Датчик волнового фронта Советский патент 1992 года по МПК G02B26/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при построении адаптивных оптических систем.

Известны устройства для измерения параметров волнового фронта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик волнового фронта, содержащий устройство деления волнового фронта на М субапертур, матрицу квадратных фотоприемников, 2N2 дифференциальных усилителей, ЗМ2- 4М перемножителей, источник опорного на,-.--.

пряжения 5М сумматоров, 2М

М

усилителей.

Недостатком данного устройства является низкое быстродействие.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.

На чертеже представлена функциональная схема датчика волнового фронта. Датчик содержит устройство 1 деления волнового фронта на М2 субапертур, квадратные фотоприемники 2ц-2мм, усилители первой матрицы дифференциальных усилителей Зц-Змм. первые весовые элементы

ому зочепаущолтвоеров, 2- наМ

лярольатияадлилиты

4ц-4мм, сумматоры 5ц-5мм, усилители второй матрицы дифференциальных усилителей 6ц-6м-1М, вторые весовые элементы 7ц-7м-1М, третьи весовые элементы 8ц- 8м-1МУстройство 1 деления волнового фронта оптически связано с квадратными фотоприемниками 2, первые и вторые выходы которых Соединены с первыми и вторыми входами дифференциальных усилителей 3 канала X первой матрицы, третьи и четвертые выходы квадратных фотоприемников 2 соединены с первыми и вторыми входами дифференциальных усилителей 3 канала Y первой матрицы. Выходы дифференциальных усилителей 3 канала X каждого столбца первой матрицы соединены через соответ„лх

ствующие первые весовые элементы

(2i - 1). I 1, М , с инвертирующими входами всех сумматоров 5 соответствующего столбца сумматоров, выходы дифференциальных усилителей 3 канала Y каждой строки первой матрицы соединены через соответствующие первые весовые элементы 4 с инвертирующими входами всех сумматоров

(Л

С

VJ

Ю О О

сл

k

5 соответствующей строки сумматоров. Выходы всех дифференциальных усилителей 3 первой матрицы, кроме последнего в каждом столбце канала X и в каждой строке канала Y, соединены с первыми входами соответствующих дифференциальных усилителей 6 второй матрицы. Выходы дифференциальных усилителей 3 первой матрицы, кроме первого в каждом столбце в канале X и в каждой строке в канале Y, соединены с входами дифференциальных усилителей 6 с номерами на единицу, большими номеров дифференциального усилителя 3. Выходы всех дифференциальных усилителей б каждого столбца канала X и каждой строки ка- нала Y через соответствующие вторые

|Д X

весовые элементы 7 -тпг ,1 1, М-1, каналов X и Y соединены с инвертирующими входами сумматоров 5 соответствующего столбца в канале X и строки в канале Y. Выходы 1-х (I 1; М-1) дифференциальных усилителей 6 каждого столбца X соединены через соответствующие третьи весовые эле- менть 3 Дх| с входами с 1-го по М-1 сумма- торой 5 соответствующего столбца сумматоров. Выходы j-x (j 1, М-1) дифференциальных усилителей 6 каждой строки канала X соединены через соответствующие третьи весовые элементы 8 Ду с вхо- дами с j-ro по М-1 сумматоров 5 соответствующей строки сумматоров. Выходы сумматоров 5 являются выходами датчика.

Первые входы дифференциальных, уси- лителей являются инвертирующими. Первый и второй выходы каждого квадрантного фотоприемника 2 соответствуют фоточувствительным площадкам, расположенным на оси X. Третий и четвертый выходы каждого квадрантного фотоприемника 2 соответствуют фоточувствительным площадкам, расположенным на оси Y.

Устройство работает следующим образом..

Для пояснения разобьем сечение волнового фронта по координате X на М интервалов, в из которых аппроксимируем сечение волнового фронта отрезком прямой. Уравнение для 1-го интер- вала запишется в виде

7.( atx + kix,(1)

где aix - фазовый сдвиг на i-м участке;

kj - коэффициент наклона фазового фронта;

zi - кусочно-линейная аппроксимация фазового фронта.

Условие стыковки соседних участков запишется в виде

aix + kixi af 4 1 + ki ч- ixi.(2)

Тогда может быть записана система из М-1 линейных уравнений вида

ам-i - амх (км-1 - kw)xM-i . (3) Последнее уравнение, дополняющее систему (3), получим из условия равенства нулю средней фазы на апертуре:

М х|

2 /(aix + kix)dx..(4)

i 1 хн

i

С учетом того, что xi I Дх, i 1,M, Дх -г ,

, - - М

L - размер апертуры датчика, значения at могут быть получены в результате решения системы уравнений (3) и (4):

М - 1М - 1 дх

aijx - 2 д xij(kj + i - kj) - 2) 7701 гОч + г 1 1i 1 т

j м-1 д Y

,2,7м

Окончательно значения исходя из выражения

ajj+aij

(6)

aij определяются

()

aij j

В соответствии с выражением (6) сигналы с первых, вторых, третьих и четвертых выходов квадрантных фотоприемников 2 поступают, соответственно, на первые и вторые входы дифференциальных усилителей 3 первой матрицы каналов X и Y. При этом выходные сигналы дифференциальных усилителей 3 пропорциональны соответствующим наклонам волнового фронта. Первые 4. вторые 7 и третьи 8 весовые элементы, вторая матрица дифференциальных усилителей 6 каналов X и Y, сумматоры 5 используются для определения фазовых сдвигов aij в соответствии с выражениями (6) и (7).

Быстродействие устройства определяется числом последовательных аналоговых операций, не поддающихся распараллеливанию и. соответственно, числом включенных последовательно аналоговых активных элементов. Для известного способа это число равно 8. Действительно, сигнал с любой пары фотоприемников попадет на выход устройства по цепи дифференциальный уси- литель-перемножитель - двухкодовый сумматор- N-входовый сумматор-двухвхо- довый сумматор. С учетом того, что дифференциальные усилители и сумматоры могут быть реализованы на операционных усилителях, а перемножители - на трех операционных усилителях, получается число включенных последовательно аналоговых элементов, равное 8, При анализе работы предлагаемого устройства видно, что его быстродействие определяется быстродействием трех последовательно включенных элементов: дифференциального усилителя первой матрицы, дифференциального усилителя второй матрицы и сумматора. Весовые элементы не являются активными, следовательно, на быстродействие устройства на влияют.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить быстродействие .датчика фазового фронта в 2,6 раза.

Формула изобретения Датчик волнового фронта, содержащий устройство деления волнового фронта на М х М субапертур, матрицу квадратных фото- приемников, первую матрицу из 2-М2 диф- ференциальных усилителей и М2 сумматоров, причем первые и вторые выходы квадратных фотоприемников матрицы соединены с соответствующими входами дифференциальных усилителей канала X первой матрицы, третьи и четвертые входы квадратных фотоприемников матрицы соединены с первым и вторым входами дифференциальных усилителей канала Y первой матрицы, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены вторая матрица 2М2-2М дифференциальных усилителей, 2М2 первых весовых элементов, 2М2-2М вторых весовых элементов и 2М2-2М третьих весовых элементов, при этом выходы дифференциальных усилителей канала X каждого столбца первой матрицы соединены через соответствующие первые весовые элементы с инвертирующими входами всех сумматоров соответствующего столбца сумматоров, выходы дифференциальных усилителей канала Y каждой строки первой матрицы соединены через соответствующие первые весовые элементы с инвертирующи- 5 ми входами всех сумматоров соответствующей строки сумматоров, выходы всех дифференциальных усилителей первой матрицы, кроме последнего в каждом столбце в канале X и в каждой строке в канале Y,

0 соединены с первыми входами соответствующих дифференциальных усилителей второй матрицы,выход всех дифференциальных усилителей первой матрицы, кроме первого в каждом столбце в

5 канале X и в каждой строке в канале Y, соединены с вторыми входами дифференциальных усилителей второй матрицы с номерами на единицу большими, чем номера дифференциальных усилителей матрицы,

0 выходы всех дифференциальных усилителей каждого столбца канала X и каждой строки канала Y второй матрицы через соответствующие вторые весовые элементы каналов X и Y соединены с инвертирующи5 ми входами всех сумматоров соответствующего столбца в каналах X и строки в канале Y сумматоров, выход i-ro (i 1, М-1) дифференциального усилителя каждого столбца канала X второй матрицы соединен через

0 соответствующий третий весовой элемент с входами с 1-го по М-1 сумматор соответствующего столбца сумматоров, выход j-ro 0 1, М-1) дифференциального усилителя каждой строки канала Увторой матрицы соеди5 нен через соответствующий третий весовой элементе входами с j-ro по М-1 сумматоров соответствующей строки сумматоров.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при построении адаптивных оптических систем. Цель изобретения - повышение быстродействия датчика волнового фронта. Цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены вторая матрица 2М -2М дифференциальных усилителей, 2М2 первых весовых элементов, 2М2-- 2М вторых1 весовых элементов и 2М2-2М третьих весовых элементов. 1 ил.