專利名稱：一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及夏克-哈特曼波前傳感器測量的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，可以減少空間采樣率不足對于夏克-哈特曼波前傳感器探測精度的影響。
背景技術(shù)：
夏克-哈特曼波前傳感器是在經(jīng)典哈特夏克-哈特曼測量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的波前測量儀器。它與傳統(tǒng)的數(shù)字式干涉儀比較具有結(jié)構(gòu)簡單、沒有移動部件、抗振動能力強、對被測光的相干性沒有要求、使用時無需參考光、可實時記錄波前變化過程、并同時適用于連續(xù)光和脈沖光的測量等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的實時波前探測、激光器光束質(zhì)量診斷、大口徑光學(xué)件面形檢測以及記錄鏡面連續(xù)變化過程中。夏克-哈特曼傳感器是一種以波前斜率測量為基礎(chǔ)的波前測試儀器。它能以高的時間分辨率和空間分辨率提供光束相位和振幅(光強)的動態(tài)時空分布。如專利附I所示，在傳感器中用孔徑分割元件(微透鏡陣列)，將入射孔徑分割成許多子孔徑，入射波前分別會聚在子孔徑焦點上形成子孔徑光斑陣列，探測被測波前的子孔徑光斑相對標(biāo)定光的偏移量就能測量出光瞳面上各個子孔徑內(nèi)波前的平均二維斜率(即局部波前斜率)，根據(jù)這些斜率數(shù)據(jù)經(jīng)過波前復(fù)原算法即可以重構(gòu)出被測光束近場相位分布和遠(yuǎn)場焦斑信肩、O夏克-哈特曼波前傳感器最大的缺點在于子孔徑陣列數(shù)有限，導(dǎo)致空間采樣率較低，當(dāng)待測波前像差含有較多高階成分時此弱點則更為明顯。為了探測分析平面上一個點的像差需要，需要使用CCD上數(shù)十個點參與計算。若增加子孔徑陣列數(shù)(換取更高空間分辨率)又將導(dǎo)致單個子孔徑內(nèi)的像素點減少，影響整個傳感器的動態(tài)范圍。更為不利的是，減少子孔徑內(nèi)的像素數(shù)會使子孔徑的衍射光斑進入相鄰子孔徑內(nèi)，影響質(zhì)心計算的精度。另一方面，現(xiàn)有夏克-哈特曼波前傳感器的波前復(fù)原算法只是利用了子孔徑內(nèi)光斑進行一階矩的計算(傾斜)，大量光斑形態(tài)信息并未使用。這實際上是極大的浪費，若能充分利用光斑的形態(tài)特征則有可能進一步提高夏克-哈特曼波前傳感器的測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有夏克-哈特曼傳感器的不足，提出一種基于迭代算法的波前復(fù)原方法以克服空間分辨率不足的問題，實現(xiàn)提高夏克-哈特曼傳感器探測精度的目的。該發(fā)明充分利用夏克-哈特曼波前傳感器的光斑信息，不需要對夏克-哈特曼傳感器的硬件做任何改動，只要傳感器可以正常工作，都能夠提高測量精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是方案I、一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，該方法包括如下步驟步驟(I)、記錄夏克-哈特曼波前傳感器探測到的初始波前像差％(x，y)、子孔徑排布Pi (X，y)以及哈特曼點陣StlU, y),其中i彡M, M為子孔徑數(shù)；步驟(2)、將初始波前像差％(^)根據(jù)子孔徑排布Pi (X，y)在計算機上對做區(qū)域分割并進行二次成像，得到哈特曼點陣Sest (x，y)；步驟(3)、根據(jù)子孔徑排布Pi (x, y)計算各個子孔徑的質(zhì)心坐標(biāo)(gjU，gy，i)并得到各個子孔徑的斜率；步驟(4)、將各個子孔徑的斜率斜率復(fù)原為波前像差；步驟(5)、估計出的波前像差Ux,.V)根據(jù)子孔徑排布在計算機上重新做區(qū)域分割并進行二次成像，得到新的哈特曼點陣S’ est(x, y);為保持迭代過程符號一致，令Sest (x, y) = S' est(x, y)；步驟(6)、度量SciUy)與Sest(x，y)的相似性，并以此作為迭代停止條件，若滿足迭代停止條件的要求則輸出波前像差;否則轉(zhuǎn)向步驟(3)繼續(xù)迭代。方案2、所述步驟(I)中的由夏克-哈特曼波前傳感器計算得到
則由夏克-哈特曼波前傳感器的CCD元件給出；Pi (x, y)由夏克-哈特曼波前傳感器的微透鏡排布得到
權(quán)利要求
1.一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于該方法包括如下步驟 步驟(I)、記錄夏克-哈特曼波前傳感器探測到的初始波前像差、子孔徑排布Pi (X，y)以及哈特曼點陣SQ(X, y),其中i彡M, M為子孔徑數(shù)； 步驟(2)、將初始波前像差％(^，)根據(jù)子孔徑排布Pi (x, y)在計算機上對做區(qū)域分割并進行二次成像，得到哈特曼點陣Sest (x，y)； 步驟(3)、根據(jù)子孔徑排Wpi (x，y)計算各個子孔徑的質(zhì)心坐標(biāo)(kpgyj并得到各個子孔徑的斜率； 步驟(4)、將各個子孔徑的斜率斜率復(fù)原為波前像差I(lǐng)f(U); 步驟(5)、估計出的波前像差_>’)根據(jù)子孔徑排布在計算機上重新做區(qū)域分割并進行二次成像，得到新的哈特曼點陣S’ est(x, y);為保持迭代過程符號一致，令
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(I)中的由夏克-哈特曼波前傳感器計算得到丨而^^ y)則由夏克-哈特曼波前傳感器的CCD元件給出；Pi (x, y)由夏克-哈特曼波前傳感器的微透鏡排布得到
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(2)中使用Pi(x，y)對進行分割的方法是 對應(yīng)的第i個子孔徑，其中i < M，有
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(2)中得到哈特曼點陣Sest(x，y)的方法是 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的方法將％(1，>>)劃分為11個％,,(^)，再將其代入下式計算每個子孔徑的光強分布
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法其特征在于所述步驟(3)中計算子孔徑光斑質(zhì)心坐標(biāo)(gjU，gyi)的方法是 對于每一個子孔徑SesU(Xj)計算出的質(zhì)心坐標(biāo)(gx,i，gyi)分別是
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(3)中計算每個子孔徑斜率的方法是
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(4)中從斜率恢復(fù)為波前像差φest(x，y)，的方法是
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(5)中通過φest(x，y)得到新的哈特曼點陣S’ est(x, y)的方法是 按照權(quán)利要求3中的方法將φest(x，y)，根據(jù)Pi (X，y)劃分為M個φest,j(x，y)，其中i≤M，再將其代入下式
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟(6)中度量Sest與Stl相似性的方法是 每個子孔徑的大小是cxXcy，計算對應(yīng)位置SMiUy)與ScuUy)的互相關(guān)
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高夏克-哈特曼波前傳感器測量精度的波前重構(gòu)方法，該方法以傳統(tǒng)夏克-哈特曼波前傳感器得到的波前探測像差作為起始點，利用迭代算法反復(fù)在波前像差與子孔徑光斑間進行循環(huán)，通過比較迭代出的子孔徑光斑與初始子孔徑光斑間的形態(tài)判斷迭代是否已經(jīng)到位，最后得到高精度的波前像差分布。本發(fā)明可以克服夏克-哈特曼波前傳感器空間采樣率不足的弱點，進一步提高其探測精度與探測能力，并降低對夏克-哈特曼波前傳感器硬件的要求。
文檔編號G01J9/00GK102749143SQ20121023712
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者田雨, 饒學(xué)軍, 饒長輝 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所