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,存在着各种像差,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。     

提高人眼波前传感器信噪比的实验研究

Hartmann-Shack(H-S)人眼波前传感器噪声主要是角膜的反射光。本文用模拟人眼对消噪声的两种方法进行了实验研究。首先,对使用偏振分光棱镜(PBS)的H-S系统,在系统出瞳不变,入瞳变化的条件下测量了对应的信噪比。实验证明：与采用薄半透半反镜相比,在光线斜入射消除PBS内部反射噪声的前提下,该方法可使信噪比提高到11：1。其次,对离轴入射法进行实验研究,获得200：1信噪比,最后对上述两种方法获得的光斑点阵进行了比较分析。     

掩模测量人眼波前像差技术研究

对基于Hartmann-Shack(H-S)原理测量人眼波前像差的掩模技术进行了研究。利用光学系统将液晶显示器(LCD)制成的掩模对应成像在微透镜阵列面,对模拟眼进行测量。设计了针对不同采样密度的H-S系统的各类掩模,扩大子孔径内像差测量范围,最大可测像差分别提高到L2／f、2L^2／f和4L^2／f,解决了光斑溢出和粘连的问题,实现了对大像差人眼的准确测量。     

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=3.39 μm）,测量精度优于λ/10 （λ=3.39 μm）。     

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。     

应用Hartmann-Shack原理测量人眼波前像差的系统研究

分析波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式,着重讨论了Hartmann-Shack波前传感器测量波前像差的原理,结合自适应光学中Zernike多项式重建波前的理论,提出了应用H-S波前传感器测量人眼波前像差的解决方案,使得由波前像差引导的人眼视觉矫正技术能达到一个新的水平。     

人眼波像差测量中形心探测的新方法

子孔径光斑的形心探测和计算精度是影响哈特曼传感器波像差探测精度的重要因素，而探测窗口的选取对探测误差的影响很大。分析了Prieto等人采用的逐步缩小窗口尺寸的探测方法，并根据哈特曼波前传感器探测人眼波像差的光斑特点，采用模板匹配法选取光斑窗口的形心探测方法。该方法与Prieto的方法相比提高了探测精义。光斑阵列的仿真计算结果表明，用文中采用的方法探测误差的均方根值降低了53．7％。另外，该方法还避免了Prieto方法中多次迭代计算，减少了运算量。     

哈特曼波前传感器光斑质心探测窗口的自动确定方法研究

根据在进行激光系统输出波前诊断时使用Hartman传感器探测到的光斑特点,提出一种基于光斑特征识别的自动搜寻并选取光斑质心探测窗口的新方法。通过对仿真光斑阵列的计算和对实际采样图像的实验,验证了这种方法的可行性和探测精度。     

人眼波前像差及准分子激光手术矫正的研究

波前像差严重影响了人眼正常的视觉质量,引入Hartm ann-Shack波前传感器可有效地测量人眼的各阶像差,结合自适应光学中Zern ike多项式重建波前的理论。建立人眼波前像差和角膜切削量模型的关系模型,利用准分子激光发射的激光脉冲去除定量的角膜组织,从而改善人眼视觉质量。应用表明,人眼像差测量和由像差引导的准分子激光手术矫正具有明显的临床医学价值。     

哈特曼传感器仿真平台设计

为了实现波前处理机脱离以哈特曼传感器为核心的波前探测光学系统,独立地进行处理机算法的设计和验证,采用软、硬件结合的方式,设计了哈特曼传感器输出图像仿真平台。上位机仿真监控软件采用VC 和MATLAB 联合编程,根据哈特曼传感器工作原理和结构,仿真生成哈特曼图像,并完成与硬件电路交互命令和传输数据的功能。以FPGA 为核心的主控电路,完成发送响应信号、接收监控软件发送的读写指令、存储数据的功能,并根据实际CCD 时序实时输出标准Camera Link 接口格式的图像数据。经验证,软件仿真图像和实际输出相符;仿真平台输出表明硬件时序正确,满足设计速度要求。     

基于哈特曼原理的薄膜应力在线测量系统

介绍了一种基于哈特曼传感器的薄膜应力在线检测系统.哈特曼透镜阵列将待测量表面划分成若干小区域,通过测量每个小区域成像光斑的相对位置变化来获得整个测量表面的变形量,将测得的变形量代入到薄膜应力与基板表面变形的关系式中,求得薄膜应力.通过对影响光斑质心探测精度的各种因素进行分析,提出使用加阈值的一阶矩法,精确计算光斑质心,结合高灵敏度的CMOS探测器,使系统的面形测量精度达到15.7 nm,应力测量灵敏度优于3.3 MPa,实现了薄膜应力测量的高灵敏度与在线测量的统一.最后通过对TiO2,SiO2单层膜的在线测量,验证了系统的灵敏度与稳定性,能够完全满足薄膜应力分析的需要.     

对Zernike模式法重构19单元哈特曼测量波前的研究

通过对19单元哈特曼测量和模式法重构波前的过程进行数值模拟,研究了Zern ike模式法重构波前时耦合和混淆出现的原因、条件、程度和数学算法的表现。确定了在综合考虑最高可识别模式和计算稳定性同计算工具关系的情况下,选择最佳重构阶数的基本原则。同时对19单元哈特曼复原精度进行了评价,得出模式耦合是影响精度的主要因素,得到了模式法波前测量的适用条件,为利用哈特曼进行光束质量诊断提供了依据。     

一种数学形态学的哈特曼-夏克传感器阈值选取方法

为了提高计算哈特曼-夏克波前传感器的质心探测精度,设计了基于数学形态学的滤波器.此滤波器基于四个有向结构元素形态滤波,设计的每个元素充分考虑了哈特曼-夏克波前传感器探测人眼波前像差时的光斑点大致形态.这个滤波器优化了阈值,经此滤波器处理后,可以保持传感器探测到每个光斑点的形态特征,保留了更多的光斑信息.通过在视网膜细胞显微镜项目的应用其速度和精度均能满足要求.     

扰动对非稳腔模式的影响和腔内倾斜像差校正

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜;且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。     

腔内像差扰动对正支共焦腔模式的影响及腔内像差校正

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。     

腔镜倾斜扰动对正支共焦腔输出光束模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响,采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究,用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明,凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜,对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系,若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动,带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内相位补偿或校正时,应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。