激光散斑引起的波前探测误差及误差消除研究

刘丽丽, 邓玉福, 封文江, 崔 崧

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034 )



激光散斑引起的波前探测误差及误差消除研究

刘丽丽, 邓玉福, 封文江, 崔 崧

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034 )

激光具有较高的能量且单色性较好,因此被广为应用在弱光波前探测系统中。但激光的强相干性产生的像面散斑会造成CCD面阵上的光强无规律分布,导致波前重构质心算法的错误,进而降低波前像差探测的精度。分析了激光散斑降低波前探测精度的原因,并尝试用旋转散射体、多模光纤耦合及随机位相板等多种组合方法消除激光散斑,提升波前探测精度。评估几种方法对光强、光均匀性及消除散斑的效果进行对比分析、优化设计激光为光源的波前探测消散斑系统。最后利用随机位相板与多模光纤耦合的方法有效消除激光散斑,并进行消散斑前后的波前探测。该消散斑系统可有效消除激光散斑并提升波前探测精度,大幅提升了激光光源在自适应光学领域的应用性。

波前探测; 夏克哈特曼波前传感器; 激光散斑; 自适应光学

0 引 言

激光散斑是一种干涉现象。激光照射粗糙表面时,表面上每点都可以看作子波源,产生散射光,由于激光的强相干性,众多子波源的散射光之间仍存在相干性。因此,它们在空间某点相遇时,将会发生相长干涉或相消干涉,从而出现无规则分布的亮暗散斑纹。消除激光散斑能够显著提升光学系统的成像质量。当使用激光作为照明光源时,由于激光本身相干性很强,存在严重的散斑场[1-2],能将物体的微细结构完全掩盖住的同时,能够造成像面光强分布不均的情况。对于激光为探测光源的哈特曼波前探测系统,激光散斑会造成每个微透镜阵列所对应CCD成像区域的非高斯离散光强分布。每个子孔径内光强的不均一性会造成质心算法重构波前的误差进而影响波前像差的探测精度[3-8]。本文将探讨激光散斑对波前探测精度的影响并着重探讨几种消除激光散斑、提高波前探测误差的方法,并进行对比研究。

1 激光散斑引起的波前探测误差

激光散斑,可分为自由空间散斑(菲涅耳散斑)和像面散斑(夫琅和费散斑),激光用于成像照明时产生的散斑即像面散斑。像面散斑的平均横向尺寸主要由成像系统的像方孔径角决定:

其中:l′为像面到出瞳距离;D为出瞳直径。可见像面散斑横向尺寸与系统的衍射极限相当,因此对成像质量有严重影响。

图1 激光散斑在哈特曼探测器焦平面的像光斑分布

广泛采用的哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器通过测量畸变波前在透镜阵列焦平面上成像光斑的质心坐标位置与参考波前质心位置之差,求得全孔径波前的相位分布。质心算法的核心在于寻找单个微透镜所对应的CCD上的子孔径区域的光强最集中像素的所在位置以确定光斑质心位置[9]。正常情况下,微透镜后的光强呈近似高斯分布。激光散斑使哈特曼波前探测器中每个微透镜后光强分布散乱,如图1所示。这会造成拟合的波前像差[10-13]无规律变化。因此激光散斑的存在对波前像差探测精度存在严重影响。

2 消除激光散斑的方法

2.1 旋转散射体消散斑

本文采用旋转毛玻璃的方法即通过运动的散射体来抑制激光散斑[14-15],这种方法成本低廉且操作方便:激光二极管发出的光经透镜后聚焦到毛玻璃上,通过调节激光器和毛玻璃到透镜的距离可以控制在毛玻璃形成有一定大小的激光光斑,经毛玻璃散射后该激光斑成为二次照明光源。

通过移动散射体消散斑时,散斑引入的图像噪声的信噪比可按下式计算[10]:

(a)—毛玻璃旋转前; (b)—毛玻璃旋转后。

式中,v是散射体移动速度;T是成像积分时间即成像CCD曝光时间。实验中采用的毛玻璃的有效利用直径为30 mm,像面到出瞳距离约100 mm,该出瞳直径约3 mm,成像CCD曝光时间10 ms。根据以上系统参数及式(1),式(2)计算可得,当毛玻璃转速大于10 rps时,散斑引入噪声的信噪比即可大于18。

图2为激光消散斑前后对标准分辨率板照明成像的结果。消散斑后,分辨率板最小的一组也可以清晰分辨,而且视觉上看不出散斑的存在。将图像中红色标标记处的光强分别读出,以光强为纵轴得光强分布三维图,如图3所示。可见通过旋转毛玻璃,散斑场得到很好的抑制。进一步计算表明,图3b所示光强不均匀性只有8.3%。

(a)—消散斑前; (b)—消散斑后。

2.2 多模光纤耦合散射体消散斑

采用高速旋转的毛玻璃虽然能有效的消除激光的像面散斑,但该方法对于扩大照明范围时,边缘照度下降严重,影响图像质量。为克服以上不足,提出增加全视场照明均匀性的方法:激光经毛玻璃匀光后耦合进多模光纤,光纤内径800 μm,全长约1 m,激光经过在光纤中多次反射后,在出口处成为非常均匀的发光面。统计了不同照明方式下光照径向平均分布,结果如图4所示,可见经光纤二次耦合后获得的中心照明区域均匀度明显提高,在中心400像素的圆范围内,光照不均匀性小于5%,而采用直接照明方式,光照度由中心到四周几乎线性下降,边缘处(距离中心200像素)的光照度只有中心处的60%左右。

图4 直接照明和经光纤二次耦合后,径向照度的平均分布

2.3 随机相位板减弱激光散斑

与普通毛玻璃相比,随机位相单元尺度较大,起伏程度小,因此对光的散射很小,如图5给出了直径0.5 mm左右的激光束,经毛玻璃和随机位相板散射后,在距离400 mm处的垂直平面内的光强度分布。此外,拍摄图5b时相机的曝光时间是拍摄图5a曝光时间的1/10。从图中可以看出,与随机位相板相比,毛玻璃对光的散射作用更强,且边缘和中心区域光强不均已性更强。相比毛玻璃,位相板具有更好的匀光性。

(a)—毛玻璃; (b)—随机位相板。

3 结 论

旋转散射体可以有效的消除激光散斑且其结构易于实现。但其缺点是位相变化尺度小,且光能利用率较低。而利用多模光纤耦合配合随机位相板的方法可以提高光能利用率、提升光强分布均匀性和消散斑效率。最后采用了随机位相板和多模光纤二次耦合的方法复合消散斑,并将利用该方法消散斑后进行波前探测精度与未消散斑的探测精度进行对比见如图6。

图6 波前探测精度对比

可以看出,消散斑之前,Zernike系数出现了与像差理论相违背的从低阶像差到高阶像差的无规律增大,即像差探测出现了较大的误差。经过激光消散斑之后,整体系数分布符合像差理论的描述,且对于特殊项,4阶球差项和2阶离焦项的系数值实现了与给定值非常接近的重现。说明该消散斑系统可以有效消除激光散斑及散斑带来的波前探测误差。

[1]田志辉,刘伟奇,李霞.激光显示中散斑的减弱[J].光学精密工程, 2007,15(9):1366-1370.

[2]HITOSHI FUJII, NAOKI KONISHI, MINGCHUL LEE.Blood flow analysis with laser speckle flowgraphy[J].Chin Opt Lett, 2007,5(51):235-236.

[3]张强,姜文汉.光子计数型Shack-Hartmann波前探测器研究[J].光学精密工程, 1996,4(5):90-94.

[4]胡新奇,俞信,赵达尊.目标图像结构和噪声对相关哈特曼-夏克波前传感精度的影响[J].光学学报, 2007,27(8):1414-1418.

[5]LIU Dan, HUANG Huijie, REN Bingqiang.Scanning Hartmann test method and its application to lens aberration measurement[J].Chin Opt Lett, 2006,4(12):725-728.

[6]李俊,陈海清,任温馨,等.Zernike矩提高哈特曼波前传感器的鲁棒性[J].中国激光, 2006,33(8):1033-1037.

[7]钮赛赛,沈建新.人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化[J].光学精密工程, 2011,19(12):3016-3024.

[8]刘丽丽,封文江,高天附,等.哈特曼波前探测器波面重构精度研究[J].沈阳师范大学学报:自然科学版, 2012,30(3):360-363.

[9]曹正林,廖文和,沈建新.Zernike多项式拟合人眼波前像差的一种新算法[J].光学精密工程, 2006,14(2):308-314.

[10]HE J C, BURNS S A, MARCOS S.Monochromatic Aberrations in the Accommodated Human eye[J].Vision Res, 2000,40:41-48.

[11]方利华,王肇圻,王伟,等.泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响[J].光学学报, 2006,26(11):1721-1726.

[12]THIBOS L N, HONG X, BRADLEY A, et al.Statistical variation of aberration structure and image quality in a normal population of healthy eyes[J].J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis, 2002,19(12):2329-2348.

[13]PORTER J,GUIRAO A,DR W, et al.Monochromatic aberrtions of the human eye in a large population[J].J Opt Soc Am A, 2011,18:1793-1803.

[14]DINGEL B, KAWATA S.Speckle-free image in a laser-diode microscope by using the optical feedback effect[J].Opt Lett, 1993,18:549-551.

[15]LOWENTHAL S, JOYEUX D.Speckle removal by a slowly moving diffuser associated with a motionless diffuser[J].J Opt Soc Am, 1971,61:847-851.

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。

辽宁省科技厅科学技术计划项目(20092069)。

刘丽丽(1980-),女,吉林舒兰人,沈阳师范大学副教授,硕士。

1673-5862(2015)01-0072-04

O439; TP212.14

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.016