[发明专利]一种使用球面波前标定夏克-哈特曼传感器物理参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种夏克-哈特曼传感器物理参数的标定方法。

背景技术

夏克-哈特曼波前传感器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。提高夏克-哈特曼波前传感器的测量精度是目前国际上研究的热点。

夏克-哈特曼波前传感器的物理参数，如透镜阵列的焦距f₀和子透镜尺寸P₀，对其测量精度有着很大的影响，以往工作中经常直接把夏克-哈特曼波前传感器的物理参数的设计值当作其真实值来用，由于加工过程中势必引入一些误差，这样就造成设计值和真实值存在差别。为了得到高精度的夏克-哈特曼波前传感器就必须对其物理参数进行标定。

关于确定夏克-哈特曼波前传感器物理参数的方法文献中已有报道。AlexanderChernyshov等发表了使用球面波前作为参考波前精确的标定出夏克-哈特曼传感器的物理参数的技术文章(具体可以参考文献Alexander Chernyshov，Uwe Sterr，Fritz Riehle，JürgenHelmcke，and Johannes Pfund.Calibration of a Shack-Hartmann sensor for absolutemeasurements of wavefronts.Applied Optics.2005，44(30)，6419～6425)。该方法使用了测量一系列曲率半径的球面波所获得的数据来拟合二项式Δρ得到夏克-哈特曼传感器的物理参数。Δρ反映了待测球面波真实曲率和传感器测量得到的曲率之间的差别。事实上，由于夏克-哈特曼传感器本身特点，使得待测球面波真实的曲率半径很难精确测量。在本方法中待测球面波的真实曲率以及传感器的物理参数都是通过二项式拟合得到，也就是说在进行二项式拟合之前，待测球面波曲率真实值是未知的，这就直接导致Δρ是未知的，而在数据拟合过程中Δρ是被作为已知量的，这种做法显然不合理。另外，在标定系统物理参数过程中还采取了一系列的数学近似。

针对Alexander Chernyshov方法中不合理之处，杨金生等人提出了一种新的夏克-哈特曼传感器物理参数标定方法【200910091741.4一种使用球面波前标定哈特曼-夏克传感器的方法】。在这种方法中共分两个步骤来确定夏克-哈特曼传感器的物理参数。第一，假设相邻子透镜间距和CCD像素的真实值等于设计值，在这个假设的基础上通过测量不同半径的球面波在CCD上相邻子孔径光斑间距计算出透镜阵列焦距真实值。第二，在第一步计算所得透镜阵列焦距真实值的基础上通过二项式拟合得到夏克-哈特曼传感器的相邻子孔径间距P₀和待测球面波曲率半径真实值R₀。很显然在确定透镜阵列焦距f₀和相邻子孔径间距的真实值P₀的过程中存在连环嵌套的假设，即计算f₀时假设P₀等于P，而在计算P₀时用到了上步中计算所得f₀的值。并且，在标定参数过程中引入了一系列的数学近似。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有方法在标定夏克-哈特曼波前传感器物理参数的限制，提出一种通过解方程精确求解夏克-哈特曼传感器物理参数的方法，它能够精确的标定出夏克-哈特曼波前传感器的物理参数，为夏克-哈特曼波前传感器的高精度标定提供最为核心解决方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种使用球面波前标定夏克-哈特曼传感器物理参数的方法，所述的夏克-哈特曼传感器物理参数包括透镜阵列的焦距f₀和子透镜尺寸P₀，其步骤如下：

步骤1，从图像文件中载入一系列不同曲率半径的球面波前在夏克-哈特曼传感器的CCD上形成的图像及其对应的位置关系数据；

步骤2，根据从图像文件中载入的对于某个曲率半径的球面波在夏克-哈特曼传感器的CCD上形成的图像及其对应的位置关系数据，通过如下的公式计算对于某个曲率半径球面波在CCD上第i个子孔径内图像光斑的质心(x_i，y_i)：