基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统和方法

专利名称：基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统和方法
技术领域：
本发明属于自适应光学校正领域，更具体地说是一种基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统和方法
背景技术：
自适应光学系统被广泛应用于天文观测，激光核聚变装置像差校正和人眼像差校正成像等领域。在不同的应用领域中，都是通过自适应光学技术来测量并校正诸如大气扰动，光学元器件或者生物组织本身所导致的各种像差，以达到消除或减少像差对成像或光束质量的影响。常见的像差校正系统通常包含由一台波前传感器和一台变形镜由波前传感器负责像差测量，由变形镜根据测量结果实现像差校正。如目前常见的人眼眼底组织高分辨率成像系统。但是，在实际使用中，这种单变形镜自适应光学系统通常存在对人眼低阶像差校正不足或高阶像差校正无法校正等缺点，严重制约了对眼底的成像质量。上述单变形镜系统的校正效果不理想的主要原因和由于人眼像差分布特点及常用的变形镜的性质有关。人眼像差存在分布不均匀性，面形较简单的低阶像差往往值较大，高阶像差虽然值较小，但面形复杂；而出于体积和成本方面考虑。目前常用于人眼像差校正的微机械薄膜变形镜通常分为两种，一种驱动单元较少行程较大，另一种驱动单元较多行程较小。因此无论单独使用哪一种变形镜，都会存在低阶校正不完全或高阶无法校正等问题，虽然优化变形镜控制算法可以最大程度发挥变形镜校正能力，但对于超出其校正范围的像差部分依然是有心无力。因此，在除了控制光学系统本身像差、优化控制算法等基础上，还应该从光学系统的校正方法入手，在对人眼像差的解耦基础上，对待校正像差进行分解，进而根据不同变形镜的校正特点，实现双变形镜联合校正，从而达到优于单变形镜系统的校正结果。

发明内容
本发明解决的技术问题是一种可以实现对人眼像差的高、低阶分级联合校正的基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统和方法。为解决上述技术问题，本发明一种基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统，包括红外激光光源、分光镜、孔径匹配系统1、孔径匹配系统I1、孔径匹配系统II1、波前传感器、变形镜1、变形镜II和控制计算机；所述分光镜、孔径匹配系统1、变形镜1、孔径匹配系统I1、变形镜I1、孔径匹配系统III在同一光路上，含有人眼波前像差的光束经过孔径匹配系统I后由变形镜I反射，再经孔径匹配系统II后由变形镜II反射，然后经孔径匹配系统III后进入波前传感器，计算机利用波前传感器获得的畸变波前信息实现模式解耦，并进一步根据不同变形镜校正能力分别计算控制信号，驱动变形镜I和变形镜II实现波前像差校正。同时，针对该系统提出对人眼像差的校正方法，包括以下步骤
步骤一、对测量的人眼像差进行解耦，将解耦后的人眼像差分解成低阶和高阶两部分；步骤二、通过比较变形镜I和变形镜II拟合各阶模式产生的波前RMS值来确定变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力；同阶模式下，变形镜的RMS值越高，则其对该阶像差的校正能力越强。步骤三、根据步骤二中确定变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力，采用变形镜I对低阶部分进行校正，采用变形镜II对高阶部分进行校正，将两部分校正结果叠加实现对整个人眼像差的联合校正。
进一步地优选方案，本发明的人眼像差校正方法中，所述步骤一中对测量的人眼像差进行解耦，具体为
(1-1)对测量的人眼像差进行基于Zernike多项式的波前重建，公式如下
n
炉(x，y) == I CiZi (X, y) + e式中，n是模式复原的项数，Ci是Zernike多项式第i阶的模式系数,Zi (x，y)为第i模式项所对应的Zernike多项式，e是残余像差；( 1-2)将波前重建中的模式系数分别对应各阶像差得到待校正的人眼波前像模式向量C；，不考虑像差中的倾斜项，其中向量(；包括高阶像差和低阶像差。进一步地优选方案，本发明的人眼像差校正方法中，所述步骤二通过比较变形镜I和变形镜II拟合各阶模式产生的波前RMS值来确定变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力，具体为(2-1)将影响函数与实际的控制电压相乘得到变形镜拟合该Zernike模式的最大像差Cf,由该像差计算得到拟合产生该Zernike模式对应像差的RMS值；(2-2)分别控制变形镜I和变形镜II对相同系数值的各阶模式进行拟合，按照(2-1)所述方法计算得到拟合结果的RMS值，以该RMS值作为指标考核变形镜对各阶像差的校正能力；进一步地优选方案，本发明的人眼像差校正方法中，所述步骤三进行联合校正，具体为(3-1)、根据变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力，待校正的人眼波前像模式向量(；分解为Ce-Cdml+Cdm2其中Cdml=
，Cdm2=
，Cdml 为变形镜I待校正的低阶像差、Cdm2为变形镜II待校正的高阶相差；(3-2)利用下式确定变形镜1、变形镜II的理论控制电压
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分别是变形镜I和变形镜II的影响函数奇异值分解结果，Pdml和Pdm2是变形镜I和变形镜II的理论控制电压；
(3-3)利用下式对控制电压超出变形镜最大控制电压部分做截止处理，获取实际控制校正电压PM，从而实现双变形镜联合校正
权利要求
1.一种基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统，其特征在于包括红外激光光源、分光镜、孔径匹配系统1、孔径匹配系统I1、孔径匹配系统II1、波前传感器、变形镜1、 变形镜II和控制计算机；所述分光镜、孔径匹配系统1、变形镜1、孔径匹配系统I1、变形镜I1、孔径匹配系统III在同一光路上，含有人眼波前像差的光束经过孔径匹配系统I后由变形镜I反射，再经孔径匹配系统II后由变形镜II反射，然后经孔径匹配系统III后进入波前传感器，计算机利用波前传感器获得的畸变波前信息实现模式解耦，并进一步根据不同变形镜校正能力分别计算控制信号，驱动变形镜I和变形镜II实现波前像差校正。
2.根据权利要求1所述的基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统，其特征在于 所述变形镜1、变形镜II均为微机械薄膜变形镜。
3.一种基于权利要求1或2所述校正系统的校正方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、对测量的人眼像差进行解耦，将解耦后的人眼像差分解成低阶和高阶两部分；步骤二、通过比较变形镜I和变形镜II拟合各阶模式产生的波前RMS值来确定变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力；在同阶模式下，变形镜的RMS值越高，则其对该阶像差的校正能力越强；步骤三、根据步骤二中确定变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力，采用变形镜I 对低阶部分进行校正，采用变形镜II对高阶部分进行校正，将两部分校正结果叠加实现对整个人眼像差的联合校正。
4.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于所述步骤一中对测量的人眼像差进行解耦，具体为(1-1)对测量的人眼像差进行基于Zernike多项式的波前重建，公式如下η炉(X，ν) == [CiZi (X, V) + ε/=1式中，η是模式复原的项数，Ci是Zernike多项式第i阶的模式系数,ZiU, y)为第i模式项所对应的Zernike多项式，ε是残余像差；(1-2)将波前重建中的模式系数分别对应各阶像差得到待校正的人眼波前像模式向量 Ce,不考虑像差中的倾斜项，其中向量Ce包括闻阶像差和低阶像差。
5.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于所述步骤二通过比较变形镜I和变形镜II拟合各阶模式产生的波前RMS值来确定变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力，具体为(2-1)将影响函数与实际的控制电压相乘得到变形镜拟合该Zernike模式的最大像差 Cf,由该像差计算得到拟合产生该Zernike模式对应像差的RMS值；(2-2)分别控制变形镜I和变形镜II对相同系数值的各阶模式进行拟合，按照(2-1) 所述方法计算得到拟合结果的RMS值，以该RMS值作为指标考核变形镜对各阶像差的校正能力。
6.根据权利要求4所述的校正方法，其特征在于所述步骤三进行联合校正，具体为 (3-1)、根据变形镜1、变形镜II对各阶像差的校正能力，待校正的人眼波前像模式向量Ce分解为Ce-Cdm^Cdm2其中
全文摘要
本发明公开了一种基于双变形镜人眼像差自适应光学校正系统和方法，该方法利用解耦后的人眼像差呈现大像差主要出现在低阶，且波动较大，而高阶模式像差相对较小且变化较稳定的特点。再结合对变形镜I和变形镜II波前校正能力，将解耦后的人眼像差分解成低阶和高阶两部分，采用变形镜I对面形较简单但值较大的低阶部分进行校正，而变形镜II对面形复杂而值较小的高阶部分进行，将两部分校正结果叠加实现对整体人眼像差的联合校正。有效克服了已有的采用单变形镜自适应光学人眼像差校正系统的局限性。
文档编号G02B26/06GK102998793SQ20121057454
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者梁春, 沈建新, 钮赛赛 申请人:南京航空航天大学