哈特曼波前复原方法及装置与流程

1.本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种哈特曼波前复原方法及装置。


背景技术：

2.哈特曼传感器已被广泛用于自适应光学系统，它可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布，而且还可以事先用一束高质量的参考光标定，从而在现场测量时无需参考光，对环境的要求不敏感。因此哈特曼波前传感器已成功用于激光光束质量诊断、光学元件和光学系统检测、大气扰动测量等诸多领域。
3.哈特曼测量的是波前相位斜率，需要经过波前复原求出相位值。复原的方法主要有区域法和模式法两类。哈特曼模式法是根据哈特曼传感器测得的各子孔径波前斜率计算波前相位误差的算法，在哈特曼传感器的具体应用中，经常遇到的光学系统多数为圆形和环形的；在激光光束质量测量一类的应用中，还经常有矩形口径的系统。哈特曼模式法只对圆域比较成熟，仅对圆形口径哈特曼波前复原有较好的效果，而对于非圆形的口径，哈特曼波前复原效果不佳，那么针对不同形状口径的光学系统，需要使用不同的波前重构方法，光学系统的通用性低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种哈特曼波前复原方法及装置，以改善上述现有技术中针对不同口径形状的光学系统，需要使用不同的波前重构方法，光学系统的通用性低的问题。
5.为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种哈特曼波前复原方法，所述方法包括：获取哈特曼传感器采集的光斑图像；对所述光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像；对每个所述子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像；依据所述交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像。
7.进一步地，所述对每个所述子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像的步骤，包括：对每个所述子光斑图像均进行波前复原，得到多个子波面图像；对每个子波面图像均进行差分处理，得到多个子差分波面图像。
8.进一步地，所述对每个子波面图像均进行差分处理，得到多个子差分波面图像的步骤，包括：获取每个子波面图像的中每列的像素数据；计算每个子波面图像中相邻列的像素数据差，得到多个子差分波面图像。
9.进一步地，对每个子波面图像均进行差分处理，得到多个子差分波面图像的步骤，包括：获取每个子波面图像的中每行的像素数据；计算每个子波面图像中相邻行的像素数据差，得到多个子差分波面图像。
10.进一步地，所述依据所述交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像的步骤，包括：依据所述交集关系对多个子差分波面图像拼接融合，得到差
分融合图像；对所述差分融合图像进行积分，得到波前复原图像。
11.第二方面，本发明实施例提供了一种哈特曼波前复原装置，所述哈特曼波前复原装置包括：图像获取模块，用于获取哈特曼传感器采集的光斑图像；分区处理模块，用于对所述光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像；复原差分模块，用于对每个所述子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像；复原拼接模块，用于依据所述交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像。
12.相对现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：
13.本发明实施例提供的一种哈特曼波前复原方法及装置，通过获取哈特曼传感器采集的光斑图像；对光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像；对每个子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像；依据交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像，实现了对不同形状口径的光学系统的波前重构，提高了光学系统的通用性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术用户员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
15.图1示出了本发明实施例提供的哈特曼传感器的结构示意图；
16.图2示出了本发明实施例提供的哈特曼波前复原方法的流程图；
17.图3示出了本发明实施例提供的不同形状口径的光斑图像的示意图；
18.图4为图2示出的步骤s3的子步骤流程图；
19.图5示出了本发明实施例提供的子波面图像的示意图；
20.图6示出了本发明实施例提供的子差分波面图像的示意图；
21.图7为图4示出的步骤s32的第一子步骤流程图；
22.图8为图4示出的步骤s32的第二子步骤流程图；
23.图9为图2示出的步骤s4的子步骤流程图；
24.图10示出了本发明实施例提供的差分融合图像的示意图；
25.图11示出了本发明实施例提供的波前复原图像的示意图；
26.图12示出了本发明实施例提供的哈特曼波前复原装置的方框示意图；
27.附图标记：200-哈特曼波前复原装置；210-图像获取模块；220-分区处理模块；230-复原差分模块；240-复原拼接模块。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术员在没有做出
创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明实施例提供的哈特曼波前复原方法应用于哈特曼传感器，请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的哈特曼传感器的结构示意图，哈特曼传感器包括微透镜阵列和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，cmos)单元，微透镜阵列将被测光场图像调制成斑点/点阵图像，微透镜阵列可以是圆形或六边形。cmos单元用于采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像，coms单元的型号可以是安森美5000。
30.第一实施例
31.请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的哈特曼波前复原方法的流程图。哈特曼波前复原方法包括以下步骤：
32.s1，获取哈特曼传感器采集的光斑图像。
33.在本发明实施例中，光斑图像可以是cmos单元采集微透镜阵列调制后的带有波前相位信息的被测光场的斑点图像。当哈特曼传感器的口径不同形状时，采集到的光斑图像也是不同的，哈特曼传感器的口径可以是矩形，也可以是三角形，还可以是椭圆形，也可以是其他不规则形状。请参阅图3，图3示出了本发明实施例提供的不同形状口径的光斑图像的示意图。
34.s2，对光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像。
35.在本发明实施例中，子光斑图像可以是光斑图像中圆形子区域的图像。对光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像的步骤，可以理解为，采用同样大小的圆形对光斑图像进行分区，得到多个大小相等的子光斑图像，所有的子光斑图像的并集构成光斑图像，且对其中任一子光斑图像而言，与其他的至少一个子光斑图像有交集关系。
36.s3，对每个子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像。
37.请参阅图4，步骤s3可以包括以下子步骤：
38.s31，对每个子光斑图像均进行波前复原，得到多个子波面图像。
39.在本发明实施例中，子波面图像可以是对子光斑图像进行波前复原后，得到的图像。请参阅图5，图5示出了本发明实施例提供的子波面图像的示意图。对每个子光斑图像均进行波前复原，得到多个子波面图像的步骤，可以理解为，利用哈特曼模式法或者区域重构法对子光斑图像进行波前复原，得到子波面图像，对每个子光斑图像均进行上述相同的处理，即可得到多个子波面图像。
40.哈特曼模式法是根据哈特曼传感器测得的各子孔径波前斜率计算波前相位误差的算法哈特曼模式法中，zernike模式法是一种常用的波前重构算法，对于圆形区域上的波前相位畸变，通常是利用在圆域上正交的圆域zernike多项式进行重构。
41.一个完整的波前φ(x,y)可以用泽尼克多项式来描述为：
[0042][0043]
其中，a0为平均位相波前，ak为第k项泽尼克多项式系数，zk为第k项泽尼克多项式，ε为波前相位测量误差。通过斜率测量值求出波前误差的各个模式系数后，就可以得到整个波前的表达式，进而求出每个控制点的波前误差。例如对于哈特曼传感器，子孔径内的斜率数据与泽尼克多项式系数的关系为：
[0044][0045]
其中ε
x
、εy为波前相位测量误差，n为模式阶数，si为子孔径的归一化面积。m个子孔径斜率n项泽尼克系数的关系用矩阵表示为：
[0046][0047]
记为：g＝da ε
[0048]
由于泽尼克函数偏导数的不完全正交性以及在有限的采样点上函数的非正交性，都有可能使矩阵d的秩不完备，且方程的条件数也不一样。对于任意的2m和n，上述方程的最小二乘解可用广义逆d

表示：
[0049]
a＝d

g (i-d

d)y
[0050]
其中y是任意向量，当y＝0时方程在最小二乘||d

d-a||＝min和最小范数||a||＝min意义下的解为：
[0051]
a＝d
g[0052]
其中||
·
||表示欧几里得范数。这样，只要求出d的逆矩阵d

，即可以求出泽尼克系数ak，计算出波前相位。计算d的逆矩阵d

的方法通常有普通最小二乘法、gram-schmidt正交化法和奇异值分解法三种。其中奇异值分解法是一种数值稳定性相当好的算法，不管矩阵条件数如何，用奇异值分解方法得到的广义逆求解方程，在最小二乘最小范数意义下都能得到稳定解。
[0053]
区域重构法的原理是利用待估计相位点四邻位置上的测量斜率(最多不超过四点)进行内插获得波前相位的。若假设子孔径阵列经适当分块后边界效应可近似忽略，则各块独立进行波前重构并附加特定修正值就可等效于上述的通常算法。这样既能减少计算量，又不会对估计精度带来大的影响，这就是分块波前重构的基本思想。区域法波前重构即从波前探测器测得的波前斜率中恢复出波前的相位值。
[0054]
s32，对每个子波面图像均进行差分处理，得到多个子差分波面图像。
[0055]
在本发明实施例中，子差分波面图像可以是对子波面图像进行差分处理后，得到的图像。请参阅图6，图6示出了本发明实施例提供的子差分波面图像的示意图。对每个子波面图像均进行差分处理，得到多个子差分波面图像的步骤，可以理解为，以行/列为标准，对子波面图像进行差分，得到子差分波面图像，对每个子波面图像均进行上述相同的处理，即可得到多个子差分波面图像。
[0056]
请参阅图7，步骤s32可以包括以下子步骤：
[0057]
s321，获取每个子波面图像的中每列的像素数据。
[0058]
在本发明实施例中，像素数据可以表征像素值。
[0059]
s322，计算每个子波面图像中相邻列的像素数据差，得到多个子差分波面图像。
[0060]
在本发明实施例中，计算每个子波面图像中相邻列的像素数据差，得到多个子差分波面图像的步骤，可以理解为，通过将子波面图像的右一列像素数据减去左一列像素数据，得到像素数据差，并以像素数据差构成子差分波面图像(子波面图像像素数据第二列减去第一列得到子差分波面图像的第一列像素数据，子波面图像像素数据第三列减去第二列得到子差分波面图像的第二列像素数据，以此类推，但最后一列右边没有像素数据所以舍去，从而得到子差分波面图像)。对每个子波面图像均进行上述相同的处理，即可得到多个子差分波面图像。
[0061]
请参阅图8，步骤s32还可以包括以下子步骤：
[0062]
s323，获取每个子波面图像的中每行的像素数据。
[0063]
s324，计算每个子波面图像中相邻行的像素数据差，得到多个子差分波面图像。
[0064]
在本发明实施例中，计算每个子波面图像中相邻行的像素数据差，得到多个子差分波面图像的步骤，可以理解为，通过将子波面图像的后一行像素数据减去前一行像素数据，得到像素数据差，并以像素数据差构成子差分波面图像(子波面图像像素数据第二行减去第一行得到子差分波面图像的第一行像素数据，子波面图像像素数据第三行减去第二行得到子差分波面图像的第二行像素数据，以此类推，但最后一行之后没有像素数据所以舍去，从而得到子差分波面图像)。对每个子波面图像均进行上述相同的处理，即可得到多个子差分波面图像。
[0065]
s4，依据交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像。
[0066]
请参阅图9，步骤s4可以包括以下子步骤：
[0067]
s41，依据交集关系对多个子差分波面图像拼接融合，得到差分融合图像。
[0068]
在本发明实施例中，差分融合图像可以是多个子差分波面图像根据交集关系拼接融合后，得到的图像。请参阅图10，图10示出了本发明实施例提供的差分融合图像的示意图。由于哈特曼模式法或区域重构法对子光斑图像进行复原时，子光斑图像间的相对波面起伏无法测得，需要知道子光斑图像复原波面的相对起伏偏移量才能进行拼接。对子波面图像进行差分处理后，子差分波面图像之间不存在相对起伏偏移量，子差分波面图像可以直接进行拼接。在进行分割处理时，子波面图像间有交集关系，那么交集部分的像素数据是一致的，运用图像拼接的方法，将所有的子差分波面图像进行匹配，找到对应关系，再把所有子差分波面图像转换到一个坐标系，通过合并重叠部分像素数据，使其融合成一个更大画布的差分融合图像。
[0069]
s42，对差分融合图像进行积分，得到波前复原图像。
[0070]
在本发明实施例中，波前复原图像为对差分融合图像进行积分后，得到的图像。请参阅图11，图11示出了本发明实施例提供的波前复原图像的示意图。对差分融合图像进行积分，得到波前复原图像的步骤，可以理解为，以行/列为标准，对差分融合图像进行积分，得到波前复原图像。具体地，对差分融合图像进行与步骤s32相对应的积分处理，得到波前复原图像。当步骤s32采用的是行为标准进行差分时，则步骤s42以行为标准进行积分；当步
骤s32采用的是列为标准进行差分时，则步骤s42以列为标准进行积分。
[0071]
与现有技术相比，本发明实施例具有以下优势：
[0072]
通过获取哈特曼传感器采集的光斑图像；对光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像；对每个子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像；依据交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像，实现了对不同形状口径的光学系统的波前重构，提高了光学系统的通用性，且省略了扫描过程，提高了波前复原拼接的速度。
[0073]
第二实施例
[0074]
请参阅图12，图12示出了本发明实施例提供的哈特曼波前复原装置的方框示意图。哈特曼波前复原装置200包括图像获取模块210、分区处理模块220、复原差分模块230以及复原拼接模块240。
[0075]
图像获取模块210，用于获取哈特曼传感器采集的光斑图像。
[0076]
可以理解为，图像获取模块210可以执行上述步骤s1。
[0077]
分区处理模块220，用于对光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像。
[0078]
可以理解为，分区处理模块220可以执行上述步骤s2。
[0079]
复原差分模块230，用于对每个子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像。
[0080]
可以理解为，复原差分模块230可以执行上述步骤s3。
[0081]
在本发明实施例中，复原差分模块230包括波前复原单元和差分处理单元。波前复原单元，用于对每个子光斑图像均进行波前复原，得到多个子波面图像；差分处理单元，用于对每个子波面图像均进行差分处理，得到多个子差分波面图像。
[0082]
差分处理单元具体用于：获取每个子波面图像的中每列的像素数据；计算每个子波面图像中相邻列的像素数据差，得到多个子差分波面图像。
[0083]
差分处理单元还可以具体用于：获取每个子波面图像的中每行的像素数据；计算每个子波面图像中相邻行的像素数据差，得到多个子差分波面图像。
[0084]
复原拼接模块240，用于依据交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像。
[0085]
可以理解为，复原拼接模块240可以执行上述步骤s4。
[0086]
在本发明实施例中，复原拼接模块具体用于：依据交集关系对多个子差分波面图像拼接融合，得到差分融合图像；对差分融合图像进行积分，得到波前复原图像。
[0087]
综上所述，本发明实施例提供一种哈特曼波前复原方法及装置，所述方法包括：获取哈特曼传感器采集的光斑图像；对光斑图像进行分区处理，得到多个有交集关系的子光斑图像；对每个子光斑图像均进行波前复原和差分处理，得到多个子差分波面图像；依据交集关系对多个子差分波面图像进行复原拼接处理，得到波前复原图像。与现有技术相比，本发明实施例提供的哈特曼波前复原方法具有以下优势：实现了对不同形状口径的光学系统的波前重构，提高了光学系统的通用性，且省略了扫描过程，提高了波前复原拼接的速度。
[0088]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图
显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0089]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0090]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0091]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。