CN101261161A - 大动态范围的哈特曼波前传感器及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种大动态范围的哈特曼波前传感器及其测试方法，其结构包括由平面波参考源、分光镜、光学匹配系统、波面分割阵列、光电探测器阵列和计算机组成的哈特曼波前传感器，其特点是还有一平移台，所述的光电探测器阵列固定在该平移台上。当畸变波前超出哈特曼波前传感器的固有动态范围时，通过平移台控制光电探测器的移动，并由光电探测器阵列分别测出光敏面初始状态和离焦状态下每个光斑的质心坐标。根据离焦量、波面分割阵列的周期、焦距及每个光斑质心在离焦状态下的位移量，由光斑所属子孔径识别算法计算出该光斑实际归属的孔径区域，从而实现对超出动态范围光斑的正确识别。本发明有效地提高了传统哈特曼波前传感器的测量动态范围。

Description

大动态范围的哈特曼波前传感器及其测试方法

技术领域

本发明涉及光学波前传感器，特别是一种具有大动态范围的哈特曼波前传感器及其测试方法。

背景技术

哈特曼波前传感器通常由波面分割阵列(通常选用微透镜阵列)、光电探测器阵列(通常选用CCD探测器)、计算机和数据处理软件等部分组成。微透镜阵列中的子透镜将入射波面分割成相应的子孔径区域，并且将子孔径范围内的光束聚焦到CCD探测器的光敏面上。通过图像采集信号控制CCD探测器采集光斑阵列的图像信息，再把采集到的图像信息传输给计算机，由计算机的数据处理软件计算出畸变波面光斑质心坐标与参考波前质心坐标之差，从而获得每个子区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状。

然而传统哈特曼波前传感器的动态范围由微透镜阵列子透镜的焦距和孔径大小所决定，因为微透镜阵列的子孔径将CCD探测器的光敏面分割成相应假设的子区域(如图2所示)，超出该子区域限制的光斑将无法被正确识别。当微透镜阵列的子透镜的焦距和孔径大小固定后，哈特曼波前传感器的动态范围也就随之确定了，因此为了满足不同动态范围和精度的光学波前检测要求，就得设计不同参数的哈特曼波前传感器。

当入射波前畸变量超出哈特曼波前传感器的动态范围时，主要有以下三种可能的情况：

1)某些CCD光敏面子区域内接收到两个或两个以上光斑，如图3的子区域6-2所示；

2)某些CCD光敏面子区域内有两个或两个以上的光斑发生交叠；

3)相邻两个子透镜的光束聚焦过程发生交叉，光斑顺序发生错位，如图3子区域6-4、6-5所示。

目前，文献Junwon Lee etc.，“Sorting method to extend thedynamic range of the Shack-Hartmann wave-front sensor”，APPLIEDOPTICS，Vol.44，pp.4838-4844(2005)，提出一种光斑识别的算法：根据光斑阵列图中每个光斑质心坐标的大小，将其逐一进行排列识别。该算法可以有效地识别如图3子区域6-2所示情况下的光斑子孔径归属，提高了哈特曼波前传感器的动态范围。但是当光斑顺序发生错位时，即图3子区域6-4、6-5所示的情况，该算法就将对光斑所属子孔径产生误识别，由此计算得出的波前信息是不可靠的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服上述现有技术的不足，提供一种大动态范围的哈特曼波前传感器及其测试方法，对光斑所属区域进行正确识别，以获得大动态范围的入射波前的波面形状。

本发明的技术解决方案如下：

一种大动态范围的哈特曼波前传感器，包括由平面波参考源、分光镜、光学匹配系统、波面分割阵列、光电探测器阵列和具有数据处理软件的计算机组成的哈特曼波前传感器，其特点是还有一平移台，所述的光电探测器阵列固定在该平移台上，驱动该平移台运动，带动所述的光强探测器阵列沿其光敏面的法线方向移动。

所述的波面分割阵列为微透镜阵列。

所述的光电探测器阵列采用CCD探测器或CMOS探测器。

所述的一维平移台选用高精度、高稳定性的平移台，该平移台为手动控制或步进电机控制。

上述的大动态范围的哈特曼波前传感器的测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①所述的大动态范围的哈特曼波前传感器处于工作状态，输入待测的入射波前，所述的光强探测器阵列的光敏面位于所述的波面分割阵列的焦平面并采集光斑阵列图输入所述的计算机；

②对该光斑阵列图进行波前畸变量大小进行预判断：如果图中出现了子区域光斑缺省或者子区域有多光斑的情况，则判定为大畸变波前，反之判定为小畸变波前；

③当入射波前为小畸变波前时，计算出每个光斑的质心坐标，并算出与参考波前相应孔径内光斑质心坐标的差值，获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状；

④当入射波前为大畸变波前时，由于初始状态下的光斑阵列图中部分光斑发生越界，需要额外信息来识别越界光斑的所属子孔径区域，采用光斑所属子孔径识别算法进行数据处理：

首先在光电探测器阵列(6)初始位置下，测出每个焦斑Y方向质心坐标Yt1，而该光斑所属子区域参考光斑Y方向质心坐标为Yr1，相对位移量为Yt1-Yr1；

然后控制一维平移台(7)运动，带动所述的光电探测器(6)移动到离焦量为Δf的位置(6’)，再次计算出此时的光斑质心相对位移量为Yt2-Yr2；

最后根据离焦量Δf、位移量差值Yt1-Yr1-Yt2+Yr2和微透镜阵列的焦距f，计算出该光斑相对其实际的归属孔径区域的坐标偏差量为f×(Yt1-Yr1-Yt2+Yr2)/Δf，由此可以准确识别该光斑实际归属的区域；在二维坐标下，只要再增加一次在X方向上的识别过程，方法跟Y方向识别过程相同；

⑤完成了越界光斑所属子孔径的识别后，便可以得到光电探测器阵列(6)在初始状态下每个光斑质心坐标和其实际所属参考光斑质心坐标的差值，从而获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状。

本发明的优点是，通过对越界光斑所属子孔径区域的正确识别，由于没有改变波前分割器的采样周期和焦距、可以在不降低哈特曼波前传感器的测量精度和灵敏度的前提下，有效地提高了哈特曼波前传感器的测量动态范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是哈特曼波前传感器子孔径区域示意图；

图3是本发明的原理示意图；

图4是CCD探测器象素阵列坐标示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明实施例的结构示意图，由图可见，本发明大动态范围的哈特曼波前传感器，包括由平面波参考源3、分光镜2、光学匹配系统4、波面分割阵列5、光电探测器阵列6和具有数据处理软件的计算机组成的哈特曼波前传感器，其特征是还有一平移台7，所述的光电探测器阵列6固定在该平移台7上，驱动该平移台7运动，带动所述的光强探测器阵列6沿其光敏面的法线方向移动。

本实施例中所述的波面分割阵列5为微透镜阵列。所述的光电探测器阵列6采用CCD探测器。所述的平移台7选用高精度、高稳定性的平移台，该平移台为步进电机控制。

利用所述的大动态范围的哈特曼波前传感器的测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①所述的大动态范围的哈特曼波前传感器处于工作状态，输入待测的入射波前1，所述的光强探测器阵列6的光敏面位于所述的波面分割阵列5的焦平面并采集光斑阵列图输入所述的计算机；

②所述的计算机进行数据处理，计算出每个光斑的质心坐标，参见图4，图中光斑X和Y方向的质心坐标的计算方法为：

$\mathrm{Xc}=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ij}}\×I_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ij}}},$ $\mathrm{Yc}=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}\×I_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ij}}}$

其中i，j为光斑所占区域内光电探测器像素的编号，X_ij和Y_ij分别为编号为i、j的像素点的横坐标值和纵坐标值，I_ij为编号为i、j的像素点的灰度值，即光强大小。

根据光斑的质心坐标，对该光斑阵列图进行波前畸变量大小预判断机制：如果图中出现了子区域光斑缺省或者子区域有多光斑的情况，则判定为大畸变波前，反之判定为小畸变波前；

③当入射波前为小畸变波前时，根据初始状态下已计算的光斑质心坐标，算出其与参考波前相应孔径内光斑质心坐标的差值，获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状；

④当入射波前为大畸变波前时，由于初始状态下的光斑阵列图中部分光斑发生越界，需要额外信息来识别越界光斑的所属子孔径区域，采用光斑所属子孔径识别算法进行数据处理：

首先在光电探测器阵列(6)初始位置下，已计算得焦斑Y方向质心坐标Yt1，而该光斑所属子区域参考光斑Y方向质心坐标为Yr1，相对位移量为Yt1-Yr1；

然后控制一维平移台(7)运动，带动所述的光电探测器(6)移动到离焦量为Δf的位置(6’)，再次计算出此时的光斑质心相对位移量为Yt2-Yr2；

最后根据离焦量Δf、位移量差值Yt1-Yr1-Yt2+Yr2和微透镜阵列的焦距f，计算出该光斑相对其实际的归属孔径区域的坐标偏差量为f×(Yt1-Yr1-Yt2+Yr2)/Δf，由此可以准确识别该光斑实际归属的区域；在二维坐标下，只要再增加一次在X方向上的识别过程，方法跟Y方向识别过程相同；

⑤完成了越界光斑所属子孔径的识别后，便可以得到光电探测器阵列(6)在初始状态下每个光斑质心坐标和其实际所属参考光斑质心坐标的差值，从而获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状。

举例说明：

下面以图3中子区域6-4中的焦斑为例，介绍本发明在大畸变波前情况下的实施过程，图3为一维情况，坐标正方向如图3中Y方向所示。首先在光电探测器阵列6初始位置下，测出此时子区域6-4中焦斑Y方向质心坐标，并且计算出它相对于该区域参考光斑Y方向质心的位移量为-ΔP1。然后通过控制一维平移台7，驱动光电探测器6移动到离焦量为Δf的位置6’，再次计算出此时的光斑质心相对位移量为ΔP2。最后根据离焦量Δf、位移量差值-(ΔP1+ΔP2)和微透镜阵列的焦距f等信息，计算出该光斑相对其实际的归属孔径区域的坐标偏差量为-ΔP＝-f(ΔP1+ΔP2)/Δf，由此可以准确识别该光斑实际归属的区域为微透镜阵列的子孔径5-5。在二维坐标下，只要再增加一次在X方向上的识别过程，方法跟Y方向识别过程相同。采用同样的方法，可以将其它越界光斑逐一加以正确识别。当完成了越界光斑所属子孔径的识别后，计算出光电探测器阵列6在初始状态下每个光斑的质心坐标，并得出与参考波前相应孔径内光斑质心坐标的差值，从而获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状。

Claims (5)

1、一种大动态范围的哈特曼波前传感器，包括由平面波参考源(3)、分光镜(2)、光学匹配系统(4)、波面分割阵列(5)、光电探测器阵列(6)和具有数据处理软件的计算机组成的哈特曼波前传感器，其特征是还有一平移台(7)，所述的光电探测器阵列(6)固定在该平移台(7)上，驱动该平移台(7)运动，带动所述的光强探测器阵列(6)沿其光敏面的法线方向移动。

2、根据权利要求1所述的大动态范围的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的波面分割阵列(5)为微透镜阵列。

3、根据权利要求1所述的大动态范围的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的光电探测器阵列(6)采用CCD探测器或CMOS探测器。

4、根据权利要求1所述的大动态范围的哈特曼波前传感器，其特征在于所述的平移台(7)是高精度、高稳定性的平移台，该平移台为手动控制或步进电机控制。

5、利用权利要求1所述的大动态范围的哈特曼波前传感器的测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①所述的大动态范围的哈特曼波前传感器处于工作状态，输入待测的入射波前(1)，所述的光强探测器阵列(6)的光敏面位于所述的波面分割阵列(5)的焦平面并采集光斑阵列图输入所述的计算机；

②对该光斑阵列图进行波前畸变量大小进行预判断：如果图中出现了子区域光斑缺省或者子区域有多光斑的情况，则判定为大畸变波前，反之判定为小畸变波前；

③当入射波前为小畸变波前时，计算出每个光斑的质心坐标，并算出与参考波前相应孔径内光斑质心坐标的差值，获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前(1)的波面形状；

④当入射波前为大畸变波前时，由于初始状态下的光斑阵列图中部分子光斑发生越界，需要额外信息来识别越界光斑的所属子孔径区域，采用光斑所属子孔径识别算法进行数据处理：

首先在光电探测器阵列(6)初始位置下，测出每个焦斑Y方向质心坐标Yt1，而该光斑所属子区域参考光斑Y方向质心坐标为Yr1，相对位移量为Yt1-Yr1；

然后控制一维平移台(7)运动，带动所述的光电探测器(6)移动到离焦量为Δf的位置(6’)，再次计算出此时的光斑质心相对位移量为Yt2-Yr2；

最后根据离焦量Δf、位移量差值Yt1-Yr1-Yt2+Yr2和微透镜阵列的焦距f，计算出该光斑相对其实际的归属孔径区域的坐标偏差量为f×(Yt1-Yr1-Yt2+Yr2)/Δf，由此可以准确识别该光斑实际归属的区域；在二维坐标下，只要再增加一次在X方向上的识别过程，方法跟Y方向识别过程相同；

⑤完成了越界光斑所属子孔径的识别后，便可以得到光电探测器阵列(6)在初始状态下每个光斑质心坐标和其实际所属参考光斑质心坐标的差值，从而获得每个子孔径区域上的波前斜率信息，最后通过波前重构算法计算出入射波前的波面形状。

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