[发明专利]一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法

说明书

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的方法，尤其涉及一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法。

背景技术

波前传感器作为典型的现代光学测量手段，具有高精度、高速、高灵敏度等诸多特点，已被广泛地应用于自适应光学、光学检测、光电探测、激光通信等领域。尤其是对于自适应光学系统，光波波前的实时探测是实现光束波前像差稳定高效校正的一个重要前提。目前，已有多种波前测量方法得到了实际应用，比如剪切干涉波前传感技术、哈特曼波前传感技术、曲率波前传感技术和相位反演法等。这些方法各自的技术特征与性能优势十分不同，因而分别被用于各种不同应用场合，其中哈特曼波前传感技术能同时测量两个方向的波前斜率，光能利用率较高，结构简单，并可探测连续光或脉冲光，已经成为目前最流行、应用最广泛的波前传感技术之一。

典型的哈特曼波前传感器可以参见中国专利申请公开说明书(申请号98112210.8，公开号CN1245904)公开的一种光学波前传感器，其实现方式主要采用波前分割采样阵列元件(如微透镜阵列)将入射波前分割成许多子孔径，并分别汇聚到焦平面成像，光电探测器阵列(一般采用CCD探测器或者CMOS探测器)放置于波前分割采样阵列元件的焦平面，采集一系列光斑阵列图像，最终通过各子光斑质心位置的计算处理获得所需的波前相位测量数据。哈特曼波前传感器具备鲜明的技术特点，但其性能短板也很明显。其波前测量精度难以企及剪切干涉仪的水准，从而难以在高精度波前探测领域有所建树，所以提升哈特曼波前传感器波前测量精度一直是研究热点。

哈特曼波前传感器的波前探测数据是通过提取光斑阵列图像中的有效信息，利用匹配的哈特曼波前传感器波前复原算法重构得到的。自哈特曼波前传感技术问世以来，将子孔径中波前分布视为只含倾斜像差的平面便是其波前探测理论模型的基础。因此，目前的哈特曼波前传感复原算法中，不论是区域法(参见“Wave-front estimation from wave-front slope measurements”,W.H.Southwell.[J].JOSA 70(8),998-1006,1980)还是模式法(参见“Wave-front reconstruction using a Shack-Hartmann sensor”，R.G.Lane and M.Tallon.[J].Appl.Opt.31(32),6902-6908,1992)，均将上述模型基础视为波前复原算法的前提条件，因而在单个方向上，在每个子孔径中只提取一个波前倾斜斜率数据点，最终波前复原的精度以及整个哈特曼波前传感器的空间分辨率都严格受限于波前分割采样阵列元件的分辨率。因此，有关提高哈特曼波前传感器探测精度的研究主要集中在提升光斑质心(或者说是子孔径内波前斜率)的探测精度，其主要目的是在空间分辨率受限于波前分割采样阵列元件的条件下，尽可能实现更高准确度的波前复原，但无法突破这一根本限制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，突破哈特曼波前传感器测量空间分辨率受限于波前分割采样阵列元件分辨率的技术现状，在不改变传感器光学结构的基础上，通过提供一种新型的哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法，以光斑阵列强度分布数据作为算法分析的核心对象，充分提取光斑阵列图像中蕴含的信息(包括各光斑质心偏移和光强弥散分布信息)，摆脱波前分割采样阵列元件分辨率对波前重构过程的限制与干预，最终解放哈特曼波前传感器探测的空间分辨率，使波前测量精度得以质的提升。

本发明的技术解决方案是：一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法，其特征在于通过以下步骤实现超过哈特曼波前传感器衍射元件阵列分辨率的波前复原：

步骤1：已知近场强度分布I_near和哈特曼波前传感器衍射元件阵列焦平面上(远场)光斑阵列强度分布I_far，并选取波前复原方法中近场波前相位分布初始值φ_near，以实际近场强度分布I_near平方根作为近场光波振幅，则有近场光波复振幅为：

步骤2：根据衍射元件阵列的复振幅透过率函数，计算近场光波复振幅E_near透过衍射元件阵列后，传播至衍射元件阵列焦平面上的远场光波复振幅分布理论值：

式中A_far、φ_far分别为计算远场光波振幅分布和波前分布；