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哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究

包明帝 史国华 邢利娜 何益

包明帝, 史国华, 邢利娜, 何益. 哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(3): 521-527. doi: 10.37188/CO.2023-0148
引用本文: 包明帝, 史国华, 邢利娜, 何益. 哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(3): 521-527. doi: 10.37188/CO.2023-0148
BAO Ming-di, SHI Guo-hua, XING Li-na, HE Yi. High-precision spherical wavefront calibration method for shack-hartmann wavefront sensor[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 521-527. doi: 10.37188/CO.2023-0148
Citation: BAO Ming-di, SHI Guo-hua, XING Li-na, HE Yi. High-precision spherical wavefront calibration method for shack-hartmann wavefront sensor[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 521-527. doi: 10.37188/CO.2023-0148

哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No. 62075235);国家重点研发计划项目(No. 2021YFF0700700);中国科学院青年创新促进会(No. 2019320);中国科学院战略性先导科技专项(No. XDA16021304)
详细信息
    作者简介:

    包明帝(1992—),男,安徽蚌埠人,博士研究生,2017年于合肥工业大学机械学院获得硕士学位,主要从事波前探测技术方面研究。E-mail:baomingdi11@163.com

    史国华(1981—),男,浙江湖州人,博士,研究员,博士生导师,2011年于中国科学院光电技术研究所获得博士学位,主要从事高分辨率眼科成像与检测、在体光学超分辨成像、活体视觉神经网络等方面的研究。E-mail:shigh@sibet.ac.cn

    何 益(1984—),男,四川营山人,博士,研究员,博士生导师,2008年于中国科学技术大学获得学士学位,2013年于中国科学院光电技术研究所获得博士学位并留所工作,2018年加入中国科学院苏州生物医学工程技术研究所,主要从事波前处理、眼科光学、生物光子学、基于智能计算的精准医疗等方面的研究。E-mail:heyi@sibet.ac.cn

  • 中图分类号: TP741

High-precision spherical wavefront calibration method for shack-hartmann wavefront sensor

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 62075235); The National Key Research and Development Program of China (No. 2021YFF0700700); Youth Innovation Promotion Association (No.2019320); The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (No. XDA16021304)
More Information
  • 摘要:

    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fw以及L0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=1.376×10−2λ,RMS=4×10−3λ(λ=625 nm),重复性精度为PV=3.2×10−3λ,RMS=9.76×10−4λ(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。

     

  • 图 1  哈特曼-夏克波前传感器原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of SHWFS

    图 2  球面波前在SHWFS探测器上形成的光斑图

    Figure 2.  Spots pattern of a spherical wavefront on the plane of the SHWFS detector

    图 3  高精度球面波标定装置原理图

    Figure 3.  Schematic diagram of the high-precision spherical wavefront calibration device

    图 4  高精度球面波标定实物装置

    Figure 4.  Setup of the high-precision spherical wavefront calibration

    图 5  不同曲率半径的球面波前复原误差

    Figure 5.  Residual errors for spherical waves with different curvature radii

    图 6  重复性精度测试结果

    Figure 6.  Repeatability of wavefront measurements by the calibrated SHWFS

    表  1  待标定的SHWFS的物理参数

    Table  1.   Parameters of the SHWFS to be calibrated

    CCD相机 参数 微透镜阵列 参数
    生产商 HIKROBOT 子孔径大小 0.1 mm×0.1 mm
    型号 MV-CH250-90TM-M58S-NF 使用子孔径数 128×128
    像素个数 5120×5120 焦距 2.4 mm
    像素尺寸 2.5 μm x 2.5 μm 通光口径 Φ12.8 mm
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    表  2  待标定的SHWFS的参数测量值

    Table  2.   Measured parameter values of the SHWFS to be calibrated

    实验结果参数 f/mm $ {w}=\dfrac{{P}}{{S}} $ L0/mm
    测量次数 1 2.402 39.960 1050.00
    2 2.402 39.960 1050.00
    3 2.402 39.960 1050.00
    4 2.403 39.959 1050.00
    5 2.402 39.960 1050.00
    6 2.402 39.960 1050.00
    7 2.403 39.959 1050.00
    8 2.402 39.960 1050.00
    9 2.401 39.961 1050.00
    10 2.402 39.960 1050.00
    均值 2.402 39.960 1050.00
    下载: 导出CSV
  • [1] TYSON R K, FRAZIER B W. Principles of Adaptive Optics[M]. 5th ed. Boca Raton: CRC Press, 2022.
    [2] WEI K, LI M, CHEN SH Q, et al. First light for the sodium laser guide star adaptive optics system on the Lijiang 1.8m telescope[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2016, 16(12): 183. doi: 10.1088/1674-4527/16/12/183
    [3] SCHÄFER B, LÜBBECKE M, MANN K. Hartmann-Shack wave front measurements for real time determination of laser beam propagation parameters[J]. Review of Scientific Instruments, 2006, 77(5): 053103. doi: 10.1063/1.2198795
    [4] SAKHAROV A M, BARYSHNIKOV N V, KARASIK V E, et al. A method for reconstructing the equation of the aspherical surface of mirrors in an explicit form using a device with a wavefront sensor[J]. Proceedings of SPIE, 2020, 11487: 114870B.
    [5] HE Y, DENG G H, WEI L, et al. Design of a compact, bimorph deformable mirror-based adaptive optics scanning laser ophthalmoscope[M]//LUO Q M, LI L Z, HARRISON D K, et al. Oxygen Transport to Tissue XXXVIII. Cham: Springer, 2016: 375-383.
    [6] 朱沁雨, 韩国庆, 彭建涛, 等. 双波长视网膜成像自适应光学系统的轴向色差补偿方法[J]. 中国光学,2022,15(1):79-89. doi: 10.37188/CO.EN.2021-0009

    ZHU Q Y, HAN G Q, PENG J T, et al. Longitudinal chromatic aberration compensation method for dual-wavelength retinal imaging adaptive optics systems[J]. Chinese Optics, 2022, 15(1): 79-89. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.EN.2021-0009
    [7] 王艳萍, 王茜蒨, 马冲. 哈特曼波前分析仪校准方法研究[J]. 中国激光,2015,42(1):0108003. doi: 10.3788/CJL201542.0108003

    WANG Y P, WANG Q Q, MA CH. Study on Hartmann wavefront analyzer calibration method[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(1): 0108003. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL201542.0108003
    [8] ARTZNER G. On the absolute calibration of Shack-Hartmann sensors and UV laboratory wavefront measurements[J]. Pure and Applied Optics:Journal of the European Optical Society Part A, 1994, 3(2): 121-132. doi: 10.1088/0963-9659/3/2/005
    [9] GREIVENKAMP J E, SMITH D G, GOODWIN E. Calibration issues with Shack-Hartmann sensors for metrology applications[J]. Proceedings of SPIE, 2004, 5252: 372-380. doi: 10.1117/12.513462
    [10] CHERNYSHOV A, STERR U, RIEHLE F, et al. Calibration of a Shack–Hartmann sensor for absolute measurements of wavefronts[J]. Applied Optics, 2005, 44(30): 6419-6425. doi: 10.1364/AO.44.006419
    [11] NIKITIN A N, GALAKTIONOV I, SHELDAKOVA J, et al. Absolute calibration of a Shack-Hartmann wavefront sensor for measurements of wavefronts[J]. Proceedings of SPIE, 2019, 10925: 109250K.
    [12] BAUTSCH J, SCHAKE M, EHRET G, et al. Traceable calibration of Shack–Hartmann wavefront sensors employing spherical wavefronts[J]. Optical Engineering, 2020, 59(8): 084104.
    [13] YANG J SH, WEI L, CHEN H L, et al. Absolute calibration of Hartmann-Shack wavefront sensor by spherical wavefronts[J]. Optics Communications, 2010, 283(6): 910-916. doi: 10.1016/j.optcom.2009.11.022
    [14] 梁春, 沈建新, 童桂, 等. Hartmann-Shack传感器结构参量的自基准标定[J]. 光子学报,2009,38(4):780-784.

    LIANG CH, SHEN J X, TONG G, et al. A self-reference method for measuring Hartmann-shack wavefront sensor parameter[J]. Acta Photonica Sinica, 2009, 38(4): 780-784. (in Chinese).
    [15] 周晓斌, 栾亚东, 史雷蕾, 等. 基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定[J]. 应用光学,2015,36(6):909-912. doi: 10.5768/JAO201536.0603002

    ZHOU X B, LUAN Y D, SHI L L, et al. Structural parameters calibration of Hartmann-Shack sensor based on known spherical wavefront[J]. Journal of Applied Optics, 2015, 36(6): 909-912. (in Chinese). doi: 10.5768/JAO201536.0603002
    [16] NIKITIN A N, GALAKTIONOV I, SHELDAKOVA J, et al. Calibration of a Shack-Hartmann wavefront sensor using spherical wavefronts from a point source[J]. Proceedings of SPIE, 2022, 11987: 119870J.
    [17] PLATT B C, SHACK R. History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing[J]. Journal of Refractive Surgery, 2001, 17(5): S573-S577.
    [18] BORN M, WOLF E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light[M]. 7th ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1999.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-28
  • 修回日期:  2023-09-19
  • 网络出版日期:  2023-12-05

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