[发明专利]一种提高夏克-哈特曼波前传感器测量精度的波前重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及夏克-哈特曼波前传感器测量的技术领域，特别涉及一种提高夏克-哈特曼波前传感器测量精度的波前重构方法，可以减少空间采样率不足对于夏克-哈特曼波前传感器探测精度的影响。

背景技术

夏克-哈特曼波前传感器是在经典哈特夏克-哈特曼测量方法的基础上发展起来的波前测量仪器。它与传统的数字式干涉仪比较具有结构简单、没有移动部件、抗振动能力强、对被测光的相干性没有要求、使用时无需参考光、可实时记录波前变化过程、并同时适用于连续光和脉冲光的测量等优点,现已广泛地应用在自适应光学系统的实时波前探测、激光器光束质量诊断、大口径光学件面形检测以及记录镜面连续变化过程中。

夏克-哈特曼传感器是一种以波前斜率测量为基础的波前测试仪器。它能以高的时间分辨率和空间分辨率提供光束相位和振幅(光强)的动态时空分布。如专利附图图1所示,在传感器中用孔径分割元件(微透镜阵列),将入射孔径分割成许多子孔径,入射波前分别会聚在子孔径焦点上形成子孔径光斑阵列,探测被测波前的子孔径光斑相对标定光的偏移量就能测量出光瞳面上各个子孔径内波前的平均二维斜率(即局部波前斜率),根据这些斜率数据经过波前复原算法即可以重构出被测光束近场相位分布和远场焦斑信息。

夏克-哈特曼波前传感器最大的缺点在于子孔径阵列数有限，导致空间采样率较低，当待测波前像差含有较多高阶成分时此弱点则更为明显。为了探测分析平面上一个点的像差需要，需要使用CCD上数十个点参与计算。若增加子孔径阵列数（换取更高空间分辨率）又将导致单个子孔径内的像素点减少，影响整个传感器的动态范围。更为不利的是，减少子孔径内的像素数会使子孔径的衍射光斑进入相邻子孔径内，影响质心计算的精度。

另一方面，现有夏克-哈特曼波前传感器的波前复原算法只是利用了子孔径内光斑进行一阶矩的计算（倾斜），大量光斑形态信息并未使用。这实际上是极大的浪费，若能充分利用光斑的形态特征则有可能进一步提高夏克-哈特曼波前传感器的测量精度。

发明内容

本发明的目的是：克服现有夏克-哈特曼传感器的不足，提出一种基于迭代算法的波前复原方法以克服空间分辨率不足的问题，实现提高夏克-哈特曼传感器探测精度的目的。该发明充分利用夏克-哈特曼波前传感器的光斑信息，不需要对夏克-哈特曼传感器的硬件做任何改动，只要传感器可以正常工作，都能够提高测量精度。

本发明的技术解决方案是：方案1、一种提高夏克-哈特曼波前传感器测量精度的波前重构方法，该方法包括如下步骤：

步骤（1）、记录夏克-哈特曼波前传感器探测到的初始波前像差子孔径排布p_i(x,y)以及哈特曼点阵S₀(x,y)，其中i≤M，M为子孔径数；

步骤（2）、将初始波前像差根据子孔径排布p_i(x,y)在计算机上对做区域分割并进行二次成像，得到哈特曼点阵S_est(x,y)；

步骤（3）、根据子孔径排布p_i(x,y)计算各个子孔径的质心坐标(g_x,i,g_y,i)并得到各个子孔径的斜率；

步骤（4）、将各个子孔径的斜率斜率复原为波前像差

步骤（5）、估计出的波前像差根据子孔径排布在计算机上重新做区域分割并进行二次成像，得到新的哈特曼点阵S'_est(x,y)；为保持迭代过程符号一致，令：

S_est(x,y)＝S′_est(x,y)；

步骤（6）、度量S₀(x,y)与S_est(x,y)的相似性，并以此作为迭代停止条件，若满足迭代停止条件的要求则输出波前像差否则转向步骤（3）继续迭代。

方案2、所述步骤（1）中的由夏克-哈特曼波前传感器计算得到；而S₀(x,y)则由夏克-哈特曼波前传感器的CCD元件给出；p_i(x,y)由夏克-哈特曼波前传感器的微透镜排布得到：