一种使用球面波前标定哈特曼－夏克传感器的绝对标定方法，该标定方法可以非常准确地标定哈特曼－夏克传感器的物理参数和测量精度；其特征在于：利用球面波前与传感器输出之间的对应关系精确标定出传感器的物理参数；并且使用球面波前代替传统标定中使用的平面波前作为标定哈特曼－夏克传感器的参考光束。由于球面波前曲率半径与传感器输出的点阵图像特征之间存在着一一对应的关系，那么通过精确控制被测球面波前的曲率半径，并且将不同曲率半径时传感器输出图像的信息与对应的球面波前曲率半径信息相互联系，可以精确的标定出哈特曼－夏克传感器物理参数的实际值。使用球面波前代替平面波前作为去除系统误差的参考光束，由于消除了平面波前的自身误差对于提高哈特曼－夏克传感器的测量精度是有益的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种哈特曼-夏克传感器的标定方法，特别涉及一种利用球面波前绝对 标定的哈特曼-夏克传感器标定方法。
技术介绍
哈特曼-夏克波前传感器是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。作为测量仪器，哈 特曼-夏克波前传感器在使用之前必须要经过标定这一环节，标定要完成的主要任务有 两个，第一，通过标定消除组装误差和光学元件的加工误差等系统误差；第二，标定出 哈特曼-夏克传感器的物理参数从而确定由复原波前对应到被测波前的比例系数。传统的哈特曼-夏克波前传感器标定方法中，消除系统误差使用的是经过针孔滤波 和准直后的平行光束作为参考光束，直接照射到哈特曼-夏克波前传感器上，将此时形 成的光斑点阵图像作为消除了系统误差的光斑点阵带入到以后的图像复原过程中去。这 个过程中，作为标准的平行光的光束质量就显得至关重要，平行光束中的像差最终将不 可消除。传统标定方法中，确定复原过程中的比例系数的方法是使用另外一种光学测量 仪器(一般是干涉仪)与哈特曼-夏克波前传感器测量同一块相位板的像差分布情况， 然后对比两次测量的结果，以另一种测量仪器的结果作为标准修订哈特曼-夏克波前传 感器的波前复原结果，从而确定波前复原比例系数。传统的哈特曼-夏克波前传感器标定方法中，无论是标定系统误差还是标定波前复 原比例系数的过程中都将引入不可消除的系统的误差。对于波前的高精度测量而言，这 种误差的存在将导致波前测量精度的损失。由于传统的哈特曼-夏克波前传感器标定方法在传感器的高精度标定上显得无能为 力， 一种替代传统标定方法的新方法就显得相当必要。最近，Alexander Chemyshov等发表了使用球面波前作为参考波前可以精确的标定 出哈特曼-夏克传感器的物理参数的技术文章(具体可以参考文献AlexanderChernyshov， Uwe Sterr, Fritz Riehle, Jtirgen Helmcke， and Johannes Pfiind. Calibration of a Shack—Hartmann sensor for absolute measurements of wavefhmts. Applied Optics.2005,44(30), 6419~6425)。这为哈特曼-夏克传感器的高精度标定提供了一条新的途径。但是 文献中在确定系统物理参数(由此可以得到波前复原的比例系数)的过程中，由哈特曼 -夏克传感器输出的点阵计算得到的球面波前曲率与球面波实际曲率的差值被当作一个 已知的量来使用。然而实际计算的过程中，在哈特曼-夏克传感器的物理参数和标定装 置的参数没有被确定之前，球面波前实际曲率是未知的，那么计算所得的曲率与实际波 前曲率的差值同样也是未知的，把该差值当作以已知量来使用并不合理。
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哈特曼-夏克波前传感器时精度 或者应用范围的限制，提出一种利用球面波标定哈特曼-夏克波前传感器的新方法，它 能够精确的标定出哈特曼-夏克波前传感器的物理参数及其系统误差，为哈特曼-夏克波 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步骤1，从图像文件中载入用于计算的一系列不同迪率半径的球面波前在哈特曼-夏克传感器上形成的图像及其对应的位置关系数据；步骤2，对从文件中载入的数据中，通过如下的公式计算每组图像光斑的质心<formula>formula see original document page 7</formula>"加<formula>formula see original document page 7</formula>(i)式中，m=l-M，n=l-N为子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素区域，I 是光电探测器光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，X , ynM分别为第(n，m)个 像素的x坐标和y坐标；步骤3,分别计算出不同曲率半径对应的光斑阵列中相邻光斑在x和y方向上的间 距Dx和Dy，用如下公式计算<formula>formula see original document page 7</formula> (2)公式(2)中Dx和Dy为光斑阵列中相邻光斑在x和y方向上的间距，Xi， Xh，分别表示 相邻的第i列和第i-1列光斑的x坐标，^和yw分别表示相邻的第i行和第i-1行光 斑的y坐标。在x和y方向上的光斑间距相等的情况下，设像素的大小为S，等式(2)可以表示为Dx=Dy=JS (3)其中，J为像素个数；步骤4，根据球面波前的性质并且结合等式(3)结合建立如下描述球面波曲率半径 和哈特曼传感器参数之间关系式其中，Z表示形成的光斑阵列的球面波前的曲率半径，Zw是标定点光源与传感器上 选取的参考点的距离，SZ指的是点光源到达微透镜阵列的距离，即球面波前的曲率半 径Z。与点光源与参考点距离的偏差，f是微透镜阵列的焦距，P是微透镜阵列子孔径的 尺寸，J为像素个数，S为像素的大小；步骤5，通过对等式(4)进行泰勒多项式展开，并且舍去高阶项，获得可以精确计 算传感器和标定系统物理参数的关系式，通过完全曲线拟合或先求部分参数再使用曲线 拟合或者先求部分参数再使用解方程组的方式获得传感器和标定系统物理参数;'步骤6，选取标定系统参数时采集的一组曲率半径较大的曲面波前形成的点阵作为 系统波前复原的参考图像，并且以此图像作为基准，计算标定图像质心和划分计算光斑 质心区域；步骤7，将标定图像的离焦信息作为修正信息带入波前复原程序中，将这个离焦信 息从重构的波前结果中去除；步骤8，使用标定完成的传感器测量入射的已知波前，并且分析波前复原精 度，如果波前复原精度偏离了预计数值，重复步骤2-步骤7，如果波前复原精度达到了 预计数值，结束标定过程。本专利技术与现有技术相比的有益效果是(1) 本专利技术所涉及的哈特曼-夏克传感器的标定方法仅利用球面波前在传感器上形 成的点阵信息，能够确定传感器的物理参数和波前复原参考图像。与现有技术相比不仅 避免了与干涉仪等其他测量仪器对比的过程，而且大大的提高了标定后传感器的测量精 度。(2) 利用球面波前与传感器输出之间的对应关系精确标定出传感器的物理参数； 并且使用球面波前代替传统标定中使用的平面波前作为标定哈特曼-夏克传感器的参考 光束。由于球面波前曲率半径与传感器输出的点阵图像特征之间存在着一一对应的关8系，那么通过精确控制被测球面波前的曲率半径，并且将不同曲率半径时传感器输出图 像的信息与对应的球面波前曲率半径信息相互联系，可以精确的标定出哈特曼-夏克传 感器物理参数的实际值。使用球面波前代替平面波前作为去除系统误差的参考光束，由 于消除了平面波前的自身误差对于提高哈特曼-夏克传感器的测量精度是有益的。 附图说明图1为本专利技术的流程图； 图2为哈特曼-夏克传感器的光学结构示意图； 图3为测量参考距离与实际距离的相互关系。 图中，l.微透镜阵列，2.光电探测器。 具体实施例方式首先介绍一下哈特曼-夏克传感器的光学结构和工作的基本原理。如图本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过球面波绝对标定哈特曼－夏克传感器的方法，其特征在于步骤如下： 步骤１，从图像文件中载入用于计算的一系列不同曲率半径的球面波前在哈特曼－夏克传感器上形成的图像及其对应的位置关系数据； 步骤２，对从文件中载入的数据中，通过如下的公式计算每组图像光斑的质心（ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ］）： ＊＊＊ （１） 式中，ｍ＝１－Ｍ，ｎ＝１－Ｎ为子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素区域，Ｉ↓［ｎｍ］是光电探测器光敏靶面上第（ｎ，ｍ）个像素接收到的信号，Ｘ↓［ｎｍ］，ｙ↓［ｎｍ］分别为第（ｎ，ｍ）个像素的ｘ坐标和ｙ坐标； 步骤３，分别计算出不同曲率半径对应的光斑阵列中相邻光斑在ｘ和ｙ方向上的间距，用如下公式计算： Ｄｘ＝ｘ↓［ｉ］－ｘ↓［ｉ－１］ Ｄｙ＝ｙ↓［ｉ］－ｙ↓［ｉ－１］ （２） 公式（２）中Ｄｘ和Ｄｙ为光斑阵列中相邻光斑在ｘ和ｙ方向上的间距，ｘ↓［ｉ］，ｘ↓［ｉ－ｉ］，分别表示相邻的第ｉ列和第ｉ－１列光斑的ｘ坐标，ｙ↓［ｉ］和ｙ↓［ｉ－１］分别表示相邻的第ｉ行和第ｉ－１行光斑的ｙ坐标； 在ｘ和ｙ方向上的光斑间距相等的情况下，设像素的大小为Ｓ，等式（２）表示为： Ｄｘ＝Ｄｙ＝ＪＳ （３） 其中，Ｊ为像素个数； 步骤４，根据球面波前的性质并且结合等式（３）结合建立如下描述球面波曲率半径和哈特曼－夏克传感器参数之间关系式： Ｚ＝Ｚ↓［ｒｅｆ］－δＺ＝ｆＰ／（ＪＳ－Ｐ） （４） 其中，Ｚ表示形成的光斑阵列的球面波前的曲率半径，Ｚ↓［ｒｅｆ］是标定点光源与传感器上选取的参考点的距离，δＺ指的是点光源到达微透镜阵列的距离，即球面波前的曲率半径Ｚ与点光源与参考点距离的偏差，ｆ是微透镜阵列的焦距，Ｐ是微透镜阵列子孔径的尺寸，Ｊ为像素个数，Ｓ为像素的大小； 步骤５，通过对等式（４）进行泰勒多项式展开，并且舍去高阶项，获得可以精确计算传感器和标定系统物理参数的关系式，通过完全曲线拟合或先求部分参数再使用曲线拟合或者先求部分参数再使用解方程组的方式获得传感器和标定系统物理参数； 步骤６，选取标定系统参数时采集的一组曲率半径较大的曲面波前形成的点阵作为系统波前复原的参考图像，并且以此图像作为基准，计算标定图像质心和划分计算光斑质心区域； 步骤７，将标定图像的离焦信息作为修正信息带入波前复原程序中，将这个离焦信息从重构的波前结果中去除； 步骤８，使用标定完成的传感器测量入射的已知波前，并且分析波前复原精度，如果波前复原精度偏离了预计数值...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：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]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。