一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法，將哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)波前的斜率和二次曲率數(shù)據(jù)同時作為有效信息，根據(jù)各階像差模式分布構(gòu)成模式斜率曲率關(guān)系矩陣，在獲得實際待測波前在各子孔徑中的斜率和二次曲率數(shù)據(jù)之后，即可利用最小二乘算式計算待測波前中各階像差模式系數(shù)數(shù)據(jù)，最終利用各階像差模式分布以及對應(yīng)系數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)波前；本發(fā)明利用哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)本被忽略的二次曲率信息，充分挖掘有效數(shù)據(jù)，緩解波前復(fù)原能力受限于子孔徑采樣頻率的限制，在相同子孔徑分割條件下，較傳統(tǒng)模式波前復(fù)原方法，有望實現(xiàn)更多的復(fù)原階數(shù)和更高的復(fù)原精度。
【專利說明】一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)信息測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種通過哈特曼波前傳感器復(fù)原入射光 束波前的方法，尤其涉及一種新型的基于子孔徑內(nèi)二次曲率信息的哈特曼波前傳感器模式 波前復(fù)原方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 哈特曼波前傳感器作為一種簡潔高效的光波波前像差測量裝置，已經(jīng)被廣泛的應(yīng) 用于光學(xué)檢測、自適應(yīng)光學(xué)、眼科醫(yī)學(xué)、激光波前診斷、激光通訊等諸多領(lǐng)域。目前常見的哈 特曼波前傳感器主要采用R. V. Shack等人在1971年提出的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，參見"Lenticular Hartmann Screen" [Platt B.C and R.V. Shack. [J]. Opt. Sci.Newsl. 5, 15-16, 1971]，主要 采用微透鏡陣列對光波波前分割取樣，形成許多子孔徑，并將入射的光波分別匯聚到陣列 型光電探測器（常用CCD或CMOS相機(jī)）上，陣列型光電探測器靶面上則形成與子孔徑一一 對應(yīng)的光斑陣列，通過記錄各個子光斑質(zhì)心位置的偏移變化，就可通過計算處理獲得所需 的波前相位測量數(shù)據(jù)。
[0003] 哈特曼波前傳感器的原理結(jié)構(gòu)決定了其對波前像差的重構(gòu)屬于一種間接測量， 其直接測量的數(shù)據(jù)是各子光斑的質(zhì)心偏移，或者說是每個子孔徑內(nèi)波前的傾斜斜率值。 只有結(jié)合特定的波前復(fù)原方法，才能重構(gòu)整個口徑的入射光波波前。目前主流的哈特曼 波前傳感器波前復(fù)原方法有區(qū)域法（參見"Wave-front estimation from wave-front slope measurements，'，W.H. Southwell. [J].J0SA 70 (8) ,998-1006, 1980)和模式法（參 見"Wave-front reconstruction using a Shack-Hartmann sensor"，R. G. Lane and M. Tallon. [J].Appl. Opt. 31 (32) ,6902-6908, 1992)兩種。然而，不論采用何種波前復(fù)原方 法復(fù)原波前，均將各個子孔徑內(nèi)的波前看作是只含傾斜像差的簡單平面，復(fù)原利用的原始 信息都是各個子孔徑內(nèi)的兩維斜率數(shù)據(jù)。這意味著哈特曼波前傳感器對入射波前的采樣是 與微透鏡陣列密度嚴(yán)格一致，即每個子孔徑一個波前斜率采樣點（在一個坐標(biāo)方向上），因 此復(fù)原方法的復(fù)原能力直接受限于子孔徑密度，尤其在子孔徑數(shù)目少、傳感器對波前采樣 稀疏的情況下，只能復(fù)原出入射波前的低階像差或者低頻信息，難以復(fù)原更多的有效信息。 但在探測弱信號目標(biāo)的波前相位信息時，入射光能非常有限，為提高光電探測器上的信噪 t匕，實現(xiàn)哈特曼波前傳感器的有效探測，采用稀疏的子孔徑分割是很有必要的。因而，若能 改造目前的復(fù)原方法，突破僅對子孔徑內(nèi)波前斜率信息進(jìn)行采樣的限制條件，使之在同等 子孔徑密度條件下復(fù)原更多的波前細(xì)節(jié)，或者能保持同等復(fù)原精度條件下，卻以更為稀疏 的子孔徑分割實現(xiàn)，將對進(jìn)一步提升哈特曼波前傳感器的探測能力，擴(kuò)寬其應(yīng)用領(lǐng)域的廣 度和深度均具有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，充分利用哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)波前的信息量， 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模式波前復(fù)原方法，將子孔徑內(nèi) 波前的二次曲率和斜率同時作為波前復(fù)原方法的有效信息，改造傳統(tǒng)的模式波前復(fù)原方 法，充分提高哈特曼波前傳感器的采樣率，從而提升其波前復(fù)原能力。
[0005] 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模式波前復(fù)原方法， 其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)波前復(fù)原：
[0006] 步驟S1 :根據(jù)哈特曼波前傳感器子孔徑排布以及波前描述所采用的像差模式，計 算各階像差模式被子孔徑分割后，落在各子孔徑中的平均斜率和二次曲率大??；
[0007] 步驟S2:構(gòu)建哈特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率矩陣D;
[0008] 步驟S3:計算哈特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率矩陣D的逆矩陣R，即為基 于哈特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率信息的模式復(fù)原矩陣；
[0009] 步驟S4:在哈特曼波前傳感器獲得待測波前分布于各子孔徑的斜率和二次曲率 的原始數(shù)據(jù)向量G之后，即可計算待測波前中的各階像差模式系數(shù)向量
[0010] A=R?G;
[0011] 步驟S5 :根據(jù)各階像差模式分布，利用獲得的像差模式系數(shù)信息，最終復(fù)原待測 波前分布。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點：突破傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器模式復(fù)原方法對 初始數(shù)據(jù)的需求限制，將各子孔徑內(nèi)波前的二次曲率引入哈特曼波前傳感器模式波前復(fù)原 方法，充分增加波前復(fù)原計算的有效信息；本發(fā)明能夠有效緩解哈特曼波前傳感器的測量 精度嚴(yán)重受限于子孔徑排布密度的技術(shù)現(xiàn)狀，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠在同等子孔徑密度條 件下復(fù)原更多的波前細(xì)節(jié)，提升波前復(fù)原精度，或者能在保持同等復(fù)原精度條件下，以更為 稀疏的子孔徑排布密度實現(xiàn)。本發(fā)明充分提高了對哈特曼波前傳感器對子孔徑內(nèi)波前有效 信息的挖掘和利用，突破了傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器波前復(fù)原方法的復(fù)原能力嚴(yán)重受限于子 孔徑采樣頻率的限制，有助于提升波前復(fù)原精度或者降低對子孔徑排布密度的要求，有望 應(yīng)用于弱光波前探測、眼科醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的哈特曼波前傳感器基本結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明所述的基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法流程圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)方法波前復(fù)原重構(gòu)結(jié)果對比圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)方法模式系數(shù)復(fù)原結(jié)果對比圖。

【具體實施方式】
[0017] 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(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]如圖1是典型的哈特曼波前傳感器結(jié)構(gòu)，主要由縮束系統(tǒng)1、微透鏡陣列2和光電 探測探測器陣列3構(gòu)成，其中縮束系統(tǒng)1由兩個或者兩組焦距不同的透鏡同軸共焦組成，縮 束系統(tǒng)1是光學(xué)匹配結(jié)構(gòu)，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 后光束的尺寸不大于微透鏡陣列2的口徑，微透鏡陣列2由6X6個微透鏡排列構(gòu)成，置于 縮束系統(tǒng)1之后，每個微透鏡將光波分割取樣并分別聚焦到位于微透鏡陣列2焦面的光電 探測器陣列3上，并在其靶面上形成光斑陣列圖像。傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器模式復(fù)原方 法要求探測每個光斑的質(zhì)心偏移，得到每個子孔徑內(nèi)波前斜率信息，然后利用事先算好的 斜率關(guān)于模式系數(shù)的復(fù)原矩陣計算得到入射光束中各階像差模式系數(shù)，最終用各階像差模 式重構(gòu)波前。本發(fā)明所述模式復(fù)原方法不僅需要每個子孔徑內(nèi)波前斜率信息，而且同時采 用每個子孔徑內(nèi)二次曲率信息，事先構(gòu)建復(fù)原矩陣的時候同樣引入子孔徑二次曲率信息， 也就是說將哈特曼波前傳感器子孔徑內(nèi)二次曲率作為有效數(shù)據(jù)，使之參與波前復(fù)原的整個 運算過程，如圖2流程圖所示，結(jié)合實施例的具體步驟包括：
[0019] 步驟S1 :將哈特曼波前傳感器子孔徑被波前分布看作具有如下形式：
[0020] Wfsnb =axx+avy+x2 +axvxy+ayly2, (1)
[0021] 其中x、y為直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)，ax、ay為沿x、y坐標(biāo)軸方向的平均斜率， 0^為二次曲率系數(shù)。根據(jù)上述哈特曼波前傳感器子孔徑排布以及前65階Zernike像差模 式，計算各階Zernike像差模式分布被子孔徑分割后，落在各子孔徑中的平均斜率和二次 曲率大小。
[0022] 步驟S2 :構(gòu)建哈特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率矩陣D :
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法，其特征在于：通過以下步驟實現(xiàn) 波前復(fù)原： 步驟Sl:根據(jù)哈特曼波前傳感器子孔徑排布以及波前描述所采用的像差模式，計算各 階像差模式被子孔徑分割后，落在各子孔徑中的平均斜率和二次曲率大?。? 步驟S2 :構(gòu)建哈特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率矩陣D; 步驟S3 :計算哈特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率矩陣D的逆矩陣R，即為基于哈 特曼波前傳感器子孔徑斜率和二次曲率信息的模式復(fù)原矩陣； 步驟S4 :在哈特曼波前傳感器獲得待測波前分布于各子孔徑的斜率和二次曲率的原 始數(shù)據(jù)向量G之后，即可計算待測波前中的各階像差模式系數(shù)向量： A=R·G; (1) 步驟S5 :根據(jù)各階像差模式分布，利用獲得的像差模式系數(shù)信息，最終復(fù)原待測波前 分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法，其特征在 于：所述步驟Sl中的各子孔徑中的平均斜率和二次曲率，是將子孔徑內(nèi)波前分布看作具有 如下形式： wLllb = axx+ayv + αχ2 χ2 +αχ1 .τν+ a ^y1, (2) 其中Wfsub表示子孔徑內(nèi)波前分布，x、y為直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)，ax、ay為沿x、y坐標(biāo)軸方 向的平均斜率，、\v、為二次曲率系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于哈特曼波前傳感器模式波前復(fù)原方法，其特征在 于：所述步驟S2中的矩陣D具有如下形式：
式中、<1,分別表示第1階像差模式在第k個子孔徑內(nèi)波 前分布中沿X方向平均斜率、沿y方向平均斜率、X2項曲率系數(shù)、xy項曲率系數(shù)和y2項曲 率系數(shù)，1取值為1至n,k取值為1至m,η為波前復(fù)原像差模式階數(shù),m為哈特曼波前傳感 器有效子孔徑數(shù)目。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法，其特征在 于：所述步驟S4中的原始數(shù)據(jù)矩陣G為列向量，具有如下形式：
式中Tf、if、分別表示待測波前在第k個子孔徑內(nèi)波前分布沿叉方 向平均斜率、沿y方向平均斜率、X2項曲率系數(shù)、Xy項曲率系數(shù)和y2項曲率系數(shù)，k取值為 1至m，m為哈特曼波前傳感器有效子孔徑數(shù)目。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法，其特 征在于：所述像差模式可以是Zernike多項式、Legendre多項式以及其他正交完備函數(shù)序 列。
【文檔編號】G06F19/00GK104239740SQ201410506076
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】王帥, 楊平, 許冰, 何星, 劉文勁, 董理治 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所