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(xué)信息測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種測(cè)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(xué)測(cè)量手段，具有高精度、高速、高靈敏度等諸多特 點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)檢測(cè)、光電探測(cè)、激光通信等領(lǐng)域。尤其是對(duì)于自適 應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，光波波前的實(shí)時(shí)探測(cè)是實(shí)現(xiàn)光束波前像差穩(wěn)定高效校正的一個(gè)重要前提。目 前，已有多種波前測(cè)量方法得到了實(shí)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(shì)十分不同， 因而分別被用于各種不同應(yīng)用場(chǎng)合，其中哈特曼波前傳感技術(shù)能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的波前 斜率，光能利用率較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可探測(cè)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(guó)專利申請(qǐng)公開說明書（申請(qǐng)?zhí)?98112210. 8,公開號(hào)CN1245904)公開的一種光學(xué)波前傳感器，其實(shí)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(cè)器陣列（一般采用CCD探測(cè)器或者CMOS探測(cè)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(jì)算處理獲得所需 的波前相位測(cè)量數(shù)據(jù)。哈特曼波前傳感器具備鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，但其性能短板也很明顯。其 波前測(cè)量精度難W企及剪切干設(shè)儀的水準(zhǔn)，從而難W在高精度波前探測(cè)領(lǐng)域有所建樹，所 W提升哈特曼波前傳感器波前測(cè)量精度一直是研究熱點(diǎn)。
[0004] 哈特曼波前傳感器的波前探測(cè)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(cè)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(gè)方向上，在每個(gè)子孔徑中只提取一個(gè)波前傾斜斜 率數(shù)據(jù)點(diǎn)，最終波前復(fù)原的精度W及整個(gè)哈特曼波前傳感器的空間分辨率都嚴(yán)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(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)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(cè)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(xué)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(qiáng)度分布 數(shù)據(jù)作為算法分析的核屯、對(duì)象，充分提取光斑陣列圖像中蘊(yùn)含的信息（包括各光斑質(zhì)屯、偏 移和光強(qiáng)彌散分布信息），擺脫波前分割采樣陣列元件分辨率對(duì)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(cè)的空間分辨率，使波前測(cè)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)度分布1。^,和哈特曼波前傳感器衍射元件陣列焦平面上（遠(yuǎn) 場(chǎng)）光斑陣列強(qiáng)度分布If"，并選取波前復(fù)原方法中近場(chǎng)波前相位分布初始值4。。"，W實(shí)際 近場(chǎng)強(qiáng)度分布1。。"平方根作為近場(chǎng)光波振幅，則有近場(chǎng)光波復(fù)振幅為：
[000引
【主權(quán)項(xiàng)】
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(chǎng)強(qiáng)度分布和哈特曼波前傳感器衍射元件陣列焦平面上遠(yuǎn)場(chǎng)光斑 陣列強(qiáng)度分布If"，并選取波前復(fù)原方法中近場(chǎng)波前相位分布初始值4。。"，W實(shí)際近場(chǎng)強(qiáng) 度分布I。。。,平方根作為近場(chǎng)光波振幅，則有近場(chǎng)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(jì)算近場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅分布理論值：
C2) 式中Af"、4分別為計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)光波振幅分布和波前分布； 步驟3 ;將遠(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅Ef"對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布理論值IE 12,與實(shí)際遠(yuǎn)場(chǎng)光斑陣 列強(qiáng)度分布對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，表明本次計(jì)算所用近場(chǎng)波前相位 與實(shí)際待測(cè)波前相位擁有一致的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，則當(dāng)前近場(chǎng)波前相位4。。"即為實(shí)際 近場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)，則將遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)際光強(qiáng)分布平方根作為遠(yuǎn)場(chǎng)光波振幅，有變換后遠(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅為：
(4) 步驟4 ;利用變化后遠(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅Ef"'，計(jì)算逆向衍射后對(duì)應(yīng)的衍射元件陣列近場(chǎng) 光波復(fù)振幅的理論值：
(5) 式中A。。。,為計(jì)算近場(chǎng)光波振幅分布，4為計(jì)算近場(chǎng)光波波前分布； 步驟5; W計(jì)算的近場(chǎng)光波波前分布4。。"'更新近場(chǎng)光波相位，結(jié)合實(shí)際近場(chǎng)強(qiáng)度分 布I。。。,平方根作為近場(chǎng)光波振幅，有更新后近場(chǎng)光波復(fù)振幅為：
(6) 步驟6 ;重新進(jìn)入復(fù)原方法步驟2,開始新一輪的迭代計(jì)算，直至某次迭代復(fù)原運(yùn)算的 步驟3滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，則超分辨波前復(fù)原運(yùn)算結(jié)束，輸出復(fù)原的近場(chǎng)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(chǎng)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(shí)際遠(yuǎn)場(chǎng)光斑陣列強(qiáng)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(jì)算初始值，或是無任何先驗(yàn)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(duì)光束進(jìn)行分割采樣的陣列型衍射器件，使單光束具有多個(gè)光點(diǎn) 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(xué)結(jié)構(gòu)，利用光電探測(cè)器陣列獲取的光斑陣列圖像作為光波遠(yuǎn)場(chǎng)頻域信號(hào)，根據(jù)微透鏡陣列的復(fù)振幅透過率函數(shù)，通過光學(xué)衍射公式和相位反演基本數(shù)理過程，在近場(chǎng)空域波前未知量與遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)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(cè)的光斑彌散信息加以利用，有效提升波前測(cè)量精度，降低對(duì)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(cè)、弱信號(hào)波前探測(cè)等領(lǐng)域。
【IPC分類】G01J9-00
【公開號(hào)】CN104596650
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月27日