一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學信息測量技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種測量入射光束波前的方法，尤其設(shè) 及一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波前傳感器作為典型的現(xiàn)代光學測量手段，具有高精度、高速、高靈敏度等諸多特 點，已被廣泛地應(yīng)用于自適應(yīng)光學、光學檢測、光電探測、激光通信等領(lǐng)域。尤其是對于自適 應(yīng)光學系統(tǒng)，光波波前的實時探測是實現(xiàn)光束波前像差穩(wěn)定高效校正的一個重要前提。目 前，已有多種波前測量方法得到了實際應(yīng)用，比如剪切干設(shè)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。該些方法各自的技術(shù)特征與性能優(yōu)勢十分不同， 因而分別被用于各種不同應(yīng)用場合，其中哈特曼波前傳感技術(shù)能同時測量兩個方向的波前 斜率，光能利用率較高，結(jié)構(gòu)簡單，并可探測連續(xù)光或脈沖光，已經(jīng)成為目前最流行、應(yīng)用最 廣泛的波前傳感技術(shù)之一。
[0003] 典型的哈特曼波前傳感器可W參見中國專利申請公開說明書（申請?zhí)?98112210. 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 割采樣陣列元件（如微透鏡陣列）將入射波前分割成許多子孔徑，并分別匯聚到焦平面成 像，光電探測器陣列（一般采用CCD探測器或者CMOS探測器）放置于波前分割采樣陣列元 件的焦平面，采集一系列光斑陣列圖像，最終通過各子光斑質(zhì)屯、位置的計算處理獲得所需 的波前相位測量數(shù)據(jù)。哈特曼波前傳感器具備鮮明的技術(shù)特點，但其性能短板也很明顯。其 波前測量精度難W企及剪切干設(shè)儀的水準，從而難W在高精度波前探測領(lǐng)域有所建樹，所 W提升哈特曼波前傳感器波前測量精度一直是研究熱點。
[0004] 哈特曼波前傳感器的波前探測數(shù)據(jù)是通過提取光斑陣列圖像中的有效信息，利用 匹配的哈特曼波前傳感器波前復(fù)原算法重構(gòu)得到的。自哈特曼波前傳感技術(shù)問世W來， 將子孔徑中波前分布視為只含傾斜像差的平面便是其波前探測理論模型的基礎(chǔ)。因此， 目前的哈特曼波前傳感復(fù)原算法中，不論是區(qū)域法（參見"Wave-化ont estimation化om wave-打ont slope measurements", W.H. Southwell. [J].J0SA 70巧），998-1006, 1980) 還是模式法（參見"Wave-front reconstruction using a Shack-Hartmann sensor"， R. G. Lane and M. Tallon. [J]. Appl. Opt. 31 (32)，6902-6908, 1992)，均將上述模型基礎(chǔ)視 為波前復(fù)原算法的前提條件，因而在單個方向上，在每個子孔徑中只提取一個波前傾斜斜 率數(shù)據(jù)點，最終波前復(fù)原的精度W及整個哈特曼波前傳感器的空間分辨率都嚴格受限于波 前分割采樣陣列元件的分辨率。因此，有關(guān)提高哈特曼波前傳感器探測精度的研究主要集 中在提升光斑質(zhì)屯、（或者說是子孔徑內(nèi)波前斜率）的探測精度，其主要目的是在空間分辨 率受限于波前分割采樣陣列元件的條件下，盡可能實現(xiàn)更高準確度的波前復(fù)原，但無法突 破該一根本限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，突破哈特曼波前傳感器測量空 間分辨率受限于波前分割采樣陣列元件分辨率的技術(shù)現(xiàn)狀，在不改變傳感器光學結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)上，通過提供一種新型的哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法，W光斑陣列強度分布 數(shù)據(jù)作為算法分析的核屯、對象，充分提取光斑陣列圖像中蘊含的信息（包括各光斑質(zhì)屯、偏 移和光強彌散分布信息），擺脫波前分割采樣陣列元件分辨率對波前重構(gòu)過程的限制與干 預(yù)，最終解放哈特曼波前傳感器探測的空間分辨率，使波前測量精度得W質(zhì)的提升。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法，其特征 在于通過W下步驟實現(xiàn)超過哈特曼波前傳感器衍射元件陣列分辨率的波前復(fù)原：
[0007] 步驟1 ;已知近場強度分布1。^,和哈特曼波前傳感器衍射元件陣列焦平面上（遠 場）光斑陣列強度分布If"，并選取波前復(fù)原方法中近場波前相位分布初始值4。。"，W實際 近場強度分布1。。"平方根作為近場光波振幅，則有近場光波復(fù)振幅為：
[000引
【主權(quán)項】
1. 一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟1;已知近場強度分布和哈特曼波前傳感器衍射元件陣列焦平面上遠場光斑 陣列強度分布If"，并選取波前復(fù)原方法中近場波前相位分布初始值4。。"，W實際近場強 度分布I。。。,平方根作為近場光波振幅，則有近場光波復(fù)振幅為：
(1) 步驟2;根據(jù)衍射元件陣列的復(fù)振幅透過率函數(shù)，計算近場光波復(fù)振幅E。。。,透過衍射元 件陣列后，傳播至衍射元件陣列焦平面上的遠場光波復(fù)振幅分布理論值：
C2) 式中Af"、4分別為計算遠場光波振幅分布和波前分布； 步驟3 ;將遠場光波復(fù)振幅Ef"對應(yīng)的遠場光強分布理論值IE 12,與實際遠場光斑陣 列強度分布對比，求出兩者差異的均方根值： SSE = rms(|EfJ2-IfJ，做 式中rms表示求均方根；若SSE小于設(shè)定的判定標準，表明本次計算所用近場波前相位 與實際待測波前相位擁有一致的遠場光強分布，則當前近場波前相位4。。"即為實際 近場波前分布，作為復(fù)原方法結(jié)果輸出，超分辨波前復(fù)原方法結(jié)束；若SSE大于設(shè)定的判定 標準，則將遠場實際光強分布平方根作為遠場光波振幅，有變換后遠場光波復(fù)振幅為：
(4) 步驟4 ;利用變化后遠場光波復(fù)振幅Ef"'，計算逆向衍射后對應(yīng)的衍射元件陣列近場 光波復(fù)振幅的理論值：
(5) 式中A。。。,為計算近場光波振幅分布，4為計算近場光波波前分布； 步驟5; W計算的近場光波波前分布4。。"'更新近場光波相位，結(jié)合實際近場強度分 布I。。。,平方根作為近場光波振幅，有更新后近場光波復(fù)振幅為：
(6) 步驟6 ;重新進入復(fù)原方法步驟2,開始新一輪的迭代計算，直至某次迭代復(fù)原運算的 步驟3滿足判定標準，則超分辨波前復(fù)原運算結(jié)束，輸出復(fù)原的近場波前相位結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法，其特征在于： 所述步驟1中的選取波前復(fù)原方法中近場波前相位分布初始值4。。"，是根據(jù)哈特曼波前傳 感器獲得的實際遠場光斑陣列強度分布If"，通過哈特曼波前傳感器模式復(fù)原算法或區(qū)域 復(fù)原算法得到的計算初始值，或是無任何先驗信息的全零值分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法，其特征在于： 所述的衍射元件陣列是對光束進行分割采樣的陣列型衍射器件，使單光束具有多個光點 像，選用二元菲涅爾微透鏡陣列，或連續(xù)表面微透鏡陣列，或梯度折射率微透鏡陣列。


【專利摘要】一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復(fù)原方法，采用經(jīng)典哈特曼波前傳感器的光學結(jié)構(gòu)，利用光電探測器陣列獲取的光斑陣列圖像作為光波遠場頻域信號，根據(jù)微透鏡陣列的復(fù)振幅透過率函數(shù)，通過光學衍射公式和相位反演基本數(shù)理過程，在近場空域波前未知量與遠場頻域光斑陣列已知量之間迭代收斂，最終獲得超微透鏡分辨率的高精度波前測量結(jié)果。本發(fā)明以改造哈特曼波前傳感器復(fù)原算法為手段，擺脫波前復(fù)原分辨率受限于微透鏡陣列分辨率的限制，充分利用哈特曼波前傳感器光斑陣列圖像信息，將困擾光斑質(zhì)心探測的光斑彌散信息加以利用，有效提升波前測量精度，降低對高密度微透鏡陣列的需求和依賴，因而可應(yīng)用于高精度波前探測、弱信號波前探測等領(lǐng)域。
【IPC分類】G01J9-00
【公開號】CN104596650
【申請?zhí)枴緾N201510038465
【發(fā)明人】王帥, 楊平, 許冰, 何星, 劉 文, 董理治, 傅筱瑩, 陳小君
【申請人】中國科學院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月27日