[發(fā)明專利]一種基于深度學(xué)習(xí)的哈特曼波前傳感器模式波前復(fù)原方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910312442.2
• 申請日: 2019-04-18
• 公開（公告）號(hào): CN110044498B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭友明;田雨;饒學(xué)軍;饒長輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G01J9/00
• 分類號(hào): G01J9/00;G06N3/02;G06N3/08
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種基于深度學(xué)習(xí)的哈特曼波前傳感器模式波前復(fù)原方法，使用哈特曼波前傳感器的焦平面相機(jī)采集到的圖像作為輸入，使用經(jīng)過訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對該圖像進(jìn)行運(yùn)算，直接得到哈特曼波前傳感器入射光波前的模式系數(shù)。相對于傳統(tǒng)基于子孔徑平均斜率的波前復(fù)原方法，本發(fā)明提供的方法可以從焦平面相機(jī)圖像中處理包括子孔徑光斑位置和光斑形態(tài)在內(nèi)的更多信息，能夠更有效地減小單純依靠平均斜率而導(dǎo)致的模式混淆和模式耦合誤差。在同樣的焦平面相機(jī)測量噪聲強(qiáng)度下，本方法能夠以更高的精度復(fù)原出更高階的模式系數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)信息測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量光學(xué)波前的方法，特別涉及一種基于深度學(xué)習(xí)的哈特曼波前傳感器模式波前復(fù)原方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有哈特曼波前傳感器的模式波前復(fù)原方法通常根據(jù)各子孔徑的平均斜率重構(gòu)出像差模式的系數(shù)(Guang-ming Dai,“Modal wave-front reconstruction with Zernikepolynomials and Karhunen–Loève functions,”J.Opt.Soc.Am.A13,1218-1225，1996)。平均斜率的獲取依賴于子孔徑圖像的質(zhì)心計(jì)算，每一個(gè)子孔徑通常只能得到x和y方向兩個(gè)斜率。這在子孔徑入射光波前像差僅包含傾斜，不存在離焦及更高階次的像差時(shí)是成立的，然而當(dāng)哈特曼波前傳感器的入射光波前畸變的空間頻率明顯高于哈特曼子孔徑的采樣率時(shí)，傳統(tǒng)波前復(fù)原方法將面臨很大的模式混淆誤差(Jan Herrmann,“Cross coupling andaliasing in modal wave-front estimation,”J.Opt.Soc.Am.71,989-992，1981)，即哈特曼波前傳感器在模式重構(gòu)時(shí)將高階像差引起的波前斜率的變化重構(gòu)為低階模式像差。利用傳統(tǒng)波前復(fù)原方法，這些引起混淆的高階模式像差不但無法測量，還會(huì)影響低階像差的測量精度。

上述問題的根源在于傳統(tǒng)方法在對哈特曼波前傳感器采集到的圖像進(jìn)行處理的過程中使用了各子孔徑平均斜率組成的斜率向量來表征模式。這個(gè)斜率向量的維度最多只能為哈特曼波前傳感器有效子孔徑數(shù)的兩倍，并且由于某些階次像差的斜率向量過于接近，在探測噪聲的影響下還會(huì)引起明顯的模式耦合。如果能夠以更多維度的特征來表征波前像差，則不同模式的區(qū)分度將得到有效的提升，模式間的混淆與耦合也能得到更好的抑制，從而提高哈特曼波前傳感器的模式復(fù)原階次和相位復(fù)原精度。

其實(shí)，模式的所有特征都來源于哈特曼波前傳感器所采集的圖像。如果能夠直接建立模式系數(shù)與哈特曼波前傳感器采集圖像之間的映射關(guān)系，而不借助于引起特征降維的子孔徑平均波前斜率計(jì)算這一過程，則有望大幅提高哈特曼波前傳感器可準(zhǔn)確復(fù)原的模式階次。發(fā)明專利ZL201210237127.6曾提出以傳統(tǒng)哈特曼波前傳感器得到的波前探測像差作為起始點(diǎn)，利用迭代算法反復(fù)在波前像差與子孔徑光斑間進(jìn)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)來提高哈特曼波前傳感器的測量精度。但是該方法需要的迭代過程將限制其在如自適應(yīng)光學(xué)等實(shí)時(shí)性要求較高的場景下的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何直接利用哈特曼波前傳感器采集的子孔徑光斑圖像獲取波前像差模式系數(shù)，從而提高哈特曼波前傳感器的模式復(fù)原階次。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于深度學(xué)習(xí)的哈特曼波前傳感器模式波前復(fù)原方法，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接對哈特曼波前傳感器采集的圖像進(jìn)行計(jì)算以復(fù)原出入射光波前的模式系數(shù)，具體步驟如下：