[发明专利]一种沙克哈特曼波前传感器的未配准偏差补偿方法

说明书

本发明公开了一种沙克哈特曼波前传感器的未配准偏差补偿方法，通过理论建模，探明了这一未配准问题会引入误差至拓扑值探测中，并对该未配准偏差进行补偿，从而大幅提升拓扑值探测的精度，同时也证明了拓扑值探测方法的失效正是沙克哈特曼波前传感器中的未配准问题所导致的。此外，本发明提出相应的方法来补偿这一未配准偏差，实验结果表明，利用本发明补偿方法对沙克哈特曼波前传感器进行了补偿后，涡旋光束拓扑值探测的精度得到了显著的提升，从而验证了补偿沙克哈特曼波前传感器中未配准偏差的必要性以及本发明偏差补偿方法的有效性。

技术领域

本发明属于波前探测技术领域，具体涉及一种沙克哈特曼波前传感器的未配准偏差补偿方法。

背景技术

沙克哈特曼波前传感器是自适应光学中的重要器件，因其可便捷、高效地探测波前像差而被广泛应用于航天学、眼科学、显微学等领域。如图1所示，沙克哈特曼波前传感器主要由等尺寸、等焦距的透镜阵列和位于透镜阵列后焦面的图像传感器这两部分组成；当光波传播至沙克哈特曼波前传感器时，透镜阵列会将入射波前分割成等透镜数量的子波前束，每一子波前会由其对应的小透镜会聚于图像传感器上。而沙克哈特曼波前传感器的核心工作原理即为子波前在图像传感器上的像斑位置直接决定着这一子波前的平均相位斜率，即子波前的平均相位斜率正比于其像斑与透镜焦点间的距离且比例系数为2π/λf。

作为一种特殊的光场，涡旋光束类似于我们熟知的台风、海洋中的涡流，其波前相位分布呈涡旋状，正是由于这种特殊的相位分布，涡旋光束有诸多特性，并被广泛应用于微观粒子操控、光通信、光学测量、遥感等领域。在涡旋光束的众多应用中，其关键性参数——拓扑值总是与这些应用的原理息息相关，因此如何实现对涡旋光束的拓扑值进行精准的探测，是涡旋光束相关应用的基石。

涡旋光束的拓扑值探测是沙克哈特曼波前传感器的重要应用之一，国内外的诸多学者也基于沙克哈特曼波前传感器，提出了多种准确、高效的涡旋光束拓扑值探测方法。然而，随着相关应用的丰富，涡旋光束的应用场景变得更加复杂，涡旋光束的拓扑值探测也面临着新的需求与挑战；其中，涡旋光束需要经常工作在远场状态下，即涡旋光束的使用位置与生成位置相距较远，在这一状态下，之前提出的基于沙克哈特曼波前传感器的涡旋光束拓扑值探测方法均无法实现准确探测。

因此，探明拓扑值探测方法在远场条件下失效的原因，并解决相关问题，是极具研究意义和应用价值的。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种沙克哈特曼波前传感器的未配准偏差补偿方法，通过理论建模，探明了这一未配准问题会引入误差至拓扑值探测中，并对该未配准偏差进行补偿，从而大幅提升拓扑值探测的精度，同时也证明了拓扑值探测方法的失效正是沙克哈特曼波前传感器中的未配准问题所导致的。

一种沙克哈特曼波前传感器的未配准偏差补偿方法，包括如下步骤：

(1)进行正入射平行光至沙克哈特曼波前传感器中的预实验，以获得沙克哈特曼波前传感器中透镜阵列面与图像传感器面之间的偏转角δ；

(2)入射涡旋光束至沙克哈特曼波前传感器中，以获得其记录到的图像；

(3)计算图像分布的重心位置坐标(X_c,Y_c)；

(4)基于沙克哈特曼波前传感器的探测原理，求解初始平均相位斜率分布图；

(5)计算各会聚光斑对应的平均相位斜率补偿值，并利用该补偿值对初始平均相位斜率分布图进行补偿；

(6)根据补偿后的初始平均相位斜率分布图即可探测涡旋光束的拓扑值。

进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程如下：

1.1对于沙克哈特曼波前传感器获得图像中各行各列的会聚光斑，利用最小二乘法进行线性拟合，以得到各行各列的斜率值Ψ；