一种使用球面波前绝对标定哈特曼-夏克传感器的方法

摘要

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。

主权项

1、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)：$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{nm}}}$$y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{nm}}{T}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$式中，m＝1-M，n＝1-N为子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是光电探测器光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，X_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标；步骤3，分别计算出不同曲率半径对应的光斑阵列中相邻光斑在x和y方向上的间距，用如下公式计算：Dx＝x_i-x_i-1        Dy＝y_i-y_i-1        (2)公式(2)中Dx和Dy为光斑阵列中相邻光斑在x和y方向上的间距，x_i，x_i-i，分别表示相邻的第i列和第i-1列光斑的x坐标，y_i和y_i-1分别表示相邻的第i行和第i-1行光斑的y坐标；在x和y方向上的光斑间距相等的情况下，设像素的大小为S，等式(2)表示为：Dx＝Dy＝JS                (3)其中，J为像素个数；步骤4，根据球面波前的性质并且结合等式(3)结合建立如下描述球面波曲率半径和哈特曼-夏克传感器参数之间关系式：$Z=Z_{\mathrm{ref}}-\mathrm{\delta Z}=\frac{\mathrm{fP}}{\mathrm{JS}-P}---\left(4\right)$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，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。