[發明專利]一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復原方法

在審

• 申請號: 201410506076.1
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104239740A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 王帥;楊平;許冰;何星;劉文勁;董理治
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01J9/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明屬于光學信息測量技術領域，涉及一種通過哈特曼波前傳感器復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二次曲率信息的哈特曼波前傳感器模式波前復原方法。

背景技術

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，已經被廣泛的應用于光學檢測、自適應光學、眼科醫學、激光波前診斷、激光通訊等諸多領域。目前常見的哈特曼波前傳感器主要采用R.V.Shack等人在1971年提出的改進型結構，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)上，陣列型光電探測器靶面上則形成與子孔徑一一對應的光斑陣列，通過記錄各個子光斑質心位置的偏移變化，就可通過計算處理獲得所需的波前相位測量數據。

哈特曼波前傳感器的原理結構決定了其對波前像差的重構屬于一種間接測量，其直接測量的數據是各子光斑的質心偏移，或者說是每個子孔徑內波前的傾斜斜率值。只有結合特定的波前復原方法，才能重構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原方法有區域法(參見“Wave-front?estimation?from?wave-front?slope?measurements”,W.H.Southwell.[J].JOSA?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原方法復原波前，均將各個子孔徑內的波前看作是只含傾斜像差的簡單平面，復原利用的原始信息都是各個子孔徑內的兩維斜率數據。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格一致，即每個子孔徑一個波前斜率采樣點(在一個坐標方向上)，因此復原方法的復原能力直接受限于子孔徑密度，尤其在子孔徑數目少、傳感器對波前采樣稀疏的情況下，只能復原出入射波前的低階像差或者低頻信息，難以復原更多的有效信息。但在探測弱信號目標的波前相位信息時，入射光能非常有限，為提高光電探測器上的信噪比，實現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，若能改造目前的復原方法，突破僅對子孔徑內波前斜率信息進行采樣的限制條件，使之在同等子孔徑密度條件下復原更多的波前細節，或者能保持同等復原精度條件下，卻以更為稀疏的子孔徑分割實現，將對進一步提升哈特曼波前傳感器的探測能力，擴寬其應用領域的廣度和深度均具有重要的意義。

發明內容

為了克服現有技術的不足，充分利用哈特曼波前傳感器子孔徑內波前的信息量，為此，本發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原方法，將子孔徑內波前的二次曲率和斜率同時作為波前復原方法的有效信息，改造傳統的模式波前復原方法，充分提高哈特曼波前傳感器的采樣率，從而提升其波前復原能力。

為實現所述目的，本發明提供一種基于哈特曼波前傳感器的模式波前復原方法，其特征在于通過以下步驟實現波前復原：

步驟S1：根據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小；

步驟S2：構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據向量G之后，即可計算待測波前中的各階像差模式系數向量

A＝R·G；

步驟S5：根據各階像差模式分布，利用獲得的像差模式系數信息，最終復原待測波前分布。