一种使用球面波前标定夏克－哈特曼传感器物理参数的方法技术

一种使用球面波前对夏克－哈特曼传感器的物理参数进行标定的方法，该标定方法可以非常准确地标定夏克－哈特曼传感器的物理参数。其特征在于：利用球面波前的自身特点－曲率半径与传感器ＣＣＤ输出的点阵图像特征之间存在着一一对应的关系，通过精确测量一系列曲率半径的球面波，利用解方程的方法精确求解了夏克－哈特曼传感器的物理参数从而实现了对传感器的标定，和现有技术手段相比有效减少了误差源；并且用球面波前代替了传统标定中常用的平面波前作为标定夏克－哈特曼传感器的参考光束，对提高夏克－哈特曼传感器的精度是有益的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种夏克-哈特曼传感器物理参数的标定方法。
技术介绍
夏克-哈特曼波前传感器是一种能够检测波面形状的仪器，它在自适应光学、光 学镜面检测、医疗仪器和激光光束诊断等领域中得到了广泛的应用。提高夏克_哈特曼波 前传感器的测量精度是目前国际上研究的热点。夏克-哈特曼波前传感器的物理参数，如透镜阵列的焦距&和子透镜尺寸Ptl，对其 测量精度有着很大的影响，以往工作中经常直接把夏克_哈特曼波前传感器的物理参数的 设计值当作其真实值来用，由于加工过程中势必引入一些误差，这样就造成设计值和真实 值存在差别。为了得到高精度的夏克_哈特曼波前传感器就必须对其物理参数进行标定。关于确定夏克-哈特曼波前传感器物理参数的方法文献中已有报道。 AlexanderChernyshov等发表了使用球面波前作为参考波前精确的标定出夏克-哈特曼传 感器的物理参数的技术文章(具体可以参考文献Alexander Chernyshov，Uwe Sterr5Fritz Riehle,JiirgenHelmcke,and Johannes Pfund. Calibration of a Shack-Hartmann sensor for absolutemeasurements of wavefronts. Applied Optics.2005,44(30),6419 6425)。该方法使用了测量一系列曲率半径的球面波所获得的数据来拟合二项式△ P得到 夏克-哈特曼传感器的物理参数。△ P反映了待测球面波真实曲率和传感器测量得到的曲 率之间的差别。事实上，由于夏克-哈特曼传感器本身特点，使得待测球面波真实的曲率半 径很难精确测量。在本方法中待测球面波的真实曲率以及传感器的物理参数都是通过二项 式拟合得到，也就是说在进行二项式拟合之前，待测球面波曲率真实值是未知的，这就直接 导致Δ ρ是未知的，而在数据拟合过程中Δ ρ是被作为已知量的，这种做法显然不合理。 另外，在标定系统物理参数过程中还采取了一系列的数学近似。针对Alexander Chernyshov方法中不合理之处，杨金生等人提出了一种新的夏 克_哈特曼传感器物理参数标定方法200910091741. 4 一种使用球面波前标定哈特曼-夏克 传感器的方法。在这种方法中共分两个步骤来确定夏克-哈特曼传感器的物理参数。第一， 假设相邻子透镜间距和CCD像素的真实值等于设计值，在这个假设的基础上通过测量不同半 径的球面波在CCD上相邻子孔径光斑间距计算出透镜阵列焦距真实值。第二，在第一步计算 所得透镜阵列焦距真实值的基础上通过二项式拟合得到夏克_哈特曼传感器的相邻子孔径 间距Ptl和待测球面波曲率半径真实值Re。很显然在确定透镜阵列焦距&和相邻子孔径间距 的真实值Ptl的过程中存在连环嵌套的假设，即计算fo时假设Ptl等于P，而在计算Ptl时用到了 上步中计算所得fo的值。并且，在标定参数过程中引入了一系列的数学近似。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有方法在标定夏克_哈特曼波前传感器物理参数的限制，提出一种通过解方程精确求解夏克-哈特曼传感器物理参数的方法，它能够 精确的标定出夏克_哈特曼波前传感器的物理参数，为夏克_哈特曼波前传感器的高精度 标定提供最为核心解决方案。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种使用球面波前标定夏克_哈特 曼传感器物理参数的方法，所述的夏克_哈特曼传感器物理参数包括透镜阵列的焦距&和 子透镜尺寸Po，其步骤如下步骤1，从图像文件中载入一系列不同曲率半径的球面波前在夏克-哈特曼传感 器的CCD上形成的图像及其对应的位置关系数据；步骤2，根据从图像文件中载入的对于某个曲率半径的球面波在夏克_哈特曼传 感器的(XD上形成的图像及其对应的位置关系数据，通过如下的公式计算对于某个曲率半 径球面波在(XD上第i个子孔径内图像光斑的质心(Xi，Yi) 第i个子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素个数(M，N)，光电探测器 光敏靶面上第(n，m)像素接收到的信号，第(n，m)像素的x，y坐标Xnm，y.；步骤3，分别计算出不同曲率半径对应的光斑阵列中相邻子孔径光斑在x，y方向 上的间距Qx，Qy，计算公式如下Qx = x-x^! Qy = Yi-Yi-i ⑵)公式(2)QX，Qy中为光斑阵列中相邻光斑在x，y方向上的间距，Xi，Xh分别表示第 i个子孔径和第i_l个子孔径内图像光斑的x坐标，ypyg分别表示第i个子孔径和第i_l 个子孔径内图像光斑的y坐标；在x，y方向上的光斑间距相等的情况下，设像素的大小为 S。，则相邻光斑间的距离可以表示为像素的倍数，即⑵可以表示成如下形式Qx = Qy = JS0 (3)其中，J为像素个数。步骤4，为了验证专利提出的标定物理参数方法的正确性，对多个不同曲率半径进 行验证。对于曲率半径为‘待测球面波，测量不同曲率半径改变量A、AR2和由此引起 的CCD上所形成点阵图中相邻光斑间距离的变化量AQ” A Q2，再通过公式(4)计算得到待 测球面波的曲率半径Rcu: 其中RrR01 = AR:, R2-R01 = AR2 是曲率半径改变量，A = Q「Q。，A Q2 = Q2-Q0 是曲率半径改变量分别为礼-Rcn = AR17 R2-R01 = AR2时对应的(XD上所形成点阵图相邻 光斑间距离的变化量，Q。，Qi，Q2分别是曲率半径为R。”礼，R2时CCD所形成点阵图相邻光斑 间的距离；步骤5，在夏克_哈特曼传感器中透镜阵列镜框上选一点，测量该点和光源之间的 距离RMfl，把步骤4中得到的R01代入公式(5)，得到Rrefl和R01的差值6 R 6 R = Rrefl-R01 (5)其中RMfl透镜阵列镜框的一点与光源之间的距离，R01为待测球面波的曲率半径；步骤6，对于曲率半径为&待测球面波，可以通过测量RMfi以及步骤5计算得到 的SR，简便的得到其曲率半径R0i = Rrefi- 6 R (6)由于要多次测量不同曲率半径的球面波，利用(6)直接计算曲率半径的真实值。 和对于每个待测球面波都要经过(4)计算曲率半径相比，有效的减少了运算量；步骤7，把计算得到的待测球面波的曲率半径值Rm代入到透镜阵列焦距和子透镜 尺寸公式(7)、⑶得到透镜阵列焦距&以及子透镜的尺寸&， 其中b，m, N为波曲率半径分别为礼，R2，R0i时，(XD所形成点阵图中相邻光斑间距 离占像素的个数；步骤8，由于球面波曲率半径越大，人为产生球面波引起的误差对面形误差影响越 小，考虑到实验所用夏克_哈特曼波前传感器的测量灵敏度，选取曲率半径为1. 75米的球 面波前作为参考波前，利用步骤7中得到的参数值计算标定波面信息。步骤9，验证参数标定的正确性，对测量的波前进行验证，如果用标定后的参数值， 即公式(7)和(8)的透镜阵列焦距&以及子透镜的尺寸&计算得到的波前面形减去步骤 8中标定波面信息后得到的精度高于用夏克_哈特曼波前传感器参数的设计值得到的波面 精度则说明参数的标定正确，则标定过程结束，反之则不正确需重复步骤2-9重新对参数 进行计算。本专利技术与现有技术相比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用球面波前标定夏克－哈特曼传感器物理参数的方法，所述的夏克－哈特曼传感器物理参数包括透镜阵列的焦距ｆ↓［０］和子透镜尺寸Ｐ↓［０］，其特征在于步骤如下：步骤１，从图像文件中载入一系列不同曲率半径的球面波前在夏克－哈特曼传感器的ＣＣＤ上形成的图像及其对应的位置关系数据；步骤２，根据从图像文件中载入的对于某个曲率半径的球面波在夏克－哈特曼传感器的ＣＣＤ上形成的图像及其对应的位置关系数据，通过如下的公式计算对于某个曲率半径球面波在ＣＣＤ上第ｉ个子孔径内图像光斑的质心（ｘ↓［ｉ骤５，在夏克－哈特曼传感器中透镜阵列镜框上选一点，测量该点和光源之间的距离Ｒ↓［ｒｅｆ１］，把步骤４中得到的Ｒ↓［０１］代入公式（５），得到Ｒ↓［ｒｅｆ１］和Ｒ↓［０１］的差值δ↓［Ｒ］：δ↓［Ｒ］＝Ｒ↓［ｒｅｆ１］－Ｒ↓［０１］（５）其中Ｒ↓［ｒｅｆ１］透镜阵列镜框的一点与光源之间的距离，Ｒ↓［０１］为待测球面波的曲率半径；步骤６，对于曲率半径为Ｒ↓［０ｉ］的待测球面波，通过测量Ｒ↓［ｒｅｆｉ］及步骤５计算得到的δＲ，简便的得到其曲率半径：Ｒ↓［０ｉ］＝Ｒ↓［ｒｅｆｉ］－δＲ（６）步骤７，把计算得到的待测球面波的曲率半径值Ｒ↓［０ｉ］代入到透镜阵列焦距和子透镜尺寸的计算公式（７）、（８）得到透镜阵列焦距ｆ↓［０］以及子透镜的尺寸Ｐ↓［０］，ｆ↓［０］＝Ｒ↓［１］Ｒ↓［２］（ｂ－ｍ）／（ｍＲ↓［１］－ｂＲ↓［２］）（７）Ｐ↓［０］＝ＮＳ↓［０］Ｒ↓［０ｉ］／Ｒ↓［０ｉ］＋ｆ↓［０］（８）其中ｂ，ｍ，Ｎ为波曲率半径分别为Ｒ↓［１］，Ｒ↓［２］，Ｒ↓［０ｉ］时，ＣＣＤ所形成点阵图中相邻光斑间距离占像素的个数；步骤８，选取曲率半径为１．７５米的球面波前作为参考波前，利用步骤７中得到的参数值计算标定波面信息；步骤９，验证参数标定的正确性，对测量的波前进行验证，如果用标定后的参数值，即公式（７）和（８）的透镜阵列焦距ｆ↓［０］以及子透镜的尺寸Ｐ↓［０］计算得到的波前面形减去步骤８中标定波前面形后得到的精度高于用夏克－哈特曼波前传感器参数的设计值得到的波面精度则说明参数的标定正确，则标定过程结束，反之则不正确需重复步骤２－９重新对参数进行计算。］，ｙ↓［ｉ］）：ｘ↓［ｉ］＝＊＊ｘ↓［ｎｍ］Ｉ↓［ｎｍ］／＊＊Ｉ↓［ｎｍ］ｙ↓［ｉ］＝＊＊ｙ↓［ｎｍ］Ｉ↓［ｎｍ］／＊＊Ｉ↓［ｎｍ］（１）第ｉ个子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素个数（Ｍ，Ｎ），光电探测...

【技术特征摘要】
一种使用球面波前标定夏克-哈特曼传感器物理参数的方法，所述的夏克-哈特曼传感器物理参数包括透镜阵列的焦距f0和子透镜尺寸P0，其特征在于步骤如下步骤1，从图像文件中载入一系列不同曲率半径的球面波前在夏克-哈特曼传感器的CCD上形成的图像及其对应的位置关系数据；步骤2，根据从图像文件中载入的对于某个曲率半径的球面波在夏克-哈特曼传感器的CCD上形成的图像及其对应的位置关系数据，通过如下的公式计算对于某个曲率半径球面波在CCD上第i个子孔径内图像光斑的质心(xi，yi) <mrow><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>x</mi> <mi>nm</mi></msub><msub> <mi>I</mi> <mi>nm</mi></msub> </mrow> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>I</mi> <mi>nm</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>y</mi> <mi>nm</mi></msub><msub> <mi>I</mi> <mi>nm</mi></msub> </mrow> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>I</mi> <mi>nm</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>第i个子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素个数(M，N)，光电探测器光敏靶面上第(n，m)像素接收到的信号Inm，第(n，m)像素的x，y坐标xnm，ynm；步骤3，根据步骤2中得到的子孔径内光斑的质心位置分别计算出不同曲率半径对应的光斑阵列中相邻子孔径光斑在x，y方向上的间距Qx，Qy，计算公式如下Qx＝xi-xi-1Qy＝yi-yi-1(2)Qx，Qy中为光斑阵列中相邻光斑在x，y方向上的间距，xi，xi-1分别表示第i个子孔径和第i-1个子孔径内图像光斑的x坐标，yi，yi-1分别表示第i个子孔径和第i-1个子孔径内图像光斑的y坐标；在x，y方向上的光斑间距相等的情况下，设像素的大小为S0，则相邻光斑间的距离可以表示为像素的倍数，即(2)可以表示为如下形式Qx＝Qy＝JS0(3)其中，J为像素个数；步骤4，为了验证标定物理参数方法的正确性，对多个不同曲率半径进行验证，对于曲率半径为R01待测球面波，测量不同曲率半径改变量ΔR1，ΔR2和由此引起的CCD上所形成点阵图中相邻光斑间距离的变化量ΔQ1，ΔQ2，再通过公式(4)计算得到待测球面波的曲率半径R01 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>01</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>&Delta;</mi> <msub><mi>Q</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>&Delta;</mi> <msub><mi>Q</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈红丽，饶长辉，杨金生，饶学军，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]