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Accuracy characterization of Shack-Hartmann sensor with residual error removal in spherical wavefront calibration 被引量:7
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作者 Yi He Mingdi Bao +3 位作者 Yiwei Chen Hong Ye Jinyu Fan Guohua Shi 《Light: Advanced Manufacturing》 2023年第4期55-65,共11页
The widely used Shack-Hartmann wavefront sensor(SHWFS)is a wavefront measurement system.Its measurement accuracy is limited by the reference wavefront used for calibration and also by various residual errors of the se... The widely used Shack-Hartmann wavefront sensor(SHWFS)is a wavefront measurement system.Its measurement accuracy is limited by the reference wavefront used for calibration and also by various residual errors of the sensor itself.In this study,based on the principle of spherical wavefront calibration,a pinhole with a diameter of 1μm was used to generate spherical wavefronts with extremely small wavefront errors,with residual aberrations of 1.0×10^(−4)λRMS,providing a high-accuracy reference wavefront.In the first step of SHWFS calibration,we demonstrated a modified method to solve for three important parameters(f,the focal length of the microlens array(MLA),p,the sub-aperture size of the MLA,and s,the pixel size of the photodetector)to scale the measured SHWFS results.With only three iterations in the calculation,these parameters can be determined as exact values,with convergence to an acceptable accuracy.For a simple SHWFS with an MLA of 128×128 sub-apertures in a square configuration and a focal length of 2.8 mm,a measurement accuracy of 5.0×10^(−3)λRMS was achieved across the full pupil diameter of 13.8 mm with the proposed spherical wavefront calibration.The accuracy was dependent on the residual errors induced in manufacturing and assembly of the SHWFS.After removing these residual errors in the measured wavefront results,the accuracy of the SHWFS increased to 1.0×10^(−3)λRMS,with measured wavefronts in the range ofλ/4.Mid-term stability of wavefront measurements was confirmed,with residual deviations of 8.04×10^(−5)λPV and 7.94×10^(−5)λRMS.This study demonstrates that the modified calibration method for a high-accuracy spherical wavefront generated from a micrometer-scale pinhole can effectively improve the accuracy of an SHWFS.Further accuracy improvement was verified with correction of residual errors,making the method suitable for challenging wavefront measurements such as in lithography lenses,astronomical telescope systems,and adaptive optics. 展开更多
关键词 shack-hartmann wavefront sensor Spherical wavefront calibration Residual aberration correction High-accuracy measurement of wavefronts
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Large dynamic range Shack-Hartmann wavefront sensor based on adaptive spot matching 被引量:1
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作者 Jiamiao Yang Jichong Zhou +3 位作者 Lirong Qiu Rongjun Shao Linxian Liu Qiaozhi He 《Light: Advanced Manufacturing》 2024年第1期40-49,共10页
The Shack-Hartmann wavefront sensor(SHWS)is widely used for high-speed,precise,and stable wavefront measurements.However,conventional SHWSs encounter a limitation in that the focused spot from each microlens is restri... The Shack-Hartmann wavefront sensor(SHWS)is widely used for high-speed,precise,and stable wavefront measurements.However,conventional SHWSs encounter a limitation in that the focused spot from each microlens is restricted to a single microlens,leading to a limited dynamic range.Herein,we propose an adaptive spot matching(ASM)-based SHWS to extend the dynamic range.This approach involves seeking an incident wavefront that best matches the detected spot distribution by employing a Hausdorff-distance-based nearest-distance matching strategy.The ASM-SHWS enables comprehensive spot matching across the entire imaging plane without requiring initial spot correspondences.Furthermore,due to its global matching capability,ASM-SHWS can maintain its capacity even if a portion of the spots are missing.Experiments showed that the ASM-SHWS could measure a high-curvature spherical wavefront with a local slope of 204.97 mrad,despite a 12.5%absence of spots.This value exceeds that of the conventional SHWS by a factor of 14.81. 展开更多
关键词 wavefront sensing Large dynamic range shack-hartmann sensor
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光波前向散射闪烁相关法测量光传播路径横向风速廓线 被引量:2
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作者 苑克娥 吕炜煜 +4 位作者 郑李楠 胡顺星 黄见 曹开法 徐之海 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第7期1780-1784,共5页
光传播路径横向风速风向的准确测量,对于科学研究和工程应用都具有重要意义。哈特曼传感器用来接收光波大气传输前向散射的波前和光强信息,提出利用哈特曼传感器接收的前向散射光强闪烁相关信息,实现路径横向风速廓线测量的方法。理论... 光传播路径横向风速风向的准确测量,对于科学研究和工程应用都具有重要意义。哈特曼传感器用来接收光波大气传输前向散射的波前和光强信息,提出利用哈特曼传感器接收的前向散射光强闪烁相关信息,实现路径横向风速廓线测量的方法。理论推导给出了光传播路径上横向风速分段反演的公式。根据不同的子孔径间距路径权重函数的差异,针对不同子孔径间距对路径不同位置的敏感性,分析了如何合理的选取光传播路径横向风速廓线的权重函数。利用哈特曼传感器开展了水平1 000m光传输路径横向风速的探测实验。初步研究结果表明,哈特曼传感器测量的路径横向平均风速与接收端附近的风速计测量的结果具有较好的一致性;得到的两段路径横向风速的分布在随时间的变化趋势上一致性较好,特殊的下垫面布局使得靠近光源的第一段路径与靠近探测器的第二段路径的平均横向风速分别为1.273和0.952m·s-1。将第二段横向风速与路径横向平均风速的测量结果进行了相关性分析,具有一致的变化趋势,两者的相关系数达0.86。 展开更多
关键词 闪烁相关 哈特曼传感器 路径横向平均风速 路径横向风速廓线
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太阳目标哈特曼波前探测研究
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作者 李晓昕 王森 《天文研究与技术》 CSCD 2011年第3期298-305,共8页
分别对Hinode光学望远镜SOT观测太阳黑子的本影和半影图像以及太阳米粒组织图像进行了空间频谱计算和相关计算,分析了太阳不同结构区域图像的时域和空域特性对哈特曼波前探测精度的影响。计算和分析结果表明,在子孔径波面倾斜小于0.25... 分别对Hinode光学望远镜SOT观测太阳黑子的本影和半影图像以及太阳米粒组织图像进行了空间频谱计算和相关计算,分析了太阳不同结构区域图像的时域和空域特性对哈特曼波前探测精度的影响。计算和分析结果表明,在子孔径波面倾斜小于0.25″情况下,米粒组织图像采样时间在2 min内、本影和半影采样时间在4 min内,对子孔径波面倾斜探测精度的影响极小;并且由太阳目标特性引起的哈特曼波面探测误差随波面畸变量的增大而增大。这些研究结果可为太阳望远镜哈特曼波前探测器研制和应用提供依据和参考。 展开更多
关键词 哈特曼波前探测 太阳目标 空间频谱 图像相关
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Surface Measurement Using Compressed Wavefront Sensing
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作者 Eddy Mun Tik CHOW Ningqun GUO +1 位作者 Edwin CHONG Xin WANG 《Photonic Sensors》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第2期115-125,共11页
Compressed sensing leverages the sparsity of signals to reduce the amount of measurements required for its reconstruction. The Shack-Hartmann wavefront sensor meanwhile is a flexible sensor where its sensitivity and d... Compressed sensing leverages the sparsity of signals to reduce the amount of measurements required for its reconstruction. The Shack-Hartmann wavefront sensor meanwhile is a flexible sensor where its sensitivity and dynamic range can be adjusted based on applications. An investigation is done by using compressed sensing in surface measurements with the Shack-Hartmann wavefront sensor. The results show that compressed sensing paired with the Shack-Hartmann wavefront sensor can reliably measure surfaces accurately. The performance of compressed sensing is compared with those of the iterative modal-based wavefront reconstruction and Fourier demodulation of Shack-Hartmann spot images. Compressed sensing performs comparably to the modal based iterative wavefront reconstruction in both simulation and experiment while performing better than the Fourier demodulation in simulation. 展开更多
关键词 shack-hartmann wavefront sensor SURFACE MEASUREMENT compressed SENSING
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应用哈特曼-夏克波前传感器测量大气湍流参数 被引量:13
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作者 饶长辉 姜文汉 凌宁 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2000年第9期1201-1207,共7页
对非科尔莫戈罗夫 (Kolmogorov)湍流情况 ,在利用哈特曼 -夏克 (Hartmann- Shack)波前传感器的波前斜率测量原理并结合其时空结构及相关分析的基础上 ,提出了一种应用斜率结构 -相关函数和斜率归一化相关系数测量大气湍流参数β(归一化... 对非科尔莫戈罗夫 (Kolmogorov)湍流情况 ,在利用哈特曼 -夏克 (Hartmann- Shack)波前传感器的波前斜率测量原理并结合其时空结构及相关分析的基础上 ,提出了一种应用斜率结构 -相关函数和斜率归一化相关系数测量大气湍流参数β(归一化相位空间功率谱指数下降因子 )和ρ0(大气湍流强度 )的新方法。利用这种方法对 展开更多
关键词 大气光学 大气湍流参数 波前传感器
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点源信标相关哈特曼-夏克波前传感器光斑偏移测量误差分析 被引量:2
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作者 陈林辉 饶长辉 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期185-192,共8页
在基于哈特曼-夏克波前传感器(SH-WFS)的自适应光学系统中,通常采用质心算法探测点源信标的子孔径光斑偏移量.然而质心算法探测精度受到诸如减阈值等因素的影响,在低信噪比(SNR)时不能准确估计光斑质心位置,而相关哈特曼算法不需要减阈... 在基于哈特曼-夏克波前传感器(SH-WFS)的自适应光学系统中,通常采用质心算法探测点源信标的子孔径光斑偏移量.然而质心算法探测精度受到诸如减阈值等因素的影响,在低信噪比(SNR)时不能准确估计光斑质心位置,而相关哈特曼算法不需要减阈值,具有更好的鲁棒性.本文在介绍相关SH-WFS基本原理的基础上,通过建立基于点源信标探测的相关SH-WFS算法的随机噪声模型,推导了光斑偏移测量误差表达式,系统分析了光子噪声、CCD读出噪声、背景光子噪声等因素对相关SH-WFS测量误差的影响.并进行了数值仿真及实验,仿真计算及实验结果与理论公式非常符合. 展开更多
关键词 相关哈特曼-夏克波前传感器 相关哈特曼算法 质心算法 测量误差
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计算扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像偏移量的相关函数质心法研究 被引量:7
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作者 李臣亮 胡新奇 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第9期304-309,共6页
扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键,通常采用相关算法来实现,并通过抛物线插值等方法来达到亚像元精度。子图像相对偏移量的计算也可以采用计算相关函数质心的方法来实现,其主要步骤是先计... 扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键,通常采用相关算法来实现,并通过抛物线插值等方法来达到亚像元精度。子图像相对偏移量的计算也可以采用计算相关函数质心的方法来实现,其主要步骤是先计算子图像间的相关函数,在此基础上计算相关函数的质心,达到亚像元精度。通过仿真研究表明这种算法的精度与进行相关运算时的图像大小、计算质心时的相关函数窗口大小以及相关函数阈值的设定有关;同时,图像的信噪比也会影响算法的精度。研究表明,图像的信噪比小于1时,质心算法的计算误差相对较大;当图像的信噪比高于2时,相关函数质心算法的误差大约是抛物线插值法误差的一半。实验结果与仿真结果也基本吻合。 展开更多
关键词 传感器 自适应光学 夏克-哈特曼波前传感器 相关函数 质心算法
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