔融石英制成的微透镜阵列，具有较小的数值孔径和99%的光学填充因子。微结构提供了最佳的光谱效率（紫外到远红外）和最佳的机械和热稳定性。这些阵列工作在非常高的光学负载下。为了提供一个经济高效的解决方案，所有列出的阵列都可以用塑料串联复制。