快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统及校准方法技术方案

本发明专利技术一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统及校准方法，系统包括目标物、物镜、第一汇聚透镜、可变形透镜、控制单元以及第一相机；控制单元分别与可变形透镜、第一相机电性连接；控制单元是经由波前传感器校准的可变形透镜控制元件，用于接收第一相机采集到的图像，并根据畸变图像产生和记录畸变图形所对应的变形镜驱动电压信号，再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，最终校准的图像被相机采集。本发明专利技术直接通过相机拍摄到的畸变图片作为输入得到可变形透镜的驱动电压，在将电压施加在可变形透镜后可校准畸变的波前，从而使图像变得更清晰；在实际应用中，无需波前传感器来产生可变形透镜的控制信号，功能由一个神经网络来代替。一个神经网络来代替。一个神经网络来代替。

【技术实现步骤摘要】
快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统及校准方法


[0001]本专利技术属于自适应光学拓展目标成像
，特别涉及一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统及校准方法。

技术介绍

[0002]在天文领域的成像系统中，大气湍流导致的空气密度变化严重的影响观测目标反射光的波前，进而导致图像发生畸变。而在水下成像系统中，由于地理、气候等因素同样也会导致观测到的水下目标同样存在畸变。得益于波前整形技术，自适应光学技术的发展完美的解决了上述的问题。
[0003]截至目前，自适应光学拓展目标成像系统主要有两种形式：基于波前传感器自适应光学成像系统和无波前传感器的自适应光学成像系统。前者主要由波前传感器作为波前检测装置，目标物的入射光通过波前传感器的微透镜阵列成像即可通过算法得到波前斜率，并为可变形镜或可变形透镜的驱动电压提供参考，这种方式的主要优点是能够实现实时成像，但是由于需要分光结构分出一束光用于波前探测，所以光路结构比较复杂，无法适应更多的场景下适用。后者无波前传感器的自适应光学系统的出现打破了上述的限制。这种新的系统不需要分光结构，仅仅需要一个相机采集图像信息，再通过优化算法优化图像质量；这种新的方法逐渐成为主流，但是基于拓展目标成像的优化算法需要进行大量的运算，需要大量的时间以及内存，所以在实时成像的应用场景下很难发挥作用。尽管目前已经有了许多针对拓展目标成像优化算法的改进，比如通过深度学习预测Zernike相差的系数来得到变形镜的驱动电压，但是针对一些比较随机的畸变，比如海底水的湍流，这种方法无法完全应对。

技术实现思路

[0004]为了解决上述现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统及校准方法，本专利技术不但可以快速的校准畸变图像，同时还原度高；与传统的基于波前传感器的自适应光学成像系统对比光路复杂度更低，对于一般的无波前传感器自适应光学系统来说，重建速度更快。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统，其特征在于，包括目标物、物镜、第一汇聚透镜、可变形透镜、控制单元以及第一相机；其中，目标物，用于发出目标反射光；物镜，设置在目标反射光之后的光路中；可变形透镜，设置在物镜之后的光路中；第一汇聚透镜，设置在可变形透镜之后的光路中；第一相机，用于拍摄并采集依次经过物镜、可变形透镜以及第一汇聚透镜后的目标反射光的图像；
控制单元，分别与可变形透镜、第一相机电性连接；控制单元是经由波前传感器校准的可变形透镜控制元件，用于接收第一相机采集到的图像，并根据畸变图像产生和记录畸变图形所对应的变形镜驱动电压信号，再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，最终校准的图像被相机采集。
[0006]进一步的，所述波前传感器校准的可变形透镜控制元件是一个标定的基于回归的卷积神经网络，包含有不同畸变情况下的特征及对应的可变形透镜的驱动电压信号；在不同畸变情况下，所述波前传感器校准的可变形透镜控制元件通过相机拍摄到的畸变图片作为输入得到可变形透镜的驱动电压，再将驱动电压施加在可变形透镜后校准畸变的波前使图像清晰。
[0007]进一步的，所述波前传感器校准的可变形透镜控制元件的标定结构包括顺次设置的目标物、物镜、扰动、可变形透镜、分束镜、第二汇聚透镜、第二相机、第三汇聚透镜、准直透镜、波前传感器以及控制单元；其中，目标物，用于发出目标反射光；物镜，设置在目标反射光之后的光路中；可变形透镜，设置在物镜之后的光路中；扰动，设置在物镜与可变形透镜之间的光路中，用于对目标反射光进行干扰并得到畸变图像；分束镜，设置在可变形透镜之后的光路中，目标反射光顺次经过物镜、扰动和可变形透镜后被分束镜分成两束；一束经过第二汇聚透镜后通过第二相机成像；另外一束依次通过第三汇聚透镜和准直透镜后，通过波前传感器进行波前测量，控制单元将测得的波前斜率通过直接矩阵法得到可变形透镜的驱动电压信号。
[0008]进一步的，所述的波前传感器为具有微透镜阵列的夏克哈特曼波前传感器，由微透镜阵列和镜头构成，微透镜阵列的孔径数量不做限定。
[0009]进一步的，如上述所述的一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统校准方法，其特征在于，所述校准方法包括如下步骤：标定步骤：S1：在目标物后添加扰动以得到各种湍流情况下的畸变图像；S2:再通过波前传感器测得的数据计算波前斜率以其对应的可变形透镜的驱动电压，记录驱动电压以及对应的畸变图像;S3:重复步骤S1和S2，采集大量的数据后，将拍摄到的畸变图像作为输入，驱动电压信号作为输出进行卷积神经网络的训练，得到一个基于卷积神经网络的波前传感器校准的可变形透镜控制元件，即完成标定；图像校准步骤：目标物的目标反射光顺次通过物镜、可变形透镜、汇聚透镜后被相机采集，得到畸变图像，得到的畸变图像作为如输入数据输入到标定好的控制单元，控制单元直接产生可变形透镜的驱动电压，产生的驱动电压施加到可变形透镜后波前可被校准；图像优化步骤：相机采集到初步校准的图像后，通过卷积神经网络优化图像的质量。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的技术效果体现在：1、本专利技术不但可以快速的校准畸变图像，同时还原度高；与传统的基于波前传感器的自适应光学成像系统对比光路复杂度更低，对于一般的无波前传感器自适应光学系统来说，重建速度更快。
[0011]2、可变形透镜的控制单元在波前传感器的辅助下，通过大量的数据训练后能够快速的输出畸变图像对应的可变形透镜的驱动电压信号，无需额外的光路以及复杂的图像优化算法；不仅提高了畸变图像重建的速度，降低了光学系统的复杂度，还保证了成像质量。
[0012]3、本专利技术通过引入波前传感器参与无波前传感器的自适应光学成像系统的标定，能够快速得到图像畸变本身及其波前斜率所对应的可变形透镜驱动电压，经过训练定制的卷积神经网络，最终不仅实现高速无波前自适应光学系统的成像，还大大简化了系统的复杂度。
[0013]4、实验数据表明，相对于传统的无波前传感器的自适应光学成像系统，本专利技术所提出的方案能够缩减5倍以上的优化时间，可以快速的得到可变形透镜的电压，节省计算机内存，并且可以快速获得重建的图像。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术控制单元标定结构图；图3是波前传感器校准的可变形透镜控制单元标定的流程图。
具体实施方式
[0015]以下结合附图对本专利技术实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术实施例，并不用于限制本专利技术实施例。
[0016]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0017]下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本专利技术。
[0018]参考图1、图2、图3，本专利技术的一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统，包括目标物1、物镜2、第一汇聚透镜6、可变形透镜3、控制单元4以及第一相机5；其中，目标物1，用于发出目标反射光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统，其特征在于，包括目标物、物镜、第一汇聚透镜、可变形透镜、控制单元以及第一相机；其中，目标物，用于发出目标反射光；物镜，设置在目标反射光之后的光路中；可变形透镜，设置在物镜之后的光路中；第一汇聚透镜，设置在可变形透镜之后的光路中；第一相机，用于拍摄并采集依次经过物镜、可变形透镜以及第一汇聚透镜后的目标反射光的图像；控制单元，分别与可变形透镜、第一相机电性连接；控制单元是经由波前传感器校准的可变形透镜控制元件，用于接收第一相机采集到的图像，并根据畸变图像产生和记录畸变图形所对应的变形镜驱动电压信号，再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，最终校准的图像被相机采集。2.如权利要求1所述的一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统，其特征在于，所述波前传感器校准的可变形透镜控制元件是一个标定的基于回归的卷积神经网络，包含有不同畸变情况下的特征及对应的可变形透镜的驱动电压信号；在不同畸变情况下，所述波前传感器校准的可变形透镜控制元件通过相机拍摄到的畸变图片作为输入得到可变形透镜的驱动电压，再将驱动电压施加在可变形透镜后校准畸变的波前使图像清晰。3.如权利要求2所述的一种快速拓展目标无波前传感器自适应光学成像系统，其特征在于，所述波前传感器校准的可变形透镜控制元件的标定结构包括顺次设置的目标物、物镜、扰动、可变形透镜、分束镜、第二汇聚透镜、第二相机、第三汇聚透镜、准直透镜、波前传感器以及控制单元；其中，目标物，用于发出目标反射光；物镜，设置在目标反射光之后的光路中；可变形透镜，设置在物镜之后的光路中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天亮，张娜丽，
申请(专利权)人：杭州蓝科光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：