簡介：

1997年，荷蘭OKO公司成立（公司全名：Flexible Optical B.V.）。OKO公司是世界上最早進行自適應光學產品研發和銷售的公司之一，該公司的創始人正是薄膜變形鏡的發明人Vdovin博士。

OKO公司主營產品是MMDM薄膜變形鏡、PDM變形鏡等自適應光學器件。因為變形鏡優良的光學性能、低廉的價格，一經推出就受到了全世界范圍內自適應光學研究人員和用戶的關注和青睞。尤其是15mm口徑、37通道的MMDM最受歡迎，被稱為“OKO Mirror”。

但當這些自適應光學的校正器件，與波前傳感器相結合，和控制中樞形成閉環回路時，自適應光學系統的矯正能力便大大加強。此外，波前傳感器還能通過軟件監控，實時與外界進行交互，接收外界的控制，反饋波前狀態。

原理

最常用的波前傳感器（WFS）是Shack Hartmann（S-H）WFS。S-H WFS的工作原理如圖所示。

理想平面波前與非理想平面波前垂直攝入微透鏡整列對比：

S-H WFS由微透鏡陣列和照相機組成。微透鏡陣列，簡而言之，就是由相當多個微米級通光孔徑大小的透鏡組成的光學元件。當一束平面波前垂直入射微透鏡陣列時，每一個微透鏡都會將其焦平面中的光匯聚到焦點上，形成一個四四方方，排列均勻的焦點陣列。

圖2

但如果，光束波前發生畸變，焦點便不會匯聚至預想位置而在水平和/或垂直方向偏離其標稱位置。此時，通過放置在微透鏡陣列的焦平面中的照相機的圖像傳感器（例如，CCD傳感器或CMOS傳感器），捕獲焦點的圖案并發送到控制計算機進行圖像處理，并結合器件的幾何關系，我們便可以反推出這一小段波前的近似曲面。無數個微小近似曲面相連續，最終還原出一個與原波前極度相近的擬合波前曲面。

波前傳感器在地面望遠鏡中使用的閉環AO系統的作用：

當來自太空中遙遠恒星的光穿過大氣層時，光的波前會受到大氣擾動的干擾。當光進入AO系統時，它被變形鏡（DM）和分束器反射，并被引導到波前傳感器（WFS）。WFS的作用是將光波前轉換為測量矢量（例如，Shack Hartmann WFS將波前的局部梯度轉換為CCD/CMOS圖像傳感器中的光斑位移），并將測量結果反饋給控制器。控制器則根據WFS測量重構的波前，與基準面波前進行比較，并將控制信號計算給DM，以便DM使其表面變形以抵消波前像差。

當然，波前傳感器包裹中，除了包含包含探頭-Hartmann或Shack-Hartmann 波前傳感器（由精密哈特曼掩模/微透鏡陣列和CMOS/CCD攝像機組成）等硬件器件以外，還含有FrontSurfer軟件。

FrontSurfer是一款基于哈特曼檢驗（Hartmann-Shack measurement principle）的波前分析和控制系統，此系統可用于：

·透射和反射光學的光學車間試驗：透鏡、反射鏡、透鏡組、準直器，等等。

·在所謂的“對準模式”下實時顯示低階像差（傾斜/傾斜、離焦、彗差、散光）。

·結合OKO技術的可變形反射鏡系統的對波前像差的實時控制與補償。

·光學系統校準、實時監測和自適應光學補償光學像差。

FrontSurfer波前傳感器的三種典型配置的特征如表3.1所示。但是，可以根據客戶的要求，通過選擇不同的攝像機、哈特曼掩模或微透鏡陣列來重新配置系統。下面給出了當前可用的選項:

FrontSurfer 可以使用哪一種攝像頭？

FrontSurfer可以與任何攝像頭或幀抓取器連接，但它需要FrontSurfer的特殊視頻插件。許多流行相機的插件都包含在發行版中。FrontSurfer手冊包含插件中應包含的功能說明。用戶可以按照以下說明開發自己的插件。

FrontSurfer 是如何工作的？

在處理的第一階段，“FrontSurfer”對強度模式應用平滑濾波器，以最小化強度噪聲的影響。然后嘗試在平滑的強度分布中定位最亮點的質心。定位的光斑數量不超過給定數量，且強度高于指定閾值。用戶可以調整平滑濾波器的窗口大小、要定位的最大斑點數和強度閾值（相對于最大強度）

主圖案的點的質心形成所謂的主柵格，參考圖案的點的質心形成參考柵格。

在絕對測量模式下，“FrontSurfer”將參考網格生成為具有指定間距和尺寸的理想六邊形或正交網格FrontSurfer“優化理想網格的位置和旋轉角度，以在兩個網格的節點之間提供最接近的對應關系。

在下一階段，“FrontSurfer”計算波前的局部傾斜。這是通過找到兩個網格（主網格和參考網格）的質心坐標之間的對應關系來實現的，并計算每個點由于像差而產生的位移。最小允許位移可由用戶指定。如果某個點未找到對應關系，或其位移超過指定限制，則該點將被丟棄。為了計算傾斜度，“FrontSurfer”使用像素尺寸以及哈特曼掩模（透鏡陣列）和CC （CMOS）矩陣之間的距離。這些參數可以由用戶手動設置，也可以通過校準傳感器獲得。

波前重建是基于參考網格和相應的局部傾斜陣列進行的。“FrontSurfer”使用模態重建，這意味著所需波前由線性獨立基函數系統上的級數展開表示，并根據該基計算展開系數。然后在傳感器的整個孔徑內連續定義重構波前。

FrontSurfer的兩種測量模式：

·FrontSurfer 中的絕對測量模式是什么？

在此模式下，波前由波前傳感器（WFS）捕獲的一個強度模式重建。哈特曼掩模或微透鏡陣列的幾何參數可用作參考。該模式只能與具有完整六角形或方形子孔徑結構的精密哈特曼掩模（或微透鏡陣列）一起使用（例如，見圖2）。

·FrontSurfer 中的參考測量模式是什么？

在此模式下，波前由波前傳感器捕獲的兩個強度模式重建。第一個（主圖案）是在存在待重建像差的情況下測量的，第二個（參考圖案）是為了校準目的而測量的，即在消除像差的情況下測量的。在這種模式下，微透鏡陣列（哈特曼掩模）既不完整也不規則；甚至可以使用具有隨機子孔徑定位的陣列。

傳感模式sensing mode與參考模式reference mode

選“FrontSurfer”可以使用或不使用參考模式進行操作。在后一種情況下，哈特曼掩模或微透鏡陣列的幾何參數用作參考，從而實現絕對波前傳感。該模式需要完整的六邊形或正交結構的斑點（見圖2），盡管該程序可以容忍多達5%的缺失斑點。在參考模式下，模式既不完整也不規則；甚至可以使用具有隨機子孔徑定位的陣列。

絕對測量模式和參考模式之間的選擇取決于應用。如果波前傳感器用于光學系統的校準（即準直或像散消除），則絕對測量模式將更有用。

參考模式允許用戶手動定義參考圖案中的感興趣區域（光圈）。此功能對于具有大遮罩（或透鏡陣列）的傳感器非常有用，其子孔徑填充圖像傳感器的整個區域。用戶可以選擇圓形、橢圓形、方形和矩形孔徑

OKO有哪些波前傳感器產品？

OKO Technologies生產高質量復制微透鏡陣列，專門用于FrontSurfer波前傳感器。

作為標準選項之一，我們提供127個六角微透鏡陣列，焦距約18 mm，螺距300μm，安裝在C型支架上。

此外，OKO Technologies還提供一系列由玻璃和熔融石英制成的微透鏡陣列，具有較小的數值孔徑和99%的光學填充因子。微結構提供了最佳的光譜效率（紫外到遠紅外）和最佳的機械和熱穩定性。這些陣列工作在非常高的光學負載下。為了提供一個經濟高效的解決方案，所有列出的陣列都可以用塑料串聯復制。