一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法技术

一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法，采用经典哈特曼波前传感器的光学结构，利用光电探测器阵列获取的光斑阵列图像作为光波远场频域信号，根据微透镜阵列的复振幅透过率函数，通过光学衍射公式和相位反演基本数理过程，在近场空域波前未知量与远场频域光斑阵列已知量之间迭代收敛，最终获得超微透镜分辨率的高精度波前测量结果。本发明专利技术以改造哈特曼波前传感器复原算法为手段，摆脱波前复原分辨率受限于微透镜阵列分辨率的限制，充分利用哈特曼波前传感器光斑阵列图像信息，将困扰光斑质心探测的光斑弥散信息加以利用，有效提升波前测量精度，降低对高密度微透镜阵列的需求和依赖，因而可应用于高精度波前探测、弱信号波前探测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法
本专利技术属于光学信息测量
，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。
技术介绍
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-frontestimationfromwave-frontslopemeasurements”,W.H.Southwell.[J].JOSA70(8),998-1006,1980)还是模式法(参见“Wave-frontreconstructionusingaShack-Hartmannsensor”，R.G.LaneandM.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。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：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。本专利技术的技术解决方案是：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Inear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Ifar，并选取波前复原方法中近场波前相位分布初始值φnear，以实际近场强度分布Inear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Enear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Afar、φfar分别为计算远场光波振幅分布和波前分布；步骤3：将远场光波复振幅Efar对应的远场光强分布理论值|Efar|2，与实际远场光斑阵列强度分布Ifar对比，求出两者差异的均方根值：SSE＝rms(|Efar|2-Ifar)，(3)式中rms表示求均方根；若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场波前相位φnear与实际待测波前相位拥有一致的远场光强分布，则当前近场波前相位φnear即为实际近场波前分布，作为复原方法结果输出，超分辨波前复原方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则将远场实际光强分布Ifar平方根作为远场光波振幅，有变换后远场光波复振幅为：步骤4：利用变化后远场光波复振幅Efar′，计算逆向衍射后对应的衍射元件阵列近场光波复振幅的理论值：式中Anear为计算近场光波振幅分布，φnear′为计算近场光波波前分布；步骤5：以计算的近场光波波前分布φnear′更新近场光波相位，结合实际近场强度分布Inear平方根作为近场光波振幅，有更新后近场光波复振幅为：步骤6：重新进入复原方法步骤2，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤3满足判定标准，则超分辨波前复原运算结束，输出复原的近场波前相位结果。所述步骤1中的选取波前复原方法中近场波前相位分布初始值φnear，可以是根据哈特曼波前传感器获得的实际远场光斑阵列强度分布Ifar，通过传统哈特曼波前传感器模式复原算法或区域复原算法得到的计算初始值，也可以是无任何先验信息的全零值分布。所述的衍射元件阵列是对光束进行分割采样的阵列型衍射器件，使单光束具有多个光点像，可以是二元菲涅尔微透镜阵列，或连续表面微透镜阵列，或梯度折射率微透镜阵列。本专利技术与现有技术相比有如下优点：本专利技术所述方法不改变哈特曼波前传感器光学结构，只需升级波前复原重构算法的数理执行过程，植入与实现简单；同时，本专利技术充分利用了原本影响哈特曼波前传感器光斑质心探测精度的光斑弥散分布信息，打破哈特曼波前传感器探测分辨率与波前分割采样阵列元件空间分辨率的关联，使波前复原精度拥有质的提升；此外，本专利技术大大缓解了对波前分割采样阵列元件分辨率的要求，从而无需为了实现高精度波前复原而追求高密度的子孔径排布，甚至能够以极稀疏的子孔径排布完成高精度的波前传感，有助于提高光能利用率，提升探测信噪比，这对弱光、微光条件下的波前探测具有十分重要的意义。附图说明图1为本专利技术的方法实现原理流程图；图2为本专利技术实施例一中输入的待测波前以及对应的哈特曼波前传感器光斑阵列图像；图3为本专利技术实施例一中模式复原算法的波前复原结果；图4为本专利技术实施例一中超分辨波前复原方法评价指标收敛曲线；图5为本专利技术实施例一中超分辨波前复原方法的波前复原结果；图6为本专利技术实施例一中超分辨波前复原方法的模式系数复原结果；图7为本专利技术实施例二中输入的待测波前以及对应的哈特曼波前传感器光斑阵列图像；图8为本专利技术实施例二中模式复原算法的波前复原结果；图9为本专利技术实施例二中超分辨波前复原方法的波前复原结果；；图10为本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：已知近场强度分布Inear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Ifar，并选取波前复原方法中近场波前相位分布初始值φnear，以实际近场强度分布Inear平方根作为近场光波振幅，则有近场光波复振幅为：Enear=Inear·eiφnear;---(1)]]>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Enear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：Efar=Afar·eiφfar,---(2)]]>式中Afar、φfar分别为计算远场光波振幅分布和波前分布；步骤3：将远场光波复振幅Efar对应的远场光强分布理论值|Efar|2，与实际远场光斑阵列强度分布Ifar对比，求出两者差异的均方根值：SSE＝rms(|Efar|2‑Ifar)，   (3)式中rms表示求均方根；若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场波前相位φnear与实际待测波前相位拥有一致的远场光强分布，则当前近场波前相位φnear即为实际近场波前分布，作为复原方法结果输出，超分辨波前复原方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则将远场实际光强分布Ifar平方根作为远场光波振幅，有变换后远场光波复振幅为：Efar′=Ifar·eiφfar;---(4)]]>步骤4：利用变化后远场光波复振幅Efar′，计算逆向衍射后对应的衍射元件阵列近场光波复振幅的理论值：Enear′=Anear·eiφnear′---(5)]]>式中Anear为计算近场光波振幅分布，φnear′为计算近场光波波前分布；步骤5：以计算的近场光波波前分布φnear′更新近场光波相位，结合实际近场强度分布Inear平方根作为近场光波振幅，有更新后近场光波复振幅为：Enear=Inear·eiφnear′;---(6)]]>步骤6：重新进入复原方法步骤2，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤3满足判定标准，则超分辨波前复原运算结束，输出复原的近场波前相位结果。...

【技术特征摘要】
1.一种哈特曼波前传感器超分辨波前复原方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：已知近场强度分布Inear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Ifar，并选取波前复原方法中近场波前相位分布初始值φnear，以实际近场强度分布Inear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，所述函数表示为：式中x、y为近场空域坐标自变量，a、b分别为微透镜x方向宽度和y方向宽度，N、M分别为x方向微透镜数目和y方向微透镜数目，k表示波数，f表示微透镜焦距，计算近场光波复振幅Enear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Afar、φfar分别为计算远场光波振幅分布和波前分布；步骤3：将远场光波复振幅Efar对应的远场光强分布理论值|Efar|2，与实际远场光斑阵列强度分布Ifar对比，求出两者差异的均方根值：SSE＝rms(|Efar|2-Ifar)，(3)式中rms表示求均方根；若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场波前相位φnear与实际待测波前相位拥有一致的远场光强分布，则当前近场波前相位φnear即为实际近场波前...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，杨平，许冰，何星，刘文，董理治，傅筱莹，陈小君，
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：四川;51