一种基于夏克-哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于夏克

【技术实现步骤摘要】
一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法


[0001]本专利技术属于波前探测
，尤其涉及一种基于夏克
‑
哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法。

技术介绍

[0002]相位测量一直是光学界研究热点之一，在天文观测、光学检测、医学成像、自适应光学等诸多领域都涉及到相位测量的问题。现有主流相位测量方法主要分为干涉法、直接测量法和基于强度分布的间接测量法三大类，每类方法都有其独特的优势，分别被应用于不同的场合。其中，夏克
‑
哈特曼波前传感器以测量速度快、精度高等优势在各领域得到了广泛的应用。
[0003]传统的夏克
‑
哈特曼波前传感器主要是通过微透镜阵列对波前进行分割采样，将子波前通过微透镜阵列汇聚在后面的成像CCD上。一般子孔径内的波前只视为仅含有倾斜的像差，然后由几何关系利用质心探测算法，计算波前倾斜量，然后重构畸变的波前。但这样的假设存在一些误差，子孔径对应的局部波前严格上应该是一个曲面。因此，质心探测算法得到的波前斜率信息会带来一些波前重构误差，使得其测量精度很大程度上降低。
[0004]因此如何提升夏克
‑
哈特曼波前传感器的探测性能一直是人们研究热点之一，已有研究者提出根据光斑强度分布利用GS算法、相位差法等方法复原波前，但在入射波前畸变较大、探测信号信噪比较低时难以有效得到全面的波前信息进而重构波前。因此，目前需要一种探测精度高，鲁棒性好夏克
‑
哈特曼波前探测技术路线。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：解决夏克
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哈特曼波前传感器未加调制器件情况下只能检测波前斜率的固有矛盾；充分利用光斑阵列的强度分布信息且与傅里叶解调技术以及有限差分法相结合，在传统夏克
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哈特曼波前传感器的基础上便能高精度的获得波前斜率和曲率信号，提出一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，该方法以夏克
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哈特曼波前传感器形成的光斑强度分布作为输入，结合傅里叶解调技术以及利用有限差分方法，从而高精度的获得待测波前斜率和曲率信号，进而利用波前重构算法重构畸变的波前，该方法具体通过以下步骤完成：
[0008]步骤1：通过夏克
‑
哈特曼波前传感器和光电探测器CCD记录待测波前的光斑阵列图像信息，即远场光强分布I；
[0009]步骤2：利用离散傅里叶变化对步骤1记录的光斑阵列图像信息进行傅里叶变换得到远场光强分布I的频谱图分布到远场光强分布I的频谱图分布表示I的傅里叶变换；
[0010]步骤3：在步骤2得到的远场光强分布I的频谱图分布内利用设定的带通滤波器提
取u和v两个方向的一级谱和然后将该提取的u和v两个方向的一级谱移到频谱中心，然后逆傅里叶变换得到H
1，0
(x，y)和H
0，1
(x，y)；u和v表示傅里叶平面内的坐标
[0011]步骤4：根据能量守恒以及步骤3得到的u和v两个方向的一级谱和待测波前斜率之间的关系求得子孔径的x方向的平均斜率(p，q)和y方向的平均斜率(p，q)；
[0012][0013]平均斜率(p，q)的获取方法为：
[0014][0015][0016][0017][0018][0019][0020]式中和分别是I(x,y)和H
(k，l)
(x,y)的傅里叶变换，I(x,y)是光强分布，H
(1，0，)
(x,y)是x方向的一次谐波信息；(x,y)是物平面的坐标系，(u,v)是傅里叶平面内的坐标系；(m,n)指x和y方向的采样点数，K是谐波的次数；k,l是傅里叶平面内谐波的坐标位置，是波面对x方向的一阶偏导，指的是斜率信息，是采样间隔，IMAGH
1，0
(x,y)是对H
1，0
(x，y)取虚部；(p,q)代表(p,q)子孔径的斜率，表示(p,q)子孔径中局部波前各点的处的斜率值，待测波前的相位分布为
[0021]平均斜率(p，q)的获取方法为：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027][0028]式中H
(0，1)
(x,y)是y方向的一次谐波信息；是待测波前对y方向的一阶偏导，指的是斜率信息，IMAGH
0，1
(x,y)是对H
0，1
(x，y)取虚部；(p,q)代表(p,q)子孔径的斜率，表示(p,q)子孔径中局部波前各点的处的斜率值；
[0029]步骤5：对步骤4得到的x方向的平均斜率(p，q)和y方向的平均斜率(p，q)利用有限差分法得到x方向待测波前的曲率信号(待测波前对x的二阶偏导)和y方向待测波前的曲率信号(待测波前对y的二阶偏导)，然后以每个子孔径为单元得到x方向子孔径对应的局部待测波前曲率(p,q)和y方向子孔径对应的局部待测波前曲率(p,q)
[0030][0031][0032]式中是待测波前对x方向的二阶偏导，为波前曲率信息，(m,n)是待测波前的离散采样点，(p,q)表示子孔径(p,q)处的待测波前曲率值，K1和K2分别代表子孔径中曲率的最大值和最小值；
[0033][0034][0035]式中是待测波前对y方向的二阶偏导，为波前曲率信息，(m,n)是待测波前的离散采样点，(p,q)表示子孔径(p,q)处的待测波前曲率值，K3和K4分别代表
子孔径中曲率的最大值和最小值；
[0036]步骤6：对步骤4得到的x方向的平均斜率(p，q)和y方向的平均斜率(p，q)以及步骤5得到的x方向待测波前的曲率信号和y方向待测波前的曲率信号，利用斜率和曲率波前重构算法进行波前重构，完成了基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取。
[0037]本专利技术与现有技术相比有以下优点：
[0038](1)本专利技术与传统夏克
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哈特曼波前传感器得到波前斜率算法相比，可以在未加调制器件时同时能高精度的获得畸变波前斜率和曲率信息，并且能高精度的复原畸变波前；利用傅里叶变换算法来处理获得波前信息，抗噪能力较好，操作简单，提高波前复原速率；该专利技术只利用传统的夏克
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哈特曼传感器结构，可以提高光能利用率，有望用于对弱光、高精度等领域的波前探测。
[0039](2)利用传统夏克
‑
哈特曼波前传感器便能获得波前斜率和曲率信息，未加调制结构也可以增加光的利用率。
[0040](3)采集到的光强图不受约束便可以进行傅里叶变换，且该种算法抗噪性较好。
[0041](4)在频域操作时各次谐波的提取比较容易本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，其特征在于步骤包括：步骤1：记录待测波前的光斑阵列图像信息即远场光强分布I；步骤2：对步骤1记录的光斑阵列图像信息进行傅里叶变换得到远场光强分布I的频谱图分布步骤3：在步骤2得到的远场光强分布I的频谱图分布内提取u和v两个方向的一级谱和移到频谱中心后进行逆傅里叶变换得到H
1，0
(x，y)和H
0，1
(x，y)；步骤4：获取子孔径的x方向的波前斜率和y方向的波前斜率步骤5：获取x方向子孔径对应的局部待测波前曲率和y方向子孔径对应的局部待测波前曲率2.根据权利要求1所述的一种基于夏克
‑
哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，其特征在于：所述的步骤1中，通过夏克
‑
哈特曼波前传感器和光电探测器CCD记录待测波前的光斑阵列图像信息即远场光强分布I。3.根据权利要求1或2所述的一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，其特征在于：所述的步骤2中，利用离散傅里叶变化对步骤1记录的光斑阵列图像信息进行傅里叶变换得到远场光强分布I的频谱图分布换得到远场光强分布I的频谱图分布表示I的傅里叶变换。4.根据权利要求1或2所述的一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，其特征在于：所述的步骤3中，在步骤2得到的远场光强分布I的频谱图分布内利用设定的带通滤波器提取u和v两个方向的一级谱和然后将该提取的u和v两个方向的一级谱移到频谱中心，然后对一级谱和进行逆傅里叶变换得到H
1，0
(x，y)和H
0，1
(x，y)；u和v表示傅里叶平面内的坐标。5.根据权利要求4所述的一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，其特征在于：所述的步骤4中，根据能量守恒以及步骤3得到的u和v两个方向的一级谱和待测波前斜率之间的关系求得子孔径的x方向的平均斜率和y方向的平均斜率6.根据权利要求5所述的一种基于夏克
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哈特曼波前传感器的波前斜率和曲率信息的提取方法，其特征在于：波前斜率的获取方法为：
式中和分别是I(x，y)和H
(k，l)
(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘克，何飞，李艳秋，秦鹏，钟慧，张孝天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：