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。

Hartmann-Shack传感器组装误差分析

分析了Hartmann-Shack传感器组装误差的种类,导出了旋转误差和倾斜误差的校正矩阵,在进行波前重构时乘以校正矩阵可以校正对应的组装误差。分析了两种由于组装误差导致的波前重构的相对误差的公式,并以含52个子孔径的圆形Hartmann-Shack传感器为例进行了数值模拟。研究结果表明:若不对两种组装误差进行校正,将会限制Hartmann-Shack传感器测量精度的进一步提高。为Hartmann-Shack传感器的装配提供了理论依据。

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。

Hartmann-Shack传感器结构参量的自基准标定

提出一种标定Hartmann-Shack波前传感器结构参量的新方法,通过基于Zernike多项式的模式复原算法推导出公式,结合实验手段获得相应数据,处理后得到微透镜阵列到CCD之间的距离.该方法有效改善了以微透镜焦距代替实际参量计算斜率引入较大误差的状况,在降低传感器装配准确度要求的同时,提高了Hartmann-Shack波前传感器的探测准确度.经实验验证该方法在一般实验条件下即可获得满意效果.

Shack-Hartmann波前传感器图像自适应阈值的选取

Shack-Hartmann(S-H)波前传感器光斑图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。本文分析了S-H波前传感器光斑图像的特点,研究了光斑图像阈值对质心探测精度的影响,在此基础上提出了一种基于灰度直方图原理的多峰自适应阈值选取方法。实验结果表明,对于信噪比>4的S-H波前传感器光斑图像,本方法能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值;但对于信噪比<4的图像,分割效果不是很理想。将使用本阈值算法的S-H波前传感器应用到自适应光学系统中进行闭环校正实验,结果显示,校正后的系统波前误差从10.41λ(PV值,λ=632.8nm)降低到0.12λ,基本达到了衍射极限水平,表明本方法可以满足S-H波前传感器的实用要求。

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

Shack-Hartmann波前传感器质心探测的优化方法

为提高Shack-Hartmann(S-H)波前传感器的光斑质心探测精度,在分析质心探测误差来源的基础上,提出基于模板匹配的探测窗口选取方法和基于单个光斑的自适应阈值选取方法,将这两种方法与加权质心算法相结合求取质心,提高了质心探测精度。与固定阈值和传统质心算法相比较,当SNR大于3时,质心探测精度平均提高了约40%。将文中的方法应用于可见光波段的商品S-H波前传感器,实验表明:文中方法得到的质心偏离度由传统方法的0.83pixel的最大值减小至0.15pixel。该工作有重要的应用价值。

哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究

为解决哈特曼-夏克波前传感器传统标定方法存在的测量精度低、稳定性不足等问题,提出了一种基于球面波的哈特曼-夏克波前传感器高精度绝对标定方法。通过理论推导获取了球面波的高精度标定方法,结合搭建的球面波标定实验装置,对子孔径数为128×128的哈特曼-夏克波前传感器完成高精度标定。该方法计算得到了哈特曼-夏克波前传感器结构参数f,w以及L_(0)的精确值。对标定后的哈特曼-夏克波前传感器的测量精度进行测试,实验结果表明,经本文方法标定后的哈特曼-夏克波前传感器的波前复原精度达到了PV=1.376×10^(-2)λ,RMS=4×10^(-3)λ(λ=625 nm),重复性精度为PV=3.2×10^(-3)λ,RMS=9.76×10^(-4)λ(λ=625 nm)。该方法可以为大口径的SHWFS完成高精度标定,提升测量精度。

衍射微透镜列阵在Shack-Hartmann波前传感器中的应用

菲涅耳衍射微透镜列阵是目前广泛应用的衍射光学元件之一,它是基于衍射原理,由计算机设计,并通过微细加工技术制作成的.本文介绍了8相位台阶菲涅耳衍射微透镜列阵的制作方法,并描述了一个用16×16微透镜列阵形成的小型 Shack-Hartmann 波前传感实验系统,用该系统可对入射波前进行测量和重建.

基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定

微透镜阵列到CCD的距离是影响Hartmann-Shack波前探测器精度的主要装配误差之一。对该平移装配误差的修正,能够有效减小波前探测误差。理论求解了球面波前通过微透镜引起的子孔径光斑质心移动量与波前探测器结构参数之间的关系,借助该关系能够求出微透镜到CCD之间的实际距离,以其改进波前斜率的计算。实验验证了理论推导的合理性,并对实际装配参数进行标定,得实际距离为24.2 mm。利用标定后的参数重建波前,其相对误差减小20.4%。实验表明该标定方法能够有效提高波前传感器测量准确性。

基于Hartmann-Shack传感器的人眼离轴像差测量研究

人眼是一个不完善的成像系统,存在各种像差,包括轴上像差及轴外像差,这些像差都会影响视网膜的成像质量。而现阶段大多数人眼像差的检测方法主要针对轴上视场像差的测量,比如离焦、像散以及部分高阶像差的测量。因此提出了基于Hartmann-Shack波前传感器的人眼离轴像差的测量方法,建立测量系统并进行实验研究,当离轴角度从0°偏离到左右各5°、10°时,均方根(RMS)值分别从1.12变化到1.36(1.52),1.41(1.96),结果表明随着离轴角度的增加人眼外围视野的成像质量显著下降,原因一方面是人眼离轴像差的增大,另一方面是由于外围视野的感光细胞密度降低。

Hartmann-Shack波前传感器图像自动阈值选取方法的研究

Hartman-Shack传感器图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响,而质心探测精度将直接影响探测波前的复原。通过介绍几种阈值分割的原理和方法,在比较多幅基点图像质心探测精度的基础上,提出了基于灰度拉伸的大津法是阈值分割的较好方法。

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口,计算实际质心、参考质心,选择重建区域和获取入射波前的Zerhike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。

Hartmann-Shack传感器在光束质量测量中的应用

:Hartmann Shack探测器是广泛应用在自适应光学技术、光学加工检测及激光光束质量检测等方面的一种新型波前探测技术。本文在介绍了Hartmann Shack传感器原理的基础上 。

基于Hartmann-Shack波前传感器的Nd:YAG激光器热焦距测量

采用Hartmann-Shack波前传感器搭建光路,对LD侧面泵浦Nd∶YAG激光器进行热透镜效应的实验测量。将He-Ne光作为探测光,利用Hartmann-Shack波前传感器对Nd∶YAG晶体在不同泵浦电流下的波前畸变进行测量,通过波前信息重构分析,根据激光波前峰谷值及焦距关系,计算LD侧面泵浦Nd∶YAG激光器的热透镜焦距,从而得出对应泵浦电流下的热焦距及其变化。结果表明,利用Hartmann-Shack波前传感器可对Nd∶YAG激光晶体的热焦距进行实时测量。

小波滤波在Shack-Hartmann传感器上的应用

在使用Shack-Hartmann传感器进行大口径非球面镜面检测中,外部环境的各种振动影响以及气流、温差的干扰都会使检测精度下降。针对这个问题,提出了一种新的时域小波滤波技术。这项技术可以对传感器的信号干扰在时间域上进行不同层次的小波分析,提取干扰信号的先验特征,对测量数据进行有效的滤波,减小波前的扰动起伏,以更准确地探测质心。实验结果表明,采用这种技术后,Shack-Hartmann波前传感器对光学镜面检测的静态测量精度提高了50%以上,离散性减少到原来的20%-30%。

基于Shack-Hartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量

根据CCD探测器的输出信号在动态测量范围内与入射光通量成线性的特点,提出了将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气光闪烁效应测量的方法,并在1 km的水平湍流大气传输路径上开展了光强闪烁的初步测量。结果表明,测量的光强起伏方差随时间的变化基本符合近地面湍流起伏特征,在统计光强起伏过程中采用了将时间和空间序列的数据相融合的方法,大大增加了统计样本数;将传感器与大口径闪烁仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者在变化趋势上具有较好的一致性,相关系数达到0.84;最后,通过不同子孔径内光强起伏的功率谱分析,进一步证明了Shack-Hartmann传感器用于光闪烁效应测量的可靠性。

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。

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。