夏克-哈特曼波前相位测量技术

夏克－哈特曼（Shack－Hartmann）波前相位测量方法，结构简单，测量便捷，是目前最常用的波前检测方法。该方法广泛应用于自适应光学系统、激光束型检测、光束波前像差等方面。其基本原理如图7.1所示：通过测试微透镜阵列焦面上待测畸变波前所成像斑（实线所示）的质心坐标与参考平面波前的质心坐标（虚线所示）之差，求出各子孔径范围内畸变波前的平均斜率，从而得到全孔径上的波前相位分布。

由于测量采样点较少，在测量波前中、高频段信息方面受到一定限制。Oliveira改变微透镜阵列的几何结构，提高波前恢复精度；Hernandez－Gomez结合图像二值化、数据分割算法确定会聚光斑质心坐标；Arines使用S－H波前传感器，实现了人眼瞳孔追踪；吴晶将S－H波前传感器与子孔径拼接技术结合，实现了大口径望远镜自准直波前检测；徐鎏婧利用S－H波前传感器，对传导冷却端面抽运板条激光放大器的波前畸变进行了实验研究；余玉华利用S－H波前传感器探测离焦波前，采用Richardson－Lucy算法对模糊图像进行复原等。夏克－哈特曼波前传感器具有实时测量实时校正的优点，测试方便，工程化程度高，波前复原算法简单，对光源的要求比较低，结构简单、紧凑，易于调整，且可用线性矩阵运算完成，适合采用DSP等现代处理技术，被广泛用于波前检测。

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图7.1　夏克－哈特曼波前传感器原理

（a）理想波前相位分布；（b）畸变波前相位分布

但是由于微透镜阵列加工工艺的限制，子孔径数目有限，因此波面采样频率较低，很难做到高分辨测量，采样误差较严重，重构出的波前相位对细节部分不能精确反映，这些都限制了该种波前检测方法在激光系统畸变波前探测中的应用。目前商用的S－H传感器的采样空间分辨率在128 pixel×128 pixel，最高只能达到256 pixel×256 pixel，但售价较高。这种方法也可以用于测量液晶光学相控阵的波前相位分布，但是空间分辨率较低，无法实现畸变波前相位的溯源。并且，由于液晶光学相控阵工作时近似闪耀光栅，其衍射光除了0级之外，还有±1级、±2级以及更多级次的衍射光。因此，若使用这种方法，则需要将所有衍射光全部会聚后再进行相位分布测量，增加了测量的复杂性。