基于微棱镜阵列的人眼像差哈特曼波前传感器

该发明专利是一种基于微棱镜阵列的人眼像差哈特曼波前传感器。该传感器由光源、光束匹配望远镜、过渡系统、微棱镜阵列、傅立叶透镜和光电探测器CCD组成。

人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化

为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度,对由CCD采集的波前光斑图进行了质心探测研究。介绍了波前传感器的工作原理,根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点,提出了一种动态定位光斑区域、动态分割区域内部阈值以及锁定最优探测窗口的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响,并通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和算法对噪声影响的鲁棒性。实验结果表明,光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适;与其他方法相比,自适应质心探测方法的探测误差减小了60%以上;将该探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中,可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785nm),达到衍射极限,并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数,弥补了传统算法的局限性,基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。

哈特曼传感器测量人眼波像差的特性研究

准确测量人眼波像差,对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床 价值。对哈特曼传感器测量人眼波像差的精确性和重复性进行了研究,测量人眼离焦的精度为0.2D,波像差的平均偏差为0.065mm。

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差II

分别采用 Zernike和 Karhunen-Loeve两种模式波前复原法 ,分析了在子孔径斜率测量噪声影响下 ,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与模式复原阶数等的关系。发现最优模式复原阶数主要与哈特曼传感器的子孔径斜率探测信噪比有关。分析了一个哈特曼传感器对实际大气湍流畸变波前的测量结果 ,给出了确定传感器测量噪声的方法。

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

分别采用 Zernike和 Karhunen-loeve两种模式波前复原法 ,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下 ,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明 Karhunen-loeve模式法比 Zernike模式法的波前复原误差更小些。

用夏克-哈特曼探测器测量人眼波前像差

为了精确测量人眼的高低阶像差,设计并搭建了一套人眼波前像差精确测量光学系统。该系统采用夏克-哈特曼波前探测器进行波前探测,可以在不同瞳孔、不同视场和不同调焦状态下精确测量人眼的波前像差。用ZEMAX软件对系统进行模拟分析,验证了该系统的探测精度,讨论了系统的调焦性能。用该系统实验分析了人眼各阶像差的分布情况、瞳孔大小和调焦状态对人眼波前像差的影响,以及人眼波前像差的时间和空间变化特性(变化频率约3 Hz,等晕角约为1.5°)。结果表明,该系统精度高(PV<1/20λ),操作方便,是人眼波像差的研究和个性化角膜手术的有力工具。

增大夏克-哈特曼波前传感器动态测量范围的方法

为了使夏克-哈特曼波前传感器(HS)在具有高灵敏的同时又能获得大的动态测量范围,介绍了一种能够增大HS动态测试范围的软件处理方法-外推法。在运用外推法时,首先需要找出任意子孔径(A)对应的焦斑位置作为起始点,然后利用外推法得到与A相邻的子孔径(B)内的焦斑位置,再以B内的焦斑位置作为起始点外推得到与B相邻的其它子孔径内的焦斑位置,依次类推,直至把所有子孔径内的焦斑全部找到。文中利用实验对外推法的可行性和实用性进行了验证,结果表明,在超出HS动态测量范围2倍的情况下,利用外推法可以完美地复原波面,基本解决了HS的动态测量范围和灵敏度相互矛盾的问题。

利用标记分水岭法实现夏克-哈特曼波前传感器质心探测

由于光斑质心探测精度直接影响夏克-哈特曼波前传感器的波前探测精度,本文提出基于标记分水岭法来确定阵列光斑质心探测窗口。首先,对采集到的夏克-哈特曼阵列光斑图像进行平滑并求出其梯度图像;然后,利用大津(OTSU)阈值法在求出的梯度图像上进行目标标记,最后在标记过的梯度图像上进行分水岭分割,确定出每个光斑的探测窗口。由于该方法确定的质心探测窗口是对光斑实际大小进行匹配,故有效地抑制了噪声对质心探测的影响。实验结果表明:利用该方法确定光斑探测窗口所计算的质心精确度和稳定性均比传统的在子透镜窗口中计算光斑质心的方法要高。统计多幅图像计算得到的窗口质心标准差的平均值为0.010 9,比传统法计算出的平均值0.073 4提高了6倍,满足哈特曼波前传感器对光斑质心计算稳定性和精确度的要求。

多用途、模块化哈特曼波前传感器的研制

分析了哈特曼传感器的主要设计指标,介绍了设计研制的一种多用途、模块化哈特曼传感器,通过将传感器的主要部件,包括光源、准直镜、分光棱镜、缩束光路、微透镜阵列及相机等进行模块化设计,根据不同需求,对各模块增减或更换,实现了一套传感器多种用途的应用。并用该传感器进行了系统波像差及光学元件面形检测实验,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出该传感器测量精度λ/50 RMS。

基于斜入射自准法哈特曼-夏克波前传感器测量数据分析

为了验证哈特曼-夏克波前传感器在光线斜入射到被测物体表面时所测数据的可靠性,本文采用变形镜模拟激光镜面热畸变,使变形镜在不同的驱动电压下产生相应的形变,用哈特曼-夏克波前传感器作为测量仪器,分别以垂直入射法和斜入射法测量了变形镜在各驱动电压下的形变数据。对比两种方法测得的波前像差峰谷值(PV值)数据发现,斜入射法测得的数据小于垂直入射法测得的真实数据,两者之间的相对偏差随形变量的增大而增大,且与入射角密切有关,随着入射角的增大,相对偏差明显增大。若将斜入射法测得的数据除以入射角的余弦对数据进行修正,结果与真实数据吻合很好,波前像差PV值最大相对偏差不到2%。

稀疏表示的夏克-哈特曼波前传感器信号提取

由于背景噪声及探测器噪声的存在,夏克-哈特曼波前传感器质心探测误差较大,本文提出了一种在稀疏域去除背景噪声及探测器噪声的方法。首先采用二维高斯模型生成光斑信号样本图像,构造超完备目标字典,依次对测试图像分块计算其在超完备字典中的表示系数,利用噪声、背景和目标表示系数的不同,通过认为设定阈值来判别该图像块是否为光斑信号。结果表明,本文处理方法能够较好的提取出光斑信号,且与减阈值算法相比,其处理后质心偏差、RMS及PV值都较小。

基于哈特曼传感器的激光波前分布测量技术

激光波前分布作为ISO新列入的衡量激光光束质量的重要参数,对其有效、准确地测量显得十分重要。根据哈特曼波前测量原理,详细介绍了基于哈特曼传感器的激光波前分布测量装置、哈特曼传感器波前斜率测量方法和常用波前重构算法,引入一种定标哈特曼传感器针孔阵列与CCD间距的方法,分析定标实验数据及使用已定标的哈特曼波前分析仪测量波前的实验结果。实验证明定标方法可靠有效。

哈特曼波前传感器的自动孔径搜索与匹配方法

为了使夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS)能保证精度的同时又能获得更大的动态范围,介绍了一种用于SHWFS的自动子孔径搜索与匹配算法。该方法在实施时,先根据待测量图像计算背景阈值,然后以减阈值后的图像中心位置的一个光斑为参考光斑的参考中心,按图像的横、纵方向依次搜索其它光斑点,接着将搜索的结果拼接起来得到所有孔径的分布,最后根据两幅图像得到的各自的子孔径分布按横、纵方向平移进行配准,以达到最优的匹配结果。文中利用实验对本论文提出的方法进行了验证。结果表明,本文提出的方法能够实现SHWFS的子孔径搜索与匹配,提高哈特曼的动态范围。

哈特曼波前传感器质心探测误差分析

基于哈特曼波前传感器的探测原理,分析了哈特曼波前传感器的主要探测误差,并对探测器件信噪比与质心探测误差进行计算,结果表明,提高CCD信噪比和子孔径成像质量有利于提高哈特曼波前传感器的质心探测精度。

超松弛法哈特曼传感器波前重构仿真分析

哈特曼传感器是一种对环境要求低 ,测量精度高的光束质量测量仪器 ,但传统方法不能对任意形状的光斑进行波前重构 ,即光束质量测量。文中采用超松弛法进行计算机仿真 ,验证了该方法能够适应任意入射形状光斑的波前复原 。

夏克-哈特曼波前传感器光斑自动精确定位

为了在提高夏克-哈特曼波前探测精度的同时扩大波前测量的动态范围,提出一种基于高斯模板匹配选取光斑质心探测窗口的方法。根据传感器的参数确定模板尺寸,利用N维空间正态分布方程生成高斯模板,进行模板与图像匹配,根据模板与匹配子图的相似度确定光斑质心探测窗口。通过对仿真和实际采样阵列光斑图像的实验,验证了该方法的可行性,相对于投影法探测质心的标准差降低65.6%,波前重构误差减小48.5%,能够实现夏克-哈特曼波前传感器光斑的自动精确定位,提高其波前探测精度的同时扩大波前测量的动态范围。

应用于环形激光束的低阶哈特曼波前传感器设计

针对高能化学激光器出光过程中存在着大比例、大PV值低阶像差这一现象,设计了专用于前5项Zernike像差检测的低阶哈特曼波前传感器。该传感器的透镜部分采用呈环形分布的6单元微透镜阵列与凸透镜组合的方法,且均用CaF2材料制作。该方法不仅可以同时用于可见光和红外光的低阶像差测量,还具有成本低、光路结构简单、探测范围大等优点,适用于环形激光束的大PV值低阶像差检测。之后还搭建了测试光路系统,测试结果表明,该低阶哈特曼波前传感器的波面测量PV值量程为±8λ(λ=3.39μm),测量精度优于λ/10 (λ=3.39μm)。

基于Hartmann-Shack传感器的人眼波前像差重建技术

阐述了人眼波前像差的概念及其Zernike多项式表示方法,着重讨论了Hartmann-Shack传感器测量人眼像差的机理和人眼波前像差重建的方法,并对人眼波前像差重建系统进行了详细设计。该技术给人眼像差的校正以及角膜"个体化切削"的实现带来了新契机。

基于Hartmann-Shack波前传感器的实时人眼像差测量

为实时、准确地测量人眼的像差,保证人眼像差校正时数据的准确性,依据Hartmann-Shack波前传感器测量像差探测原理,设计搭建了一套基于Hartmann-Shack波前传感器的人眼像差实时测量系统。用该系统对人眼的动态像差进行了测量实验,对实验的结果进行了分析。实验结果表明:为了满足传感器获取光斑图及保证人眼的安全,入瞳的激光功率80μW较为合适;像差测量的结果折算成屈光度与主观方法验光值结果基本相符;动态像差连续测量观察像差波动的时间约在0.2~0.5 s,与人眼的波前像差变化频率在5 Hz左右的结论基本相符。结果表明该系统满足了人眼像差测量的可行性和准确性要求。

基于焦面哈特曼波前传感器的大视场高精度波前测量技术论证

气动光学效应容易对导引头目标成像跟踪系统产生不良影响,然而传统哈特曼波前传感器由于探测视场小,无法作用于导引头的目标成像跟踪系统。介绍了一种能够大视场测量的焦面哈特曼波前传感器,同时针对传统模式法无法在焦面哈特曼中进行高精度测量的问题,提出了一种能够高精度测量的优化波前复原算法——基于Gerchberg-Saxton迭代的波前复原算法。然后,根据满足大视场测量的结构设计,搭建了仿真平台,利用优化的波前复原算法对仿真输入像差进行复原。最后,利用多个激光器搭建了大视场波前复原实验平台,并验证了焦面哈特曼波前传感器具有能够实现高精度大视场波前测量的能力。