CN110546470B - 评估波前测量质量的方法和实现该方法的系统 - Google Patents
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Abstract
根据一个方面，本说明书涉及一种用于评估光学波前的测量质量的方法，所述测量借助于波前分析仪通过直接测量来获得，该方法包括：‑通过波前传感器获取(10)用于波前测量的光电信号，所述传感器包括二维检测器；‑基于所述光电信号确定(11)表征所述光电信号的寄生分量的参数；‑根据表征所述信号的寄生分量的所述至少一个参数来评估(12)波前的测量的品质因数；‑根据所述品质因数向用户显示(13)测量的质量水平。
Description
技术领域
本说明书涉及一种用于评估光学波前的测量质量的方法，并且更具体地涉及一种评估借助于波前分析器通过直接测量获得的波前的测量质量的方法。本说明书还包括通过使用这种方法直接测量波前的波前分析系统。
背景技术
光学波前的相位分析(在本说明书中简称为“光学波前分析(或测量)”)具有许多应用：例如，对光源(激光源、激光二极管、LED)或折射或反射光学组件(例如成像镜头、反射镜、滤镜、窗户等)进行鉴定，或者对可变形光学组件(例如可变形反射镜、液晶阀、液晶透镜，以及更一般地说，在有源光学器件、自适应光学器件中使用或用于光束成形的任何相位调制器)进行控制。
特别地，存在用于通过直接测量波前来进行波前分析的已知技术(不同于利用待分析的波前与参考波前干涉的干涉法)。通过直接测量的波前分析技术可以确定局部波前斜率(即波前的一阶导数)，并且通常是基于使用包括一组一个或多个光学元件和通常二维的检测器的波前传感器对光路角度变化的分析。
因此，在通过直接测量进行波前分析的技术中，我们可以非详尽地举例说明，例如，称为Hartmann和Shack Hartmann的技术、横向剪切干涉法、基于莫列(Moiré)图像的偏转法、Schlieren方法等。下面提供这些技术的简要说明。
在Hartmann和Shack Hartmann技术中，波前传感器包括孔或微透镜矩阵，该矩阵位于通常二维的检测器的前面，距离通常为几毫米。在该技术中，通过孔或微透镜的矩阵在检测器上形成斑点阵列。在没有像差的平面波前的情况下，每个斑点相对于参考位置的位移的测量值与所测量波前的局部斜率成正比，即与在所测量波前上存在的像差的导数成正比。比例系数等于孔或微透镜矩阵与检测器之间的距离。这些局部斜率的数值积分使得可以获得所测量的波前的相位(例如参见“Shack-Hartmann原理和历史”，《折射外科杂志》，第17册，2001年9月/10月)。
横向剪切干涉法例如在专利US6577403中描述。根据这种技术，从被“母”波照射的衍射光栅沿着不同的传播轴产生数个“女儿”波，并且在传播之后发生干涉。干涉图案由位于衍射光栅后面例如几毫米处的二维检测器记录。干涉图案的变形与所分析的波前的局部斜率成比例。对这些变形的分析使得可以计算波前的局部斜率，并通过积分获得波前的相位。
在称为莫列图像偏转法的技术中(参见例如US20100310130)，波前传感器包括由来自具有良好空间相干性的源的波照射的可变强度的图案的阵列。当光波穿过要控制的光学元件时，这些图案会变形。变形记录在二维检测器上，该检测器放置在可变强度的图案网络的共轭平面中。对这些变形的分析使得可以追踪光线穿过要控制的光学元件时受到的偏转。这些偏转是波前的局部斜率，其代表由要控制的光学元件引入的光学像差的局部导数。通过对如此测量的局部斜率进行积分来计算波前。
在Schlieren方法中(例如，参见美国专利申请20050036153)，在穿过待测量的光学元件之后，波前被聚焦在聚焦平面中，在该聚焦平面中存在空间可变的光密度叶片(optical density blade)。光线在聚焦平面中的位置与它们在穿过待测光学元件时所经受的角度偏差成正比，光线在穿过可变密度叶片时经受强度编码。然后将这些光线成像在放置在待测对象的共轭平面中的检测器上。每个像素上的信号电平揭示了入射在该像素上的光束遭受的衰减，这使得有可能知道该光束在穿过待测光学元件期间经受的角度偏差。因此，由二维检测器获取的信号电平图使得可以在穿过要控制的光学元件时提高波前的局部斜率。
通过直接测量来对波前进行波前分析的技术被广泛使用，尤其是用于光学组件的表征，因为它们通常比干涉技术更易于实现(不使用参考波前)，并且还允许表征来自光源的波前。它们还允许分析振幅变形较大的波前。
然而，在这些技术的实现中，用户难以验证所获得的波前测量的准确度。实际上，分析系统的实施条件会破坏波前的测量，而用户不会轻易检测到这一点。例如，寄生光源(无论是扩展光源还是点光源)、待分析光学组件的屈光度上的寄生反射或寄生干涉的存在，都可以在检测器上引入寄生信号，寄生信号可以干扰波前的局部斜率的测量，从而降低了波前的重构能力。
本说明书的目的是提出一种方法，该方法用于评估借助波前分析器通过直接测量获得光学波前的测量质量，以便向用户提供所执行的测量的品质因数，该方法允许估计测量的可靠性水平，并在必要时根据波前分析的实施条件进行反馈。
发明内容
在第一方面，本说明书涉及一种用于评估光学波前测量质量的方法，所述测量借助于波前分析仪通过直接测量来获得，所述方法包括以下步骤：
-通过波前传感器获取用于波前测量的光电信号，所述传感器包括二维检测器；
-基于所述光电信号确定表征所述光电信号的寄生分量的至少一个参数；
-根据表征所述信号的寄生分量的所述至少一个参数来评估波前的测量的品质因数；
-根据所述品质因数向用户显示测量的质量水平。
这样描述的用于评估波前的测量的质量的方法使得用户可以认为基于用于测量本身的光电信号进行的测量是可靠的。一方面，这使得所执行的测量具有可靠的品质因数，另一方面，它避免了使用特定工具执行附加测试(例如寄生光测量测试)的需求。
根据一个或多个示例性实施例，表征光电信号的寄生分量的参数可以包括在未被对波前测量有用的信号覆盖的二维检测器的区域中测量的信号。确定这种用于评估测量的品质因数的参数例如适合于以下情况：寄生信号源是环境光，其在二维检测器上形成不均匀的漫射背景信号，或者寄生信号源是具有良好的空间相干性的点光源等。
因此，根据一个或多个示例性实施例，基于光电信号确定表征信号的寄生分量的参数可以包括以下步骤：
-识别未被对波前测量有用的信号覆盖的检测器区域；
-基于在所述区域中测量的信号确定表征信号的寄生分量的参数。
根据一个或多个示例性实施例，表征光电信号的寄生分量的另一参数可包括局部斜率测量值的不可积分分量(称为“不可积分局部斜率”)的子集。
在本说明书中，基于光电信号来测量波前的局部斜率而确定的量被称为“测量的局部斜率”或“原始局部斜率”，其可以根据所选择的技术(如背景技术部分描述的ShackHartmann法、横向剪切干涉测量法、莫列图像偏转法、Schlieren方法等)以不同的方式来确定。在给定的点上，所测量的局部斜率包括可积分分量，该可积分分量特别包括最终寻求的波前的局部斜率，并且所测量的局部斜率还可以包括不可积分分量，该不可积分分量(当存在时)不论其来源如何，只能与光电信号的寄生分量相关联。
因此，原始局部斜率中存在不可积分分量(在说明书中称为“不可积分局部斜率”)，是表征光电信号寄生分量的非常好的参数，因此其是测量质量很好的指示。特别地，这样用于评估测量品质因数的特征参数不仅适用于寄生信号在检测器上产生光通量，该光通量覆盖对测量有用的信号所在区域之外的区域的情况，同样也适用于寄生信号位于对测量有用的信号所在区域的情况下。
因此，根据一个或多个示例性实施例，确定表征光电信号的寄生分量的参数可以包括以下步骤：
-基于所述光电信号，计算给定数量的点处的原始局部斜率，并针对每个原始局部斜率确定不可积分分量，从而形成不可积分局部斜率的子集。
根据一个或多个示例性实施例，确定所述不可积分局部斜率的集合包括：
-对所述原始局部斜率进行积分以获得波前的重构；
-对这样重构的波前进行求导，以便为每个原始局部斜率确定可积分分量，从而在每个所述点处形成可积分局部斜率的子集；
-在每个所述点处将原始局部斜率减去可积分局部斜率以获得所述不可积分局部斜率的子集，基于所述不可积分局部斜率的子集确定表征所述光电信号的寄生分量的所述参数。
根据一个或多个示例性实施例，然后可以基于至少一部分不可积分局部斜率的峰谷值或均方根值(或“均方根”根据盎格鲁-撒克逊语缩写的“RMS”)评估品质因数。
根据一个或多个示例性实施例，还可以基于至少一部分不可积局部分斜率的功率谱密度(或“PSD”)或这些参数(例如RMS和PSD)的组合来评估品质因数。
在第二方面，本说明书涉及一种通过直接测量波前来分析光学波前的方法，包括：
-使用测量波前的二维检测器获取光电信号；
-基于所述光电信号重构波前，以获得波前的测量；
-使用根据第一方面的方法对波前的所述测量的质量进行评估。
本说明书的第三方面涉及用于通过直接测量来分析光学波前的系统，包括：
-具有二维检测器的波前传感器，所述二维检测器用于获取允许测量波前的光电信号；
-光信号处理单元，用于根据所述信号重构波前，所述处理单元还适于：
ο基于所述光电信号确定表征所述信号的寄生分量的至少一个参数；
ο根据表征所述信号的寄生分量的所述至少一个参数来评估波前的测量的品质因数；
-用于根据所述品质因数向用户显示测量的质量水平的单元。
根据一个或多个示例性实施例，波前传感器包括位于二维检测器前面的微透镜矩阵，并且光电信号包括由待测波前照射的每个微透镜形成的斑点阵列。
根据一个或多个示例性实施例，波前传感器包括位于二维检测器前面的孔矩阵，并且光电信号包括由待测波前照射的每个孔形成的斑点阵列。
根据一个或多个示例性实施例，波前传感器包括位于二维检测器前面的相控光栅，并且光电信号包括由图形形成的斑点阵列，该图形由待测波前穿过相控光栅产生的波的干涉造成。
附图说明
通过阅读由下面的附图来说明的描述，本发明的其他优点和特征将变得明显：
图1是示出根据本说明书的用于评估光学波前测量质量的方法的步骤图。
图2是示出根据本说明书用于通过直接测量来分析光学波前的系统的示例图。
图3A是示出根据本说明书用于评估光学波前的测量质量的方法的第一示例的步骤图。图3B是由检测器获取光电信号的示例，其示出了在图3A所示的方法的步骤期间识别出的寄生信号的示例。图3C是示出了图3A所示的方法的步骤图。
图4是示出根据本说明书的用于评估光学波前的测量质量的方法的第二示例的步骤图。
图5A是由波前分析系统的检测器获取的、被寄生干涉干扰的光电信号的示例。图5B是所有原始局部斜率积分后的波前，原始局部斜率本身是由波前分析系统根据图5A所示的光电信号计算出来的。
附图的图6A-6C分别显示了根据图5A所示的光电信号计算的波前的原始局部斜率的集合(图6A)，根据图5B所示的波前的导数计算的波前的可积分局部斜率的集合(图6B)，根据对所有原始局部斜率(图6A)减去波前的可积分局部斜率的集合(图6B)计算的波前的不可积分局部斜率的集合(6C)。
图7A-7C分别示出了原始局部斜率的功率谱密度(图7A)、可积分局部斜率的功率谱密度(图7B)和不可积分局部斜率的功率谱密度(图7C)。
为了一致起见，相同的元件在不同的图中由相同的附图标记标识。
具体实施方式
图1和图2总体上示出了评估光学波前的测量质量的方法的步骤以及通过直接测量实现这种方法的波前分析系统。
更确切地说，图2所示的波前分析系统20包括：具有二维检测器210的波前分析器21，该二维检测器210用于获取能够测量波前的光电信号；以及包含一个或多个光学元件的组件，该组件在图2中示意性地表示为以211标记的单个元件。该波前分析系统还包括：处理单元22，其适于处理由检测器210获取的光电信号用于基于所述光电信号重构波前；以及显示单元23。处理单元22还适于实现根据本说明书的如下所述的用于评估波前测量的质量的方法，从而使得当实施用于评估质量的方法时，将测量的“品质因数”显示在显示单元23上，例如以颜色代码中的颜色或数字等形式。
在图2的示例中，波前分析系统20适合于表征本身不发光的对象OBJ。根据示例性实施例，波前分析系统20还可包括对象的照明源24。或者，通过不属于分析系统的外部光源照射对象。测量可以在透射中进行(在图2的情况下)，但是在反射系统(例如反射镜)分析的情况下也可以在反射中进行。待表征的对象OBJ例如(非穷尽地)是折射或反射光学部件，例如成像透镜、反射镜、滤镜、舷窗等。对象OBJ还可以是可变形光学部件(例如可变形的反射镜、液晶阀、液体透镜)，并且更一般地而言，可以是在有源光学器件、自适应光学器件中使用或用于光束成形的任何相位调制器。在这种情况下，被分析的波前是来自被照对象的波前，对波前的分析允许对对象进行光学表征。光源24例如是激光器、(光纤或非光纤)激光二极管、(光纤或非光纤)超发光二极管、(光纤或非光纤)LED或被灯照亮的孔。
当然，在待表征的对象是光源(例如激光源、激光二极管、发光二极管或LED)的情况下，测量的实现不需要提供如图2所示的光源。所分析的波前实际上直接是光源发出的波前，而光源本身就是分析的对象。
图1根据示例示出了根据本说明书的用于评估波前测量的质量的方法的步骤，该方法例如借助于图2所示的波前分析系统来实现。
该方法包括：使用用于波前测量的波前传感器来获取光电信号(步骤10)；基于光电信号确定表征光电信号的寄生分量的至少一个参数(步骤11)；根据表征所述信号的寄生分量的所述至少一个参数评估波前的测量的品质因数(步骤12)；以及在例如图2所示的显示单元上显示根据品质因数确定的质量水平(步骤13)。
本说明书还包括一种通过直接测量进行波前分析的方法，该方法结合了如图1所示的评估波前测量质量的方法。
如在“背景技术”部分中提到的，通过直接测量进行的波前分析的所有技术都具有共同点，特别是期望分析的波前的局部斜率的测量。当没有寄生信号时，这些局部斜率对应于期望重构的波前相位的一阶导数。
更具体而言，在下面的描述中，将考虑在由标准正交参照系(x，y)定义的测量平面中的坐标(i，j)处测量的局部斜率(“原始”局部斜率)可以由沿x轴的分量和沿y轴的分量来描述。因此，所有原始局部斜率都可以表示为斜率表x(“tabX”)和斜率表y(“tabY”)。因此，在测量平面中的坐标点(i，j)处的原始局部斜率将具有作为沿x轴分量的“tabX(i，j)”和作为沿y轴分量的“tabY(i，j)”。在下面的描述中，可以从沿x轴的斜率表和/或沿y轴的斜率表执行处理。
为了从测得的局部斜率(原始局部斜率)切换到波前相位，需要对原始局部斜率进行数值积分。有几种方法可以对二维信号进行数值积分。例如，这可以是所谓的“区域”积分，其在文章“根据波前斜率测量的波前估计”(美国光学学会杂志，第70卷，第8期，1980年8月)中有描述。
可以与波前本身的测量同时地，即与基于由检测器获取的光电信号来重构波前同时地执行用于评估波前测量的质量的方法。在这种情况下，用户同时看到重构的波前和品质因数的值被显示，因此用户认为执行的测量是可靠的。
评估波前测量质量的方法也可以推迟到测量波前本身之后。实际上，一旦获取并保存了光电信号，用户就可以在测量波前之后的任何时间开始对品质因数进行评估而没有时间限制。
可以基于由检测器210获取的光电信号来确定表征寄生信号分量的几个参数以评估测量的品质因数。参数的性质可取决于寄生信号的类型。也可以组合这些参数。
(一方面)图3A-图3C和(另一方面)图4-图7示出了两个示例，其中标识了表征信号的寄生分量的不同参数。
图3A示出了根据本说明书的用于评估波前测量的质量的方法的第一示例，其中在二维检测器的未被可用于波前测量的信号覆盖的区域中检测到信号。这种用于评估测量质量因数的特征参数特别适合于以下情况：寄生信号源是环境光，其在二维检测器上形成不均匀的漫射背景信号，或者寄生信号源是具有良好空间相干性的点光源等情况。
如图3A所描述的方法包括，在获取用于波前测量的光电信号之后(步骤10)，基于所述光电信号识别未被可用于波前测量的信号覆盖的区域的步骤111。
图3B表示例如在由于执行测量的房间的环境光而导致的弥散寄生信号的存在下，由Shack Hartmann波前分析仪的二维检测器获取的图像。斑点阵列31表示由微透镜矩阵产生的斑点，待分析的波前穿过该矩阵。斑点阵列31表示有用信号。该图清楚地显示了由于室内环境照明而导致的寄生光的存在从而产生的弥散且不均匀的寄生流。在二维检测器的有用信号未覆盖的区域(标记为32的区域)中，可以轻松识别该信号。图3C示意性地示出了表示由微透镜(有用信号)产生的光斑的区域31和区域31外部的区域32。
然后，用于评估波前测量质量的方法包括：基于在未被可用于波前测量的信号覆盖的区域中测量的光电信号确定寄生分量(步骤112)；以及基于表征所述寄生分量的至少一个参数计算品质因数(步骤121)。
例如，在使用Shack Hartmann分析仪的情况下，可以按如下方式执行步骤111、112和121：
-步骤111：当从由微透镜矩阵形成的斑点计算原始局部斜率时，在来自检测器的光电信号上识别出由每个微透镜形成的斑点周围的寄生信号的给定数量的测量区域。在图3C中，这些是例如4个区域，分别标记为321、322、323、324。
-步骤112：对于每个斑点，在寄生信号321、322、323、324的测量区域中测量矩阵检测器的光电信号的值，并计算平均值。因此，获得了与表征信号的寄生分量的参数相对应的寄生流的幅度的图。
-步骤121：例如，通过对在步骤112中获得的寄生流幅度的图进行平均，可以计算出品质因数。在本示例中，品质因数的值越高，就越向用户声明测量受干扰信号的干扰。
根据另一个示例，仍然在使用Shack Hartmann分析器的情况下，可以按以下方式执行步骤111、112和121：
-步骤111：当根据由微透镜矩阵形成的斑点计算原始局部斜率时，根据来自检测器的光电信号，识别出光斑31周围的寄生信号321、322、323、324的给定数量的测量区域(例如与前一示例相同的4个)。
-步骤112：对于每个斑点，在寄生信号321、322、323、324的测量区域中测量矩阵检测器的光电信号的值，并且计算这些区域中的光电信号的值两两之差的绝对值，并求平均值。由此获得表示有用信号周围的寄生信号的不均匀性的图，该图形成表征信号的寄生分量的参数。
-步骤121：通过对例如在步骤121中获得的有用信号周围的干扰信号的非均匀性图进行平均，可以计算出品质因数。在本示例中，品质因数的值越高，就越表明测量受到干扰信号的干扰。
在所有情况下，都会显示“测量质量”。例如，离散数量的颜色或数字与品质因数的计算值相关联，从而向用户指示每种颜色或数字对应于什么。因此，例如可以存在5个等级的品质因数，分别对应于优异、良好、平均、不良、非常不良的质量。根据品质因数的等级，可以建议用户采取许多措施来恢复更好的测量条件。当质量水平不令人满意时，可以带来一些改进。例如：
-消除环境光(关闭执行测量的房间中的光)。
-隐藏可能(即使是部分地)照射波前分析仪检测器的寄生光源。这些干扰光源可以是例如计算机监视器、电子设备的开/关指示器、台灯等。
-获取背景图像，该背景图像将从用于波前测量的获取中减去。一种获取背景图像的方法是通过关闭或隐藏产生用于执行测量的光束的光源(例如，图2的光源24)，用波前分析仪的检测器获取图像。
尽管在Shack-Hartmann分析仪的特定情况下已经给出了测量质量水平的上述示例性计算和显示，但是可以容易地将这种计算和显示转换到任何一种通过直接测量的波前分析仪。
图4示出了确定表征寄生信号分量的参数以评估波前测量质量的第二示例。在该示例中，表征寄生信号分量的参数包括由不可积分局部斜率形成的基于光电信号确定的原始局部斜率的子集。
申请人提出以下意见。直接测量的波前分析仪只能获得波前导数。因此，这些分析仪只能测量连续波前，即其局部斜率100％可积分的波前。因此不能积分到所测量的局部斜率中的局部斜率的识别和量化是衡量波前测量实施质量的客观指标。实际上，在最佳实施条件下执行的波前测量必须给出可以忽略不计或几乎为零的不可积分局部斜率的集合。另一方面，没有理由说明由于寄生信号引起的劣化应该具有100％可积分的特性。因此，将产生可积分斜率的子集(该子集会使波前的测量结果劣化)和不可积分斜率的子集(对该子集进行估计可以确定测量的品质因数)。实际上，不可积分局部斜率的存在是由寄生信号引起的寄生可积分局部斜率的存在的指示，寄生信号将干扰期望分析的波前重构。
例如，图5A表示使用Shack Hartmann分析仪获得的光电信号，该分析仪包含128x128个微透镜。该分析仪测量穿过具有平坦且平行的面的叶片的光学波前的相位，该叶片的一个面具有半反射涂层，而另一面未涂覆。照明光束1064nm波长的单色光，并且照明光束的相干长度远大于叶片的厚度。因此，该信号受到叶片两侧的双重反射所产生的寄生波的干扰，并且该寄生波与穿过叶片的光束发生干涉。这种干涉的对比度非常低，并且很难在来自矩阵检测器的光电信号上检测到这种干涉。但是，这种干涉的影响在波前测量结果上清晰可见(图5B)，并且产生的测量误差是波前分析仪准确度的两倍。图6A表示基于图5A所示的光电信号计算的原始局部斜率的图。图6B表示通过图5B所示的波前的数值求导获得的可积分局部斜率的图，图6C表示不可积分局部斜率的图，不可积分局部斜率为原始局部斜率与可积分局部斜率之差的结果。图6A、6B和6C以相同比例显示，以表示局部斜率。可以立即注意到，干涉的影响产生了幅度很大的不可积分局部斜率(与可积分局部斜率的幅度相同数量级)。为了简化局部斜率数据的显示，已选择将其显示为矢量，其标准和方向是根据沿x和y的两个斜率表计算得出的。
图7A、7B和7C分别表示沿x轴的原始局部斜率的功率谱密度(PSD)(图7A)、可以沿x轴积分的局部斜率的功率谱密度(图7B)和不能沿x轴积分的局部斜率的功率谱密度(图7C)。这些图分别从沿x轴的局部斜率的表、原始局部斜率的表、可积分局部斜率的表和不可积局部分斜率的表获得。通过计算沿x轴的局部斜率表的傅立叶变换模量的平方获得功率谱密度。该计算的结果给出了功率密度表，并且每个显示的曲线是每个空间频率的功率谱密度表的积分结果。当然，可以根据沿y轴的局部斜率表进行相同的计算。
根据一个示例性实施例，可以通过简单地计算例如沿x轴的不可积分局部斜率表的RMS值、沿y轴的不可积分局部斜率表的RMS值，并将求出的2个RMS值取平均值来实现根据不可积分局部斜率对品质因数的计算(图4的步骤125)。品质因数的值越高，表示测量受的干扰越大。当然，可以通过许多其他方式来计算品质因数。
例如，根据示例性实施例，对品质因数的计算可以考虑不可积分局部斜率的频率特性(空间频率)。实际上，用户正在寻找的信息是波前信息，即所测量的局部斜率(原始局部斜率)的积分结果。但是，积分期间在波前重新注入局部斜率误差的幅度取决于局部斜率误差的空间频率：在积分期间，低空间频率误差产生高波前误差，而高空间频率误差产生低波前误差。由于可积分局部斜率误差的频率特性和不可积分局部斜率的频率特性相似，因此对不可积分斜率的频率研究使得我们有可能进一步了解波前测量劣化的重要性。特别地，在测量品质因数的计算中可以赋予不可积分斜率的低空间频率占主导的权重。例如，该权重可以是空间频率的倒数，或者可以决定仅将其空间频率小于截止频率的一分数的那些斜率保留用于品质因数的计算。
根据一个示例性实施例，基于不可积分局部斜率(图4的步骤125)执行的品质因数(Q)的计算可以按如下方式进行：
将沿x轴和y轴不可积分的局部斜率的诸如图7A-7C的积分功率谱密度(DSP)记为DSPix和DSPiy。
将需要考虑的DSP的频率成分达到的最大空间频率记为fmax。例如，如果希望在计算品质因数时偏重低空间频率，则可以将fmax设置为DSPix或DPSiy的截止频率的1/4(在图7的情况下，截止频率是64)。
在这种情况下，品质因数Q的值为：
在本示例中，可以认为，如果Q小于1，则测量质量非常好；如果Q大于20，则测量质量很差。
根据另一个示例性实施例，基于不可积分局部斜率(图4的步骤125)执行的品质因数(Q)的计算可以按如下方式进行：
DSPix和DSPiy是诸如图7A-7C中的沿x轴和y轴不可积分的局部斜率的积分DSP。
将DSPix或DPSiy的截止频率(在图7的情况下，截止频率为64)记为fc。
品质因数Q的值为：
在本示例中，可以认为，如果Q小于0.25，则测量质量非常好；如果Q大于5，则测量质量很差。
同样，先前的示例是针对Shack-Hartmann分析仪进行描述的，但可以将其转换到任何一种通过直接测量的波前分析仪。
如前所述，然后可以显示“测量质量”。例如，颜色或数字与品质因数的计算值相关联，从而向用户指示每种颜色或数字对应于什么。因此，例如可以存在5个等级的品质因数，分别对应于优异、良好、平均、不良、非常不良的质量。根据品质因数的等级，可以建议用户采取许多措施来恢复更好的测量条件。当质量水平不令人满意时，可以带来一些改进。例如：
-消除环境光(关闭执行测量的房间中的光)。
-隐藏可能(即使是部分地)照射波前分析仪检测器的寄生光源。这些寄生光源可以是计算机监视器、电子设备的开/关指示器、台灯等。
-获取背景图像，该背景图像将从用于波前测量的获取中减去。一种获取背景图像的方法是通过关闭或隐藏产生用于执行测量的光束的光源(例如，图2的光源24)，用波前分析仪的检测器获取图像。
-如果存在用于寄生光的滤光孔，请将其放置在用于执行测量的光束聚焦平面中。此操作对于反射系统中的“双程”测量特别有用。
-尽可能降低信号源的时间相干性，以减少干涉的风险。
当然可以结合使用表征光电信号的寄生分量的数个参数来计算测量的品质因数。例如，测量的最终品质因数可以通过将使用关于图3A描述的方法计算的品质因数乘以使用关于图4描述的方法计算的品质因数得出。
尽管通过若干详细的示例性实施例进行了描述，但是用于评估光学波前的测量质量的方法以及实现这种方法的通过直接测量来分析波前的系统包括不同的替代实施例、修改和改进，这对于本领域技术人员将明显易见的。应理解的是，这些不同的替代实施例、修改和改进落入如所附权利要求书所限定的本发明的范围内。
特别地，已经使用Shack-Hartmann的示例描述了本发明，但是本发明也可以应用于Hartmann型系统、横向剪切干涉仪型系统，或更一般地被设计用于波前测量的局部斜率的直接边缘分析仪。
Claims (8)
1.一种用于评估光学波前的测量质量的方法，所述光学波前由待用户表征的对象发出，所述方法包括：
-获取光电信号，所述光电信号由通过波前传感器对所述待用户表征的对象发出的光学波前的测量而产生，所述波前传感器包括二维检测器；
-基于所述光电信号确定表征所述光电信号的寄生分量的至少一个参数；
-根据表征所述光电信号的寄生分量的所述至少一个参数来评估波前的测量的品质因数；
-根据所述品质因数向所述用户显示测量的质量水平，
其中，基于所述光电信号确定表征所述光电信号的寄生分量的至少一个参数包括：
-基于所述光电信号，计算给定数量的点处的波前的原始局部斜率；
-对所述原始局部斜率进行积分以获得波前的重构；
-对这样重构的波前进行求导，以便为每个原始局部斜率确定可积分分量，从而在每个所述点处形成可积分局部斜率的子集；
-在每个所述点处用所述原始局部斜率减去所述可积分局部斜率，以获得局部斜率的不可积分分量的子集，其中，表征所述光电信号的寄生分量的所述至少一个参数包括所述局部斜率的不可积分分量的子集。
2.根据权利要求1所述的用于评估光学波前的测量质量的方法，其中，基于所述局部斜率的不可积分分量的至少一部分的峰谷值或均方根值来评估所述品质因数。
3.根据权利要求1或2所述的用于评估光学波前的测量质量的方法，其中，基于所述局部斜率的不可积分分量的至少一部分的功率谱密度值来评估所述品质因数。
4.根据权利要求1所述的用于评估光学波前的测量质量的方法，其中，确定表征所述信号的寄生分量的参数包括以下步骤：
-识别未被可用于波前测量的信号覆盖的检测器的区域(321-324)；
-基于在所述区域中测量的信号确定表征所述信号的寄生分量的所述参数。
5.一种用于分析由待用户表征的对象发出的光学波前的方法，包括：
-获取光电信号，所述光电信号由通过波前传感器对所述待用户表征的对象发出的光学波前的测量而产生，所述波前传感器包括二维检测器；
-基于所述光电信号重构波前，以获得波前的测量；
-基于所述光电信号，根据前述权利要求中的任一项所述的方法评估波前的所述测量的品质因数，并且根据所述品质因数向所述用户显示所述质量水平。
6.一种用于通过直接测量来分析光学波前的系统(20)，包括：
-具有二维检测器(210)的波前传感器(21)，所述二维检测器(210)用于用户获取光电信号，所述光电信号允许测量由待用户表征的对象发出的波前；
-信号处理单元(22)，用于根据所述光电信号重构波前，所述信号处理单元还被配置为：
o基于所述光电信号确定表征所述光电信号的寄生分量的至少一个参数；
o根据表征所述光电信号的寄生分量的所述至少一个参数来评估波前的测量的品质因数；
-显示单元(23)，用于根据所述品质因数向所述用户显示测量的质量水平，
其中，基于所述光电信号确定表征所述光电信号的寄生分量的至少一个参数包括：
-基于所述光电信号，计算给定数量的点处的波前的原始局部斜率；
-对所述原始局部斜率进行积分以获得波前的重构；
-对这样重构的波前进行求导，以便为每个原始局部斜率确定可积分分量，从而在每个所述点处形成可积分局部斜率的子集；
-在每个所述点处用所述原始局部斜率减去所述可积分局部斜率，以获得局部斜率的不可积分分量的子集，其中，表征所述光电信号的寄生分量的所述至少一个参数包括所述局部斜率的不可积分分量的子集。
7.根据权利要求6所述的用于通过直接测量来分析光学波前的系统，其中，所述波前传感器包括位于二维检测器前面的微透镜或孔的矩阵，并且所述光电信号包括由每个所述微透镜或孔被待测波前照射形成的斑点阵列。
8.根据权利要求6所述的用于通过直接测量来分析光学波前的系统，其中，所述波前传感器包括位于二维检测器前面的相控光栅，并且所述光电信号包括由图形形成的斑点阵列，该图形由待测波前穿过所述相控光栅产生的波的干涉造成。
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