【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学波前传感器，具体涉及一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法及系统。
技术介绍
1、夏克哈特曼波前传感器的动态范围表征了测量畸变波前大小的能力，由光斑最大允许偏移量与微透镜焦距之比决定。在传统的波前传感器中，每个微透镜的光斑必须在其对应子孔径范围中，所以最大允许偏移量为子孔径边长的一半减去光斑半径，这表明哈特曼波前传感器动态范围是有限的。然而，在许多应用中，如大曲率光学元件面形测量、高屈光人眼像差测量，都需要夏克哈特曼波前传感器保持高精度的同时具有较大动态范围。
2、当前，增大夏克哈特曼波前传感器动态范围的方法可分为两大类，分别为基于软件和基于硬件法。基于硬件的方法需要对子透镜进行设计或在夏克哈特曼波前传感器系统中增加一些元件，例如，在每个子透镜中加入不同方向的像散，利用光斑形状辅助识别，或加入每次仅让部分子透镜透光的光阑，以便于确认光斑与子孔径的对应关系。基于软件的方法主要通过计算方法以建立起哈特曼波前传感器的微透镜阵列和光斑阵列之间的关系，常见的方法包括：迭代样条拟合法、迭代外推方法、预定顺序光斑定位法以及深度学习法等。由于这类方法不需要专门设计的机械设备来调制哈特曼波前传感器的微透镜阵列，因而具有更好的灵活性和更低的成本。以上这些方法的实质是尽可能避免光斑偏离对应的子孔径范围，或是将已偏离的光斑进行重新定位排序。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法及系统，该方法可实现待测波前相位的定
2、为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案予以实现：
3、本专利技术第一方面是提供一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，包括：
4、s1，获取哈特曼波前传感器的大偏移量光斑阵列与参考光斑阵列；
5、s2，对大偏移量光斑进行解调，得到包裹斜率信息；
6、s3，采用解包裹算法对包裹斜率信息进行展开；
7、s4，对展开后的斜率采用修正傅里叶变换重构算法进行重构，以扩展哈特曼波前传感器动态范围并实现待测波前相位的定量检测。
8、作为本专利技术进一步改进，获取哈特曼波前传感器的大偏移量光斑阵列与参考光斑阵列，包括：
9、通过哈特曼波前传感器分别获取一幅大偏移量光斑阵列与一幅参考光斑阵列，分别计算偏移光斑与参考光斑在x轴与y轴的偏移量，根据偏移量大小与焦距f关系，获得斜率分布：
10、
11、其中，i和j分别表示二维子孔径阵列的行和列，表示y轴方向的偏移量，f为微透镜的焦距，表示y轴方向的斜率分布，对每一个光斑进行解调，获得所有子孔径的斜率分布。
12、作为本专利技术进一步改进，对于超出对应的探测窗口的子孔径光斑，采用光斑直接解调法，或者傅里叶变换法对大偏移量光斑进行解调。
13、作为本专利技术进一步改进，对大偏移量光斑进行解调，得到包裹斜率信息，包括：
14、当获取每一个位置的斜率分布后，计算包裹斜率：
15、
16、其中，p表示子孔径间距，当偏移量大小满足该探测窗口内的斜率不会出现包裹现象，斜率范围在(-π，π)之间，斜率大小将由比值决定；
17、当偏移量满足时，光斑偏移出子孔径范围时，该探测窗口对应的斜率将以π为模进行包裹，记为
18、作为本专利技术进一步改进，对大偏移量光斑阵列进行傅里叶变换，在频域中将呈现出多级频谱，将所有非零级频谱分别移动到原点，并实现频谱叠加，设置合适滤波窗并将其余频谱进行滤除，最后进行傅里叶反变换，将解调得到包裹斜率，斜率被包裹在(-π，π)范围内。
19、作为本专利技术进一步改进，采用解包裹算法对包裹斜率信息进行展开，斜率解包裹表示为：
20、
21、其中，unwrap[]表示为解包裹算法，y方向上的解包裹后的斜率信息用gy表示。
22、作为本专利技术进一步改进，所述波前复原算法包括修正傅里叶变换重构算法、基于深度学习的波前重构算法、模式法或区域法。
23、作为本专利技术进一步改进，对展开后的斜率采用波前复原算法进行重构，包括：
24、采用基于离散余弦变换的最小二乘法解包裹算法对包裹斜率进行展开，分别先获取连续斜率和包裹斜率在x和y方向上的相邻斜率差并进行差分运算，经最小二乘算法构造出损失函数并对其求一阶偏导，整理得到离散泊松方程，设置对应的边界条件后，对其进行离散余弦变换与离散余弦反变换则可得到连续的斜率分布；所述斜率解包裹算法主要是将被包裹在(-π，π)范围内的斜率经过解包裹算法扩展后可得到连续分布的斜率信息。
25、作为本专利技术进一步改进，对展开后的斜率采用修正傅里叶变换重构算法进行重构包括：
26、首先分别对x与y方向上展开后的斜率进行傅里叶变换，并在频域中将两者进行线性组合，接着对其进行逆傅里叶变换，对复函数取实部操作即得到波前相位信息。将重构波前相位乘以系统标定因子，得到精确的重构相位，实现定量相位检测。
27、作为本专利技术进一步改进，对x与y方向包裹斜率进行解包裹处理后，分别得到x与y方向上的扩展斜率gx与gy；采用傅里叶变换重构算法重构待测波前相位，对该傅里叶变换算法进行标定修正，修正傅里叶变换重构算法表示为：
28、
29、其中，u＝x/m，v＝y/n，re{}表示对复函数取实部操作，与分别表示傅里叶变换与傅里叶逆变换，ω为系统标定修正因子，w(x,y)表示重构的波前相位。
30、本专利技术第二方面是提供一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展系统，包括：
31、获取模块，用于获取哈特曼波前传感器的大偏移量光斑阵列与参考光斑阵列；
32、解调模块，用于对大偏移量光斑进行解调，得到包裹斜率信息；
33、展开模块，用于采用解包裹算法对包裹斜率信息进行展开；
34、重构模块，用于对展开后的斜率采用修正傅里叶变换重构算法进行重构，以扩展哈特曼波前传感器动态范围并实现待测波前相位的定量检测。
35、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：该方法无需对大偏移量光斑阵列进行重排，而直接对大偏移量光斑阵列进行解调，解调得到的斜率将出现包裹现象，利用解包裹算法以及傅里叶变换重构法，可实现待测波前相位的定量检测，该方法可有效扩展哈特曼波前传感器动态范围。具体优点如下：
36、1)与目前限制或者重新定位大偏移光斑的方法不同，所提方法直接对大偏移量光斑阵列进行解调，由于光斑超出子孔径范围而致使斜率出现包裹，只需进行斜率解包裹即可实现动态范围的扩展。2)这种方法更便捷，效率更高，处理时间更短，且更有望实现商业化应用。3)对傅里叶变换重构算法进行标定修正，可实现相位定量检测，这将推进哈特曼波前传感器在大曲率光学元件面形检测，高屈光人眼像差检测中应用。
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1.一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，获取哈特曼波前传感器的大偏移量光斑阵列与参考光斑阵列，包括：
3.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对于超出对应的探测窗口的子孔径光斑，采用光斑直接解调法，或者傅里叶变换法对大偏移量光斑进行解调。
4.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对大偏移量光斑进行解调，得到包裹斜率信息，包括：
5.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对大偏移量光斑阵列进行傅里叶变换，在频域中将呈现出多级频谱，将所有非零级频谱分别移动到原点，并实现频谱叠加，设置合适滤波窗并将其余频谱进行滤除，最后进行傅里叶反变换，将解调得到包裹斜率，斜率被包裹在(-π，π)范围内。
6.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，采用解包裹算法对包裹斜率信息进行展开
7.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，所述波前复原算法包括修正傅里叶变换重构算法、基于深度学习的波前重构算法、模式法或区域法。
8.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对展开后的斜率采用波前复原算法进行重构，包括：
9.根据权利要求8所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对x与y方向包裹斜率进行解包裹处理后，分别得到x与y方向上的扩展斜率Gx与Gy；采用傅里叶变换重构算法重构待测波前相位，对该傅里叶变换算法进行标定修正，修正傅里叶变换重构算法表示为：
10.一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，获取哈特曼波前传感器的大偏移量光斑阵列与参考光斑阵列，包括：
3.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对于超出对应的探测窗口的子孔径光斑，采用光斑直接解调法，或者傅里叶变换法对大偏移量光斑进行解调。
4.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对大偏移量光斑进行解调，得到包裹斜率信息，包括：
5.根据权利要求1所述的一种夏克哈特曼波前传感器大动态范围扩展方法，其特征在于，对大偏移量光斑阵列进行傅里叶变换，在频域中将呈现出多级频谱，将所有非零级频谱分别移动到原点，并实现频谱叠加，设置合适滤波窗并将其余频谱进行滤除，最后进行傅里叶反变换，将解调得到包裹斜率，斜率被包裹在(-...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾书海，周星，张华建，林子涵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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