[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

摘要

一种使用球面波前对夏克-哈特曼传感器的物理参数进行标定的方法，该标定方法可以非常准确地标定夏克-哈特曼传感器的物理参数。其特征在于：利用球面波前的自身特点-曲率半径与传感器CCD输出的点阵图像特征之间存在着一一对应的关系，通过精确测量一系列曲率半径的球面波，利用解方程的方法精确求解了夏克-哈特曼传感器的物理参数从而实现了对传感器的标定，和现有技术手段相比有效减少了误差源；并且用球面波前代替了传统标定中常用的平面波前作为标定夏克-哈特曼传感器的参考光束，对提高夏克-哈特曼传感器的精度是有益的。

主权项

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，其特征在于步骤如下：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(xi，yi)： x i = Σ m = 1 M Σ n = 1 N x nm I nm Σ m = 1 M Σ n = 1 N I nm y i = Σ m = 1 M Σ n = 1 N y nm I nm Σ m = 1 M Σ n = 1 N I nm - - - ( 1 ) 第i个子孔径映射到光电探测器光敏靶面上对应的像素个数(M，N)，光电探测器光敏靶面上第(n，m)像素接收到的信号Inm，第(n，m)像素的x，y坐标xnm，ynm；步骤3，根据步骤2中得到的子孔径内光斑的质心位置分别计算出不同曲率半径对应的光斑阵列中相邻子孔径光斑在x，y方向上的间距Qx，Qy，计算公式如下：Qx＝xi-xi-1    Qy＝yi-yi-1    (2)Qx，Qy中为光斑阵列中相邻光斑在x，y方向上的间距，xi，xi-1分别表示第i个子孔径和第i-1个子孔径内图像光斑的x坐标，yi，yi-1分别表示第i个子孔径和第i-1个子孔径内图像光斑的y坐标；在x，y方向上的光斑间距相等的情况下，设像素的大小为S0，则相邻光斑间的距离可以表示为像素的倍数，即(2)可以表示为如下形式：Qx＝Qy＝JS0    (3)其中，J为像素个数；步骤4，为了验证标定物理参数方法的正确性，对多个不同曲率半径进行验证，对于曲率半径为R01待测球面波，测量不同曲率半径改变量ΔR1，ΔR2和由此引起的CCD上所形成点阵图中相邻光斑间距离的变化量ΔQ1，ΔQ2，再通过公式(4)计算得到待测球面波的曲率半径R01： R 01 = ( Δ Q 1 - Δ Q 2 ) ( R 1 - R 0 ) ( R 2 - R 0 ) Δ Q 2 ( R 1 - R 0 ) ( R 2 - R 0 ) Δ Q 1 - - - ( 4 ) 其中R1-R01＝ΔR1，R2-R01＝ΔR2是曲率半径改变量，ΔQ1＝Q1-Q0，ΔQ2＝Q2-Q0是曲率半径改变量分别为R1-R01＝ΔR1，R2-R01＝ΔR2时对应的CCD上所形成点阵图相邻光斑间距离的变化量，Q0，Q1，Q2分别是曲率半径为R01，R1，R2时CCD所形成点阵图相邻光斑间的距离；步骤5，在夏克-哈特曼传感器中透镜阵列镜框上选一点，测量该点和光源之间的距离Rref1，把步骤4中得到的R01代入公式(5)，得到Rref1和R01的差值δR：δR＝Rref1-R01    (5)其中Rref1透镜阵列镜框的一点与光源之间的距离，R01为待测球面波的曲率半径；步骤6，对于曲率半径为R0i的待测球面波，通过测量Rrefi及步骤5计算得到的δR，简便的得到其曲率半径：R0i＝Rrefi-δR    (6)步骤7，把计算得到的待测球面波的曲率半径值R0i代入到透镜阵列焦距和子透镜尺寸的计算公式(7)、(8)得到透镜阵列焦距f0以及子透镜的尺寸P0， f 0 = R 1 R 2 ( b - m ) m R 1 - b R 2 - - - ( 7 ) P 0 = NS 0 R 0 i R 0 i + f 0 - - - ( 8 ) 其中b，m，N为波曲率半径分别为R1，R2，R0i时，CCD所形成点阵图中相邻光斑间距离占像素的个数；步骤8，选取曲率半径为1.75米的球面波前作为参考波前，利用步骤7中得到的参数值计算标定波面信息；步骤9，验证参数标定的正确性，对测量的波前进行验证，如果用标定后的参数值，即公式(7)和(8)的透镜阵列焦距f0以及子透镜的尺寸P0计算得到的波前面形减去步骤8中标定波前面形后得到的精度高于用夏克-哈特曼波前传感器参数的设计值得到的波面精度则说明参数的标定正确，则标定过程结束，反之则不正确需重复步骤2-9重新对参数进行计算。