一种基于自适应拟合的波前传感器的制作方法

本发明涉及波前测量的技术领域，具体涉及一种基于自适应拟合的波前传感器。

背景技术：

基于哈特曼波前探测技术的波前测量具有结构原理简单、数据处理方便、动态范围可调、实时性好等诸多优点的同时具有无损性、高精度的特性，已经成为常用的波前测量器件，广泛应用于在镜面面型检测、激光参数诊断、流场CT重建、人眼像差诊断、光路准直等方面。

现有技术中的哈特曼波前传感器作为一种以波前斜率测量为基础的波前测试仪器，可以通过其包括的微透镜阵列将被测波前分为若干个采样单元，参见图1，这些采样单元分别由高质量透镜汇聚在分离的焦点上，然后用质心探测器件接收。每个子孔径范围内的波前倾斜将造成其光斑的在x和y方向上的位移，光斑的质心在x和y方向上的偏离程度反映了对应采样单元波面在两个方向上的波前斜率。

利用哈特曼波前传感器测量波前时，主要的误差来源是波前的空间采样误差和光斑的质心测量误差。一方面，考虑到微透镜阵列对被测波前的空间采样频率越高，拟合斜率对被测波前的近似程度越好，重构波前也就越接近被测波前，则测量精度也就越高，但是，在实际应用中，无法靠采用无限制地提高微透镜阵列的阵列数来提高哈特曼波前传感器的测量精度，且哈特曼波前传感器的测量误差随着被测波前起伏的绝对值的减小而降低；另一方面，考虑到CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机的噪声、背景噪声以及像素的采样误差而导致CCD相机在测量光斑质心造成质心测量误差，而对于像差较大的被测波前而言，该像差会严重影响光斑的形状和光斑能量的集中度，导致光斑质心的测量不精确。

发明人在研究中发现，现有技术中的哈特曼波前传感器由于存在空间采样误差和质心测量误差，而导致其测量结果精确度较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于自适应拟合的波前传感器，通过波前拟合器循环复原和拟合的过程不断逼近拟合复原波前的补偿量以对复原波前进行测量，测量精确度较高。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于自适应拟合的波前传感器，包括：波前传感器、波前拟合器和波前复原器；其中，

所述波前传感器，用于接收被测波前，对所述被测波前进行分割汇聚处理，得到光斑阵列；

所述波前拟合器，用于对所述光斑阵列进行复原处理，得到复原波前，并对所述复原波前进行空间迭代拟合处理，得到趋于稳定值的复原波前补偿量；

所述波前复原器，用于对趋于稳定值的所述复原波前补偿量进行复原处理，得到高精度的复原波前。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，波前拟合器对复原波前进行空间迭代拟合处理，得到趋于稳定值的复原波前补偿量，包括：

所述波前拟合器在复原所述光斑阵列得到复原波前后，对所述复原波前进行第一次拟合处理，得到所述复原波前对应的第一补偿量，根据所述第一补偿量计算误差波前，将所述误差波前发送至所述波前传感器进行分割汇聚处理，再次接收所述波前传感器发送的误差波前的误差光斑阵列，并进行复原处理，得到第二补偿量，将所述第二补偿量与所述第一补偿量进行叠加处理，得到复原波前补偿量；重复根据所述第二补偿量计算误差波前，并将所述误差波前发送至所述波前传感器进行分割汇聚处理，以及接收误差波前的误差光斑阵列并进行复原和叠加处理的过程，直至叠加得到的所述复原波前补偿量趋于稳定值时，得到所述复原波前补偿量。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述波前拟合器包括：波前控制器和空间光调制器；

所述波前控制器，用于接收所述波前传感器发送的所述光斑阵列，计算所述光斑阵列与预设标准光斑阵列的差值，并根据计算的所述差值对所述被测波前进行复原处理；根据复原处理得到的所述复原波前生成用于控制所述空间光调制器的第一调制信号；

所述空间光调制器，用于根据所述第一调制信号对所述复原波前进行第一次拟合处理，得到所述复原波前对应的第一补偿量；根据所述第一补偿量对所述被测波前进行调制分析处理，将调制分析处理结果作为误差波前发送至所述波前传感器进行分割汇聚处理。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述波前控制器，还用于重复接收所述波前传感器发送的对调制分析处理结果进行分割汇聚处理得到的误差光斑阵列，计算所述误差光斑阵列与预设标准光斑阵列的差值，并根据计算的所述差值对所述误差波前进行复原处理；根据复原处理得到的补偿波前生成用于控制所述空间光调制器的第二调制信号；

所述空间光调制器，还用于重复根据所述第二调制信号对所述补偿波前进行预设次数的空间拟合处理，得到所述补偿波前对应的第二补偿量；将所述第二补偿量和所述第一补偿量进行叠加处理，得到复原波前补偿量；根据所述复原波前补偿量对所述被测波前进行调制分析处理，将调制分析处理的结果作为误差波前发送至所述波前传感器进行分割汇聚处理，直至叠加得到的所述复原波前补偿量趋于稳定值时，得到所述复原波前补偿量。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述计算所述光斑阵列与预设标准光斑阵列的差值，并根据计算的所述差值对所述被测波前进行复原处理，包括：

所述波前控制器将预存的标准光斑阵列与所述光斑阵列的差值运算结果转换为斜率向量；

利用奇异值分解法对泽尼克多项式对应的复原矩阵进行重构处理，得到重构矩阵；

根据所述斜率向量和所述重构矩阵，计算所述泽尼克多项式对应的泽尼克系数向量；

根据所述泽尼克多项式和其对应的所述泽尼克系数向量，复原所述被测波前的复原波前。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，空间光调制器根据调制信号进行拟合处理，得到对应于复原波前或者补偿波前的补偿量，包括：

所述空间光调制器接收所述第一调制信号，根据所述第一调制信号对所述被测波前进行取反拟合处理，得到所述复原波前的第一补偿量；

以及，所述空间光调制器接收所述第二调制信号，根据所述第二调制信号对所述补偿波前进行取反拟合处理，得到所述补偿波前的第二补偿量。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，

所述波前复原器，用于对所述空间光调制器叠加得到的所述复原波前补偿量进行取反处理，得到高精度的复原波前。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述波前传感器包括：包括微透镜阵列和质心探测器件；

所述微透镜阵列，用于接收所述被测波前或者误差波前，将所述被测波前或者所述误差波前进行分割处理，得到与所述微透镜阵列数目相匹配的原始子波前或者误差子波前，将所述原始子波前或者所述误差子波前进行汇聚处理，生成对应于所述原始子波前的光斑阵列或者对应于所述误差子波前的误差光斑阵列；

所述质心探测器件，用于存储并显示所述光斑阵列或者所述误差光斑阵列。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，还包括反射镜；

所述反射镜，用于接收所述被测波前，对所述被测波前进行角度调整，以便于所述波前传感器能够按照预设匹配角度接收所述被测波前。

结合第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第一方面的第八种可能的实施方式中的任一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述波前传感器为哈特曼波前传感器。

本发明实施例提供的基于自适应拟合的波前传感器，采用波前传感器、波前拟合器和波前复原器使得整个波前传感器一体化，与现有技术中的哈特曼波前传感器由于存在空间采样误差和质心测量误差，而导致测量结果精确度较差相比，其通过波前拟合器循环的对波前传感器输出的光斑阵列进行复原处理的同时，还能够不断逼近拟合复原波前的补偿量以得到趋于稳定值的复原波前的补偿量，最后再通过波前复原器对上述趋于稳定值的复原波前的补偿量进行复原处理以得到高精度的复原波前，由于上述波前传感器在波前拟合器的作用下循环测量的是补偿拟合后的误差量，而随着循环次数的增加，误差量起伏减小，其测量精度增高，从而实现了对复原波前的高精度测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了哈特曼波前传感器的工作原理示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种基于自适应拟合的波前传感器的结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种基于自适应拟合的波前传感器中波前拟合器的结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种基于自适应拟合的波前传感器的应用场景示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种基于自适应拟合的波前传感器中波前传感器的结构示意图。

主要元件符号说明：

11、波前传感器；22、波前拟合器；33、波前复原器；44、反射镜；111、微透镜阵列；112、质心探测器件；221、波前控制器；222、空间光调制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到现有技术中的哈特曼波前传感器，对于起伏绝对值较大的被测波前而言，无法通过提高微透镜阵列的阵列数来提高哈特曼波前传感器的测量精度，而导致该波前传感器的测量误差较大；对于像差较大的被测波前而言，该像差会严重影响光斑的形状和光斑能量的集中度，导致光斑质心的测量不精确，从而使得波前传感器的测量也同样不精确。基于此，本发明实施例提供了一种基于自适应拟合的波前传感器，该波前传感器通过循环复原和拟合的过程不断逼近拟合复原波前的补偿量以对复原波前进行测量，测量精确度较高。

本发明提供的基于自适应拟合的波前传感器的具体结构如下：

参见图2，本发明实施例提供了一种基于自适应拟合的波前传感器，该波前传感器具体包括：波前传感器11、波前拟合器22和波前复原器33；

波前传感器11，用于接收被测波前，对被测波前进行分割汇聚处理，得到光斑阵列；

波前拟合器22，用于对光斑阵列进行复原处理，得到复原波前，并对复原波前进行空间迭代拟合处理，得到趋于稳定值的复原波前补偿量；

波前复原器33，用于对趋于稳定值的复原波前补偿量进行复原处理，得到高精度的复原波前。

本发明实施例提供的基于自适应拟合的波前传感器，采用波前传感器11、波前拟合器22和波前复原器33使得整个波前传感器一体化，与现有技术中的哈特曼波前传感器由于存在空间采样误差和质心测量误差，而导致测量结果精确度较差相比，其通过波前拟合器22循环的对波前传感器11输出的光斑阵列进行复原处理的同时，还能够不断逼近拟合复原波前的补偿量以得到趋于稳定值的复原波前的补偿量，最后再通过波前复原器33对上述趋于稳定值的复原波前的补偿量进行复原处理以得到高精度的复原波前，由于上述波前传感器11在波前拟合器22的作用下循环测量的是补偿拟合后的误差量，而随着循环次数的增加，误差量起伏减小，其测量精度增高，从而实现了对复原波前的高精度测量。

具体的，为了消除被测波前起伏过大对哈特曼波前传感器精度的影响，本发明实施例提供了一种基于自适应拟合的波前传感器，以对被测波前进行高精度的模拟。首先，本发明实施例通过波前传感器11对被测波前进行分割汇聚处理，以得到光斑阵列，考虑到哈曼特波前传感器结构简单、灵活性好、高光效效率且对环境条件要求低，适应能力较强等特性，本发明实施例中优选的将哈特曼波前传感器作为波前传感器11，但是又考虑到空间采样误差和质心测量误差的影响，则随着被测波前起伏量的增加，该哈特曼波前传感器的测量精度会降低。所以，本发明实施例在包括波前传感器11的基础上创新性的设置有一个波前拟合器22，该波前拟合器22，通过循环的对波前传感器11输出的光斑阵列进行复原处理的同时，还能够不断逼近拟合复原波前的补偿量以得到趋于稳定值的复原波前的补偿量，最后再通过波前复原器33对上述趋于稳定值的复原波前的补偿量进行复原处理以模拟复原得到高精度的复原波前。

进一步的，上述波前拟合器22对复原波前进行空间迭代拟合处理，得到趋于稳定值的复原波前补偿量包括：

波前拟合器22在复原被测波前的光斑阵列得到复原波前后，对复原波前进行第一次拟合处理，得到复原波前对应的第一补偿量，根据第一补偿量计算误差波前，将误差波前发送至波前传感器11进行分割汇聚处理，再次接收波前传感器11发送的误差波前的误差光斑阵列，并进行复原处理，得到第二补偿量，将第二补偿量与第一补偿量进行叠加处理，得到复原波前补偿量；重复根据第二补偿量计算误差波前，并将误差波前发送至波前传感器11进行分割汇聚处理，以及接收误差波前的误差光斑阵列并进行复原和叠加处理的过程，直至叠加得到的复原波前补偿量趋于稳定值时，得到复原波前补偿量。

进一步的，为了保证上述波前拟合器22既能够对波前传感器11输出的光斑阵列或者误差光斑阵列进行复原处理，又能够对复原后的复原波前补偿量进行拟合逼近处理，参见图3，本发明实施例所提供的波前传感器中的波前拟合器22包括波前控制器221和空间光调制器222两个器件。

对于波前传感器11发送的光斑阵列而言，上述波前控制器221一方面将波前传感器11在标定和测量的两个过程中产生的预设标准光斑阵列和光斑阵列进行差值运算，其中，在标定过程中，采用一束平行光入射，测出子孔径的预设标准光斑阵列的质心坐标向量C₀，作为参考基准；在测量过程中，当被测波前有波前畸变时，子孔径范围波前倾斜将造成光斑的移动，再次测量出子孔径的光斑阵列的质心坐标向量C。两次测量的结果相减，就可以得到光斑移动的坐标向量△C，另一方面，再通过泽尼克模式波前复原算法，由上述△C对被测波前进行复原处理，将复原处理得到的复原波前生成用于控制空间光调制器222的第一调制信号。

上述空间光调制器222根据第一调制信号对复原波前进行第一次拟合处理，得到复原波前对应的第一补偿量；根据第一补偿量对被测波前进行调制分析处理，将调制分析处理结果作为误差波前发送至波前传感器11进行分割汇聚处理以得到对应于误差波前的误差光斑阵列。其中，误差波前的起伏量会远小于被测波前的起伏量，此时波前传感器11测量误差波前的精度会提高。

另外，上述波前控制器221重复接收上述波前传感器11发送的对调制分析处理结果进行分割汇聚处理得到的误差光斑阵列，同样的，一方面将波前传感器11在标定和测量的两个过程中产生的预设标准光斑阵列和误差光斑阵列进行差值运算；另一方面再通过泽尼克模式波前复原算法，由差值运算结果对误差波前进行复原处理，根据复原处理得到的补偿波前生成用于控制空间光调制器222的第二调制信号；

上述空间光调制器222重复根据第二调制信号对补偿波前进行预设次数的空间拟合处理，得到补偿波前对应的第二补偿量；将第二补偿量和第一补偿量进行叠加处理，得到复原波前补偿量；根据复原波前补偿量对被测波前进行调制分析处理，将调制分析处理的结果作为误差波前发送至波前传感器11进行分割汇聚处理，直至叠加得到的复原波前补偿量趋于稳定值时，得到复原波前补偿量。

其中，被测波前在第一补偿量和第二补偿量的作用下会趋于平面波，则波前复原器33通过波前拟合器22拟合得到的复原波前的精度远大于通过波前传感器第一次测量的复原波前的精度，从而实现了对复原波前的高精度测量。

综上所述，参见图4，波前控制器221首先读取哈特曼波前传感输出的光斑阵列，计算光斑的偏离量向量以得到复原波前，然后控制空间光调制器222在空间上拟合出复原波前的补偿量，被测波前在受到空间光调制器222的补偿后，仅剩余下误差波前，该误差波前的起伏量会远小于被测波前的起伏量，此时哈特曼波前传感器11测量误差波前的精度会提高，然后波前控制器221再次读取哈特曼波前传感器输出的光斑阵列，计算光斑的偏离量向量得到误差波前的补偿波前，然后将该补偿波前的补偿量叠加到上次的空间光调制器222上。通过不断循环，空间光调制器222上的波前补偿量会不断地接近复原波前的补偿量，当波前控制器221读取哈特曼波前传感器输出的误差光斑阵列低于一个阈值时，即叠加得到的复原波前补偿量趋于稳定值时，得到复原波前补偿量。最后再通过波前复原器33读取波前控制器221加载到空间光调制器222上的复原波前补偿量，对该复原波前补偿量进行取反处理，即得到高精度的复原波前。

进一步的，考虑到泽尼克模式波前复原算法是将波前用一组泽尼克多项式来描述，而泽尼克多项式每项都有明确的像差物理意义，并且在单位圆内正交等特性，所以本发明实施例所提供的波前传感器优选的采用泽尼克模式波前复原算法对光斑阵列与预设标准光斑阵列的差值所对应的被测波前进行复原处理。其中，

在圆域内，如果设被测波前的平均位相为0，则可以通过n项泽尼克多项式来描述：

其中，(Z₁,Z₂......Z_n)为一组定义在单位圆上的二维正交函数；a_k为第k项泽尼克多项式的系数；Z_k为第k项泽尼克多项式。它的表达式可以为：

其中，r表示极轴；θ表示极角；m,n分别为角向频率数和径向频率数；Z_evenk(r,θ)为泽尼克多项式的偶数项；Z_oddk(r,θ)为泽尼克多项式的奇数项；Z_k(r,θ)表示m＝0的项；n-|m|＝even表示n与m的取值满足n-|m|为偶数。

由于圆域内的整体波前被微透镜阵列111分割，因此，如果每个子孔径指定一个编号，则整个波前斜率就可以联合形成一个斜率向量，斜率向量包含有每个子孔径内光斑在x和y两个方向的斜率数据，即：

G＝[G_x(1),G_y(1),G_x(2),G_y(2),....G_x(m),G_y(m)]' (3)

其中：m表示有效子孔径的总数，G_x(m)、G_y(m)表示第m个子孔径内光斑x和y两个方向的斜率数据。

另外，受泽尼克多项式在圆域内正交的限制，在第i个子孔径内的总体斜率与泽尼克多项式系数的关系为：

其中，Z_xk、Z_yk表示第k项泽尼克多项式所代表的像差在该子孔径处x方向上和y方向上的平均斜率，它们的计算公式为：

其中，S为子孔径的归一化面积。对于特定的夏克-哈特曼波前传感器来说，子孔径的个数、泽尼克函数的阶数都是一定的，所以，式(4)可以写成矩阵形式：

将泽尼克系数表达为向量形式：

A＝[a₁,a₂,....a_n]' (7)

式(5)可以简化为：

G＝DA (8)

其中，D为复原矩阵。为了解出所需要的泽尼克系数向量，需要求D的逆矩阵D+,求D+的方法通常有最小二乘法、Gram-Schmidt正交化法和奇异值分解法三种。其中，奇异值分解法是一种数值稳定性较好的算法，不管矩阵条件数如何，本发明实施例优选的采用奇异值分解法得到广义逆矩阵求解方程，在最小二乘最小范数意义下能得到稳定解，即：

A＝D⁺G (9)

最后，将泽尼克系数向量带入式(1)，即得到被测波前的复原波前。

进一步的，为了在空间上拟合出复原波前或者补偿波前的补偿量，本发明实施例提供的波前传感器还包括空间光调制，其中，上述空间光调制器222是一种对光波的空间分布进行调制的器件，具有能实时的在空间上调制光束的功能，该空间光调制器222含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受波前控制器221发送的第一调制信号和第二调制信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性,从而对照明在其上的被测波前或者补偿波前进行取反拟合处理，得到对应的第一补偿量及第二补偿量。

进一步的，参见图5，上述波前传感器11包括微透镜阵列111和质心探测器件112，该微透镜阵列111用于获取被测波前或者误差波前，将被测波前或者误差波前进行分割处理，得到与微透镜阵列111数目相匹配的原始子波前或者误差子波前，将原始子波前或者误差子波前进行汇聚处理，生成对应于原始子波前的光斑阵列或者对应于误差子波前的误差光斑阵列，然后用质心探测器件112存储并显示上述光斑阵列或者误差光斑阵列。此外，考虑到CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机具有解析度高、大面积感光、影像失真低等优良特性，本发明实施例优选的将CCD相机作为质心探测器件112。

进一步的，为了便于上述波前传感器11能够按照预设匹配角度接收被测波前，参见图4，本发明实施例提供的波前传感器还包括有反射镜44，用于对其接收的被测波前进行角度调整，以匹配波前传感器11的接收。

本发明实施例提供的基于自适应拟合的波前传感器，采用波前传感器11、波前拟合器22和波前复原器33使得整个波前传感器一体化，与现有技术中的哈特曼波前传感器由于存在空间采样误差和质心测量误差，而导致测量结果精确度较差相比，其通过波前拟合器22循环的对波前传感器11输出的光斑阵列进行复原处理的同时，还能够不断逼近拟合复原波前的补偿量以得到趋于稳定值的复原波前的补偿量，最后再通过波前复原器33对上述趋于稳定值的复原波前的补偿量进行复原处理以得到高精度的复原波前，由于上述波前传感器11在波前拟合器22的作用下循环测量的是补偿拟合后的误差量，而随着循环次数的增加，误差量起伏减小，其测量精度增高，从而实现了对复原波前的高精度测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。