CN113295286A - 一种夏克-哈特曼波前传感器测量系统及相位恢复方法 - Google Patents

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段亚轩
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Abstract

本发明公开了一种夏克‑哈特曼波前传感器测量系统及相位恢复方法，解决测量、处理、显示过程分离，测量效率低的问题，夏克‑哈特曼波前传感器测量系统包括夏克‑哈特曼波前传感器、GPU核心板、显示单元，夏克‑哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和CMOS单元，GPU核心板包括DDR存储单元、GPU单元和CPU，通过GPU核心板经PCIE接口接收从CMOS单元传输的图像，对图像进行处理、计算，经显示单元显示；夏克‑哈特曼波前传感器相位恢复方法通过夏克‑哈特曼波前传感器实时采集图像，GPU核心板对采集的斑点图像经确定计算轮廓、归一化图像、阈值分割、质心计算、波前相位重构等步骤，实现高速并行计算，最终将带有波前起伏信息的原始波前相位实时显示在显示器上。

Description

一种夏克-哈特曼波前传感器测量系统及相位恢复方法
技术领域
本发明涉及精密测量仪器领域，特别涉及一种夏克-哈特曼波前传感器测量系统及相位恢复方法。
背景技术
夏克-哈特曼波前传感器是一种能够检测波面形状的仪器，在大气测量、望远测量、远距离通信、等离子体测量等领域得到应用。
传统的夏克-哈特曼波前传感器的测量与处理往往是分离的；传统的夏克-哈特曼波前传感器在测量后，需要通过网线连接到上位机上进行处理并显示，并且上位机在处理中的计算速度慢影响测量效率，这通常会限制夏克-哈特曼波前传感器的应用范围，是一个难以克服的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在夏克-哈特曼波前传感器的测量、处理、显示分离，测量效率低的问题，提出了一种高速集成化的夏克-哈特曼波前测量系统及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种夏克-哈特曼波前传感器测量系统，其特殊性在于：
包括夏克-哈特曼波前传感器、GPU核心板、显示单元；
所述夏克-哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和CMOS单元，微透镜阵列将被测光场图像调制成斑点/点阵图像，CMOS单元用于采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像；
所述GPU核心板对带有波前相位信息的被测光场的斑点图像进行质心计算和波前相位重构后，得到带有波前起伏信息的相位图，其包括相互连接的DDR存储单元和GPU单元、CPU，所述DDR存储单元用于图像数据的存储，所述GPU单元通过HDMI接口与显示单元连接，所述CPU用于波前相位重构；
所述CMOS单元通过PCIE接口与GPU单元连接；
所述显示单元用于显示波前相位重构得到的带有波前起伏信息的相位图。
进一步地，所述微透镜阵列为56*44的方形阵列。
进一步地，所述COMS单元的型号为安森美5000。
一种夏克-哈特曼波前传感器相位恢复方法，其特殊性在于：包括以下步骤：
1)微透镜阵列将实时采集的被测光场图像调制成斑点/点阵图像；
2)CMOS单元采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像I(x,y)；
3)GPU核心板对带有波前相位信息的被测光场的斑点图像进行质心计算和波前相位重构：
3.1)遍历斑点图像I(x,y)，得到像素最大值Imax(x,y)、像素最小值Imin(x,y),并以像素最大值Imax(x,y)坐标为斑点图像I(x,y)的中心；
3.2)以斑点图像I(x,y)的中心为圆心，以500个像素为半径，得到斑点图像的圆形计算轮廓；
3.3)对圆形计算轮廓内的斑点图像I(x,y)的每个像素乘以Imin(x,y)/Imax(x,y)系数，得到归一化图像；
3.4)取0.15*Imax(x,y)作为阈值，将归一化图像中小于阈值的像素值全部置零，完成阈值分割；
3.5)对阈值分割后的归一化图像按照透镜阵列的阵列数进行方块划分，然后同时对划分的所有方块进行质心计算，划分后的方块中每个像素记为当前像素，得到每个方块中的质心坐标(xfc，yfc)，所述质心计算公式为：
Figure BDA0003075557020000021
式中：xfc为质心
Figure BDA0003075557020000031
的x坐标，yfc为质心的y坐标，xf为当前像素的x坐标，yf为当前像素的y坐标，Ifl为当前像素的像素值；
3.6)计算每个方块中的质心坐标(xfc，yfc)相对于该方块的中心，计算质心坐标的偏移(Δxi，Δyi)；
3.7)由质心坐标偏移与波前斜率关系
Figure BDA0003075557020000032
计算波前斜率Sx，Sy；其中f是微透镜到CMOS单元的距离；
3.8)由波前斜率Sx，Sy与相位之间的关系式S＝CΦ，求解出带有波前起伏信息的原始波前相位Φ＝C+S；其中C为系数，C+为采用最小二乘解得到的系数C值；
4)将带有波前起伏信息的原始波前相位实时显示在显示器上。
本发明与现有技术相比，其有益效果如下：
(1)本发明的夏克-哈特曼波前传感器测量系统,相比传统的夏克-哈特曼波前传感器测量系统需要额外配置计算机进行上位机数据计算和结果显示，通过GPU核心板经PCIE接口接收从CMOS单元传输的图像，对图像进行处理、计算，提升了数据吞吐效率，使速度可以达到5GT/s，该夏克-哈特曼波前传感器测量系统实现了测量、计算与显示一体化，集成化程度高，提高测量效率。
(2)本发明的夏克-哈特曼波前传感器相位恢复方法通过夏克-哈特曼波前传感器实时采集图像，GPU核心板对采集的斑点图像经确定计算轮廓、归一化图像、阈值分割、质心计算、波前相位重构等步骤，实现高速并行计算，最终，将带有波前起伏信息的原始波前相位实时显示在显示器，该夏克-哈特曼波前传感器相位恢复方法实现高速的相位恢复。
附图说明
图1为本发明夏克-哈特曼波前传感器测量系统的结构示意图；
图2为本发明夏克-哈特曼波前传感器相位恢复方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，该夏克-哈特曼波前传感器测量系统，包括夏克-哈特曼波前传感器、GPU核心板、显示单元；
夏克-哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和CMOS单元，微透镜阵列将被测光场图像调制成斑点/点阵图像，微透镜阵列为56*44的矩形阵列，CMOS单元用于采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像，COMS单元的型号为安森美5000；
GPU核心板对带有波前相位信息的被测光场的斑点图像进行质心计算和波前相位重构后，得到带有波前起伏信息的相位图，其包括相互连接的DDR存储单元和GPU单元、CPU，DDR存储单元用于图像数据的存储，GPU单元通过HDMI接口与显示单元连接，CPU用于波前相位重构；
CMOS单元通过PCIE接口与GPU单元连接；
显示单元用于显示波前相位重构得到的带有波前起伏信息的相位图。
工作原理：夏克-哈特曼波前传感器中的探测器实时采集被测光场，经过夏克-哈特曼波前传感器中微透镜阵列调制成为点阵图像，通过PCIE接口传输到GPU核心板中，在GPU单元中进行确定计算轮廓、归一化图像、阈值分割、质心计算、波前相位重构等步骤，达到高速并行计算，最后将波前相位结果通过HDMI接口传输到显示单元，并实时显示。
该夏克-哈特曼波前传感器相位恢复方法，包括以下步骤：
1)微透镜阵列将实时采集的被测光场图像调制成斑点/点阵图像；
2)CMOS单元采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像I(x,y)；
3)GPU核心板对带有波前相位信息的被测光场的斑点图像进行质心计算和波前相位重构：
3.1)遍历斑点图像I(x,y)，得到像素最大值Imax(x,y)、像素最小值Imin(x,y),并以像素最大值Imax(x,y)坐标为斑点图像I(x,y)的中心；
3.2)以斑点图像I(x,y)的中心为圆心，以500个像素为半径，得到斑点图像的圆形计算轮廓；
3.3)对圆形计算轮廓内的斑点图像I(x,y)的每个像素乘以Imin(x,y)/Imax(x,y)系数，得到归一化图像；
3.4)取0.15*Imax(x,y)作为阈值，将归一化图像中小于阈值的像素值全部置零，完成阈值分割；
3.5)对阈值分割后的归一化图像按照透镜阵列的阵列数进行方块划分，然后同时对划分的所有方块进行质心计算，划分后的方块中每个像素记为当前像素，得到每个方块中的质心坐标(xfc，yfc)，质心计算公式为：
Figure BDA0003075557020000051
Figure BDA0003075557020000052
式中：xfc为质心的x坐标，yfc为质心的y坐标，xf为当前像素的x坐标，yf为当前像素的y坐标，Ifl为当前像素的像素值；
3.6)计算每个方块中的质心坐标(xfc，yfc)相对于该方块的中心，计算质心坐标的偏移(Δxi，Δyi)；
3.7)由质心坐标偏移与波前斜率关系
Figure BDA0003075557020000061
计算波前斜率Sx，Sy；其中f是微透镜到CMOS单元的距离；
3.8)由波前斜率Sx，Sy与相位之间的关系式S＝CΦ，求解出带有波前起伏信息的原始波前相位Φ＝C+S；其中C为系数，C+为采用最小二乘解得到的系数C值；
4)将带有波前起伏信息的原始波前相位实时显示在显示器上。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种夏克-哈特曼波前传感器测量系统，其特征在于：
包括夏克-哈特曼波前传感器、GPU核心板、显示单元；
所述夏克-哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和CMOS单元，微透镜阵列将被测光场图像调制成斑点/点阵图像，CMOS单元用于采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像；
所述GPU核心板对带有波前相位信息的被测光场的斑点图像进行质心计算和波前相位重构后，得到带有波前起伏信息的相位图，其包括相互依次连接的DDR存储单元、GPU单元、CPU，所述DDR存储单元用于图像数据的存储，所述GPU单元用于进行质心计算，所述CPU用于波前相位重构；
所述GPU单元通过HDMI接口与显示单元连接，所述CMOS单元通过PCIE接口与GPU单元连接；
所述显示单元用于显示波前相位重构得到的带有波前起伏信息的相位图。
2.如权利要求1所述的夏克-哈特曼波前传感器测量系统，其特征在于：所述微透镜阵列为56*44的矩形阵列。
3.如权利要求2所述的夏克-哈特曼波前传感器测量系统，其特征在于：所述COMS单元的型号为安森美5000。
4.一种夏克-哈特曼波前传感器相位恢复方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)微透镜阵列将实时采集的被测光场图像调制成斑点/点阵图像；
2)CMOS单元采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像I(x,y)；
3)GPU核心板对带有波前相位信息的被测光场的斑点图像进行质心计算和波前相位重构：
3.1)遍历斑点图像I(x,y)，得到像素最大值Imax(x,y)、像素最小值Imin(x,y),并以像素最大值Imax(x,y)坐标为斑点图像I(x,y)的中心；
3.2)以斑点图像I(x,y)的中心为圆心，以500个像素为半径，得到斑点图像的圆形计算轮廓；
3.3)对圆形计算轮廓内的斑点图像I(x,y)的每个像素乘以Imin(x,y)/Imax(x,y)系数，得到归一化图像；
3.4)取0.15*Imax(x,y)作为阈值，将归一化图像中小于阈值的像素值全部置零，完成阈值分割；
3.5)对阈值分割后的归一化图像按照透镜阵列的阵列数进行方块划分，然后同时对划分的所有方块进行质心计算，得到每个方块中的质心坐标(xfc，yfc)，所述质心计算公式为：
Figure FDA0003075557010000021
Figure FDA0003075557010000022
式中：xfc为质心的x坐标，yfc为质心的y坐标，xf为每个方块中任意像素的x坐标，yf为每个方块中任意像素的的y坐标，Ifl为每个方块中任意像素的像素值；
3.6)计算每个方块中的质心坐标(xfc，yfc)相对于该方块的中心的质心坐标偏移量(Δxi，Δyi)；
3.7)由质心坐标偏移量与波前斜率关系
Figure FDA0003075557010000023
计算波前斜率Sx，Sy；其中f是微透镜到CMOS单元的距离；
3.8)由波前斜率Sx，Sy与相位之间的关系式S＝CΦ，求解出带有波前起伏信息的原始波前相位Φ＝C+S；其中C为系数，C+为采用最小二乘解得到的系数C值；
4)将带有波前起伏信息的原始波前相位实时显示在显示器上。
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