基于优化探测窗口光斑质心探测方法

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1、!第!"卷!第"期强激光与粒子束#$%&!"!’$&"!!())*年"月+,-+./012345124’6.427,831914:54;<&!())*!文章编号!!!))!=>?(("())*#)"=!(>@=)>基于优化探测窗口的光斑质心探测方法"王!薇!!(!!陈怀新("!!淮北煤炭师范学院物理系!安徽淮北(?A)))$!(!四川大学电子信息学院!成都*!))*>#!!摘!要!!哈特曼=夏克波前传感器进行波前探测时!用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置!子孔径窗口作为探测窗口!但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响!会使质心探

2、测精度产生很大的误差%因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响!必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度%为此!在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度!仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度!未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是(&"A!>!!均方根值是)B*)*?!!优化探测窗口后波前残差的峰谷值是!&*?*(!!均方根值是)&?*C!!!重构误差减小了>)D%证明了算法的可行性和稳定性%!!关键词!!+EFGHEII=5JEKL波前传感器$!质心探测$!优化探测窗口$!探测精度$!阵列菲涅

3、耳波带片!!中图分类号!!/>?"!!!!文献标识码!!4!!采用哈特曼=夏克"+EFGHEII=5JEKL#波前传感器探测波前是目前波前探测的主流形式!并且通常采用精’!=((度高&可靠性高的886相机作为探测器件来探测光斑阵列各子孔径质心位置%目前常用子孔径光斑强度’?=>(的一阶矩来计算光斑质心位置!光斑的质心探测和计算精度是影响波前探测精度的主要因素%!!886相机探测光斑质心位置时!存在光子噪声&读出噪声和背景噪声%由光子噪声和读出噪声这类随机噪声引起的探测误差随探测窗口的增大而增大%通常背景噪声是比较均匀的!一般采用阈值法减小它们

4、产生’A(的误差%但是由于均匀噪声也存在一定程度的起伏!阈值法也不能将这部分噪声全部消除!因此质心探测窗口增大!背景噪声引起的质心探测误差也随之增大%另外!当光斑不能全部在质心探测窗口内时!质心探测误’*(’C(差增大%因此!质心探测窗口尺寸与光斑分布区域匹配得越好!探测误差越小%!!在用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置时!子孔径窗口就作为探测窗口!但是子孔径窗口内远离光斑的那些像素的噪声对一阶矩有很大的影响!会使质心探测产生很大的误差%所以计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响!为此就必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探

5、测精度%"!基于优化探测窗口的光斑质心探测方法!!在传统算法的基础上通过优化光斑探测窗口来提高质心探测精度%步骤如下)!!"!#找出每个子孔径内的最大值对应的位置!即每个光斑最亮点所在位置%实际实验中!噪声的影响使得每个子孔径内最大值的位置可能不止一个!这时就需要判断真正最亮点所在位置)首先对光斑图以整个子孔径区域为探测窗口按一阶矩方法求出各光斑的质心位置!则按此传统算法初步计算的质心位置附近的区域必定是各子孔径内光斑所覆盖的区域$再以此初步计算的质心位置为中心!取合适大小区域!求出此小区域内的最大值!此必定是整个子孔径的最大值位置%!!"(

6、#以每个子孔径内最大值对应的位置为中心!取一合适大小"!M!#的矩形区域"比最大光斑的像素数要稍多#!以此作为每个光斑的探测窗口%!!"?#用一阶矩方法计算出在所确定的探测窗口内每个光斑的质心位置%采用此方法优化光斑探测窗口!光斑均在窗口内!而且窗口尺寸比较接近光斑尺寸!质心探测误差较小%#!探测窗口大小的模拟计算分析!!实验中我们采用振幅型阵列菲涅耳波带片作为波前传感器!可由菲涅耳波带片的衍射图案来确定探测窗口的大小%由菲涅耳衍射理论可知!波带片一级衍射斑的大小可以视为其聚焦光斑的大小%"收稿日期!())A=!)=(*$!!修订日期!())

7、*=)A=?)基金项目!安徽省科技创新团队项目资助课题"())*NO))?76#作者简介!王!薇"!@CA*#!女!硕士!现从事信息光学研究工作$PQ%PPJI!R$J;&K$H%)$B!强激光与粒子束第)+卷!!模拟子孔径大小为!"#$%%!每个子孔径对应&$’&$像素!焦距为!()*"$%%的菲涅耳波带片!激光束波长!(!"#&$+"这是按照后面实验中波带片的参数进行模拟的"任取一子孔径内的菲涅耳波带!计!%算菲涅耳波带片的衍射!衍射距离是"(!"图)#,$!#-$分别是菲涅耳波带片聚焦光斑归一化后的强度&维图和强度剖面图"由图可以计算出

8、聚焦光斑的大小约是!")+%%!对应*个像素!因此探测窗口的大小取为*’*个像素"这是无噪时的情形!由于噪声的影响!实际的光斑要扩展!比计算值大一些"这为后面实际实