專利名稱：一種基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學信息測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量入射光束波前的方法，尤其涉及一種新型的基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法。
背景技術(shù)：
在自適應光學、光學檢測、光電探測等應用領(lǐng)域，均需要測量光束的波前。尤其在自適應光學系統(tǒng)中，波前探測是自適應控制的一個重要前提，需要對波前信息進行快速測量，用于實時波前控制矯正。目前已經(jīng)有許多種測量方法得到了實際應用，比如剪切干涉波前傳感技術(shù)、哈特曼波前傳感技術(shù)、曲率波前傳感技術(shù)和相位反演法等。這些方法各自有其優(yōu)缺點，被用于各種應用場合，其中哈特曼波前傳感技術(shù)能同時測量兩個方法的波前斜率，光能利用率較高；結(jié)構(gòu)簡單，可探測連續(xù)光或脈沖光，已經(jīng)成為目前最流行、應用最廣泛的 波前傳感技術(shù)。典型的哈特曼波前傳感器可以參見中國專利申請公開說明書(申請?zhí)?8112210. 8，公開號CN1245904)公開的一種光學波前傳感器，其實現(xiàn)方式主要采用波前分割取樣陣列元件如微透鏡陣列，將波前分割成許多子孔徑波前，并將入射的光分別匯聚到陣列型光電探測器上，一般采用CCD探測器或者CMOS探測器，陣列型光電探測器靶面上則形成一系列光斑陣列，通過各子光斑質(zhì)心位置的計算處理獲得所需波前相位測量數(shù)據(jù)。由于哈特曼波前傳感器的廣泛應用，提高哈特曼波前傳感器波前測量精度已經(jīng)成為一個研究熱點。從結(jié)構(gòu)上，可以通過適當增加子孔徑數(shù)，增大對待測波面的采樣率來提高測量精度；從信息探測上，可以使用高性能的陣列型光電探測器或者改進質(zhì)心算法來提高質(zhì)心的探測精度，參見“自適應系統(tǒng)中哈特曼波前傳感器光斑質(zhì)最佳標定位置”[馬曉燠，鄭翰清等.[J].光電工程，2009，36 (4)];從復原算法上，可以通過改進復原算法，尋找實際應用中最優(yōu)復原模式等方法提高復原算法的精度，參見“哈特曼夏克傳感器的澤尼克模式波前復原誤差”[李新陽，姜文漢.[J].光學學報，2002，22 (10)]。上述提高哈特曼波前傳感器測量精度的方法均將各子孔徑內(nèi)的波前視為只含傾斜像差的一階平面，這一前提限制了哈特曼波前傳感器精度進一步提升的空間及其在高精度測量中的應用。Shane Barwick提出的用一種像散混合波前傳感器同時測量子孔徑內(nèi)波面一階斜率和二次曲率，參見 “Detecting higher-order wavefront errors with an astigmatichybrid wavefront sensor” [Shane Barwick. [J]. OPTICS LETTERS, 2009, 34(11)],該方法要求微透鏡中每個透鏡均保留一定量的像散像差，且采用四象限探測器陣列探測光斑陣列，制造工藝復雜，難以實現(xiàn)，這限制了其推廣與實際應用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，突破了將哈特曼子孔徑內(nèi)波前視為一階平面的思維定勢，為此，本發(fā)明的目的是提供一種基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，將原本困擾光斑質(zhì)心計算的光斑彌散信息充分利用，獲取子孔徑內(nèi)波面的更多細節(jié)信息，進而使整個波前測量精度得到質(zhì)的提升。為實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供一種基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，該方法基于普通哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)波前測量步驟SI :用無像差理想平面光源對哈特曼波前傳感器進行定標，得到無像差光波入射時陣列型光電探測器靶面上的遠場光斑陣列圖像作為定標基準圖像，并計算定標基準圖像上各個光斑質(zhì)心的初始位置；步驟S2 :含有波前像差的待測光波入射到哈特曼波前傳感器并在陣列型光電探測器靶面上形成遠場光斑陣列圖像，根據(jù)帶波前像差光波入射條件下獲取的遠場光斑陣列圖像，計算帶波前像差光波入射條件下獲取的各個遠場光斑的質(zhì)心位置相對于定標基準圖像上各個光斑質(zhì)心的初始位置的遠場光斑的質(zhì)心偏移量，并記錄帶波前像差光波入射條件下獲取的各個遠場光斑的光強分布信息；步驟S3 :利用遠場光斑的質(zhì)心偏移量，求出對應哈特曼波前傳感器各子孔徑內(nèi)子 波前的傾斜像差分量或一階斜率信息；步驟S4 :利用遠場光斑的光強分布信息，結(jié)合已測得的子波前的傾斜像差分量或一階斜率，通過相位反演算法恢復各子孔徑內(nèi)波前多個細節(jié)信息，獲得對應的哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)由傾斜、離焦等高階像差分量構(gòu)成的或是由一次平面、二次曲面等高次曲面分量組成的子波前；步驟S5 :用波前復原算法或是拼接方法將步驟S4中獲得的各子孔徑內(nèi)子波前重構(gòu)成整個全孔徑待測光波的波前像差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點不再簡單的將哈特曼波前傳感器各子孔徑內(nèi)波前視為只含傾斜像差分量或是一階平面，將哈特曼波前傳感器技術(shù)與目前比較成熟的相位反演技術(shù)相結(jié)合，在哈特曼波前傳感器中的陣列型光電探測器采集到光斑陣列圖像后，計算各光斑質(zhì)心偏移并記錄各光斑的光強分布信息，使原本影響各子光斑質(zhì)心探測精度的子光斑彌散分布信息得以利用，在利用光斑質(zhì)心偏移量復原各個子孔徑內(nèi)波前的傾斜像差或是一階斜率的同時根據(jù)各光斑的光強分布提取對應子孔徑內(nèi)子波前的更多細節(jié)信息，從而提高波前測量結(jié)果的精度；本發(fā)明大大緩解了哈特曼波前傳感器的測量精度嚴重受限于子孔徑排布密度的情況，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠在相同子孔徑數(shù)下，進一步提高波前測量精度，或者即使在減少一定量的子孔徑的情況下，也能保證一定的測量精度。本發(fā)明不改變哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)，充分利用哈特曼波前傳感器系統(tǒng)的信息量，繼承了其光能利用率高、可測連續(xù)或脈沖光等一系列優(yōu)點，同時將困擾光斑質(zhì)心探測的光斑彌散信息加以利用，能夠有效提高波前測量精度，可被應用于高精度波前探測相關(guān)領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明的典型的哈特曼波前傳感器裝置示意圖；圖2為本發(fā)明中哈特曼波前傳感器工作時待測光波在陣列型光電探測器靶面上形成光斑陣列示意圖；圖3為本發(fā)明的基于哈特曼波前傳感器波前測量方法；
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖I是基于哈特曼波前傳感器波前測量方法的具體步驟包括步驟SI :用無像差理想平面光源對哈特曼波前傳感器進行定標，得到無像差光波入射時陣列型光電探測器3 (圖2示出)靶面上的遠場光斑陣列圖像作為定標基準圖像，并計算定標基準圖像上各個光斑質(zhì)心的初始位置；步驟S2 :含有波前像差的待測光波入射到哈特曼波前傳感器并在其陣列型光電探測器3靶面上形成遠場光斑陣列圖像，根據(jù)帶波前像差光波入射條件下獲取的遠場光斑陣列圖像，計算帶波前像差光波入射條件下獲取的各個遠場光斑的質(zhì)心位置相對于定標基準圖像上各個光斑質(zhì)心的初始位置的遠場光斑的質(zhì)心偏移量，并記錄帶波前像差光波入射條件下獲取的各個遠場光斑的光強分布信息；步驟S3 :利用遠場光斑的質(zhì)心偏移量，求出對應哈特曼波前傳感器各子孔徑內(nèi)子 波前的傾斜像差分量或一階斜率信息；步驟S4 :利用遠場光斑的光強分布信息，結(jié)合已測得的子波前的傾斜像差分量或一階斜率，通過相位反演算法恢復各子孔徑內(nèi)波前多個細節(jié)信息，獲得對應的哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)由傾斜、離焦等高階像差分量構(gòu)成的或是由一次平面、二次曲面等高次曲面分量組成的子波前；步驟S5 :用波前拼接方法，以位于頂角位置(如左上角)的子孔徑為起始，將步驟S4中獲得的各子孔徑內(nèi)子波前依次首尾鏈接拼接，重構(gòu)成整個全孔徑待測光波的波前像差。步驟S4中的相位反演算法要求只需單幅遠場光強分布圖像就能獲得近場相位分布，所述相位反演算法可以是GS算法。GS算法步驟可概況為①先給定子孔徑內(nèi)的初始相位分布為步驟S3求得的子孔徑內(nèi)傾斜像差分量，并假設(shè)子孔徑內(nèi)光波振幅分布|F(x，y) I為均勻常數(shù)，從而構(gòu)成入射光波復振幅En(^y) = \F{x^y)\*eMx^，其中x、y分布表示子孔徑所在空間橫坐標和縱坐標表示以自然對數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)形式，其中j表述純虛數(shù)，值為p。②對En(X, y)作傅里葉變換得到Ef (u, v) = g(u, v)*ej4> (u, v),其中u、v分布表示遠場空間橫縱坐標；Ef(u，v)表示En(x，y)的傅里葉變換形式；g(u，v)表示Ef(u，v)中的整幅分布;小(u, V)表示Ef (u，V)中的相位分布。③用Ef(u，v)的相位分布部分小(u,v)與獲得的遠場光斑光強分布根方值(即遠處光波振幅)G (U，V)構(gòu)成函數(shù) Ef' (u, V) = G(u, v)*ej4> (u, V)；④對Ef' (u，v)作傅里葉變換得到下一步迭代光波函數(shù)E' n(x，y);重復以上步驟直至均方根SSE小于預先規(guī)定的精度控制指標e SSE= [ / / (g (u, v) -G (u, v)) 2dudv] / [ f f G(u, v)2dudv] < e。此時得到的即GS算法的輸出相位值；其中/ / []dudv表示在U、V平面做二維積分，du表示u坐標方向上的無窮小量，dv表示V坐標方向上的無窮小量；求解精度控制指標e為一個事先確定的常數(shù)，其越小則GS算法求解的準確性越高。步驟S4中的子孔徑內(nèi)波前多個細節(jié)信息是從像差角度上看的較傾斜像差更高階的像差信息，所述像差信息是離焦、像散、慧差和球差信息，或是從空間曲面角度上看的較一階斜率更高次的曲率信息，所述曲率信息是二次曲率、三次曲率和四次曲率信息。用單幅遠場子光斑光強分布圖像復原近場子孔徑內(nèi)子波前相位時所用的相位反演算法，是將近場子孔徑內(nèi)光波振幅為均勻分布作為反演計算的前提條件。如圖2所示，典型的哈特曼波前傳感器，主要由縮束系統(tǒng)I、微透鏡陣列2和陣列型光電探測器3為CMOS探測器組成，其中縮束系統(tǒng)I由兩個焦距和口徑均不同的凸透鏡共軸放置構(gòu)成，焦距長口徑大的凸透鏡在前，焦距短口徑小的凸透鏡在后，前一個透鏡的后焦面與后一個透鏡的前焦面重合，縮束系統(tǒng)I主要將入射光束的尺寸縮小到與微透鏡陣列2 口徑匹配，即縮束后光束的尺寸小于微透鏡陣列2的口徑，微透鏡陣列2由16X16個微透鏡排列構(gòu)成，置于縮束系統(tǒng)I之后，每個微透鏡將光波分割并分別聚焦到位于其焦面的陣列型光電探測器3為CMOS探測器上，因此入射平行光在通過縮束系統(tǒng)I并經(jīng)過微透鏡陣列2之后，成像在陣列型光電探測器3為CMOS探測器的靶面上形成光斑陣列圖像，如圖3所示，其中每一個光斑并非一個光點，均帶有一定量的彌散分布信息。本方法利用上述哈特曼波 前傳感器中陣列型光電探測器3為CMOS探測器獲取的光斑陣列圖像，計算各光斑質(zhì)心偏移并記錄各光斑的光強分布信息，哈特曼波前傳感器每個子孔徑內(nèi)波前不再被視為只含傾斜像差的平面，在利用光斑質(zhì)心偏移量復原各個子孔徑內(nèi)波前的傾斜像差或是一階斜率的同時根據(jù)各光斑的光強分布提取對應子孔徑內(nèi)子波前的更多細節(jié)信息，進而提高波前測量結(jié)果的精度。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，通過以下步驟實現(xiàn) 步驟Si:用無像差理想平面光源對哈特曼波前傳感器進行定標，得到無像差光波入射時陣列型光電探測器靶面上的遠場光斑陣列圖像作為定標基準圖像，并計算定標基準圖像上各個光斑質(zhì)心的初始位置； 步驟S2 :含有波前像差的待測光波入射到哈特曼波前傳感器并在陣列型光電探測器靶面上形成遠場光斑陣列圖像，根據(jù)帶波前像差光波入射條件下獲取的遠場光斑陣列圖像，計算帶波前像差光波入射條件下獲取的各個遠場光斑的質(zhì)心位置相對于定標基準圖像上各個光斑質(zhì)心的初始位置的遠場光斑的質(zhì)心偏移量，并記錄帶波前像差光波入射條件下獲取的各個遠場光斑的光強分布信息； 步驟S3 :利用遠場光斑的質(zhì)心偏移量，求出對應哈特曼波前傳感器各子孔徑內(nèi)子波前的傾斜像差分量或一階斜率信息； 步驟S4 :利用遠場光斑的光強分布信息，結(jié)合已測得的子波前的傾斜像差分量或ー階 斜率，通過相位反演算法恢復各子孔徑內(nèi)波前多個細節(jié)信息，獲得對應的哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)由傾斜、離焦等高階像差分量構(gòu)成的或是由一次平面、二次曲面等高次曲面分量組成的子波前； 步驟S5 :用波前復原算法或是拼接方法將步驟S4中獲得的各子孔徑內(nèi)子波前重構(gòu)成整個全孔徑待測光波的波前像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，其特征在于所述步驟S4中的相位反演算法要求只需單幅遠場光強分布圖像就能獲得近場相位分布，所述相位反演算法是GS算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，其特征在于所述步驟S4中的子孔徑內(nèi)波前多個細節(jié)信息是從像差角度上看的較傾斜像差更高階的像差信息，所述像差信息是離焦、像散、慧差和球差信息，或是從空間曲面角度上看的較ー階斜率更高次的曲率信息，所述曲率信息是二次曲率、三次曲率和四次曲率信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，其特征在于用單幅遠場子光斑光強分布圖像復原近場子孔徑內(nèi)子波前相位時所用的相位反演算法，是將近場子孔徑內(nèi)光波振幅為均勻分布作為反演計算的前提條件。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于哈特曼波前傳感器的波前測量方法，利用哈特波前傳感器中陣列型光電探測器所探測到的光斑陣列圖像，獲得每個光斑的強度分布信息和相對于標定時的質(zhì)心位置偏移量，根據(jù)質(zhì)心偏移量，可求出對應子孔徑內(nèi)子波前的傾斜像差信息，再根據(jù)光斑的強度分布信息，用相位反演算法可以求出對應子孔徑內(nèi)子波前的離焦、象散等高階像差信息，兩者結(jié)合構(gòu)成子波前，最終用波前重構(gòu)方法或波面拼接方法將各個子波前重構(gòu)成整個孔徑波前信息；本發(fā)明將原本困擾光斑質(zhì)心計算的光斑彌散分布信息加以利用，獲得子孔徑內(nèi)子波前更多的信息量，使其有利于提高哈特曼波前傳感器的波前探測精度或降低對子孔徑數(shù)量的要求。
文檔編號G01J9/00GK102735348SQ20121019896
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者劉文勁, 晏虎, 楊平, 王帥, 董理治, 許冰, 雷翔 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所