上海交大杨佳苗团队发表大动态范围光波面测量研究成果

　　

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院杨佳苗团队在大动态范围光波面测量方向取得重要进展，相关成果以“Large dynamic range Shack-Hartmann wavefront sensor based on adaptive spot matching”（具有全局光斑自适应匹配能力的大动态范围夏克-哈特曼波前传感方法）为题、以上海交通大学电子信息与电气工程学院为第一单位发表在《Light: Advanced Manufacturing》上，相关技术已应用于研发设备成品。

夏克-哈特曼传感器是一种非干涉波前测量技术，具备探测速度快、易于集成、抗环境干扰能力强等优势，广泛应用于天文探测、生物医学、精密加工等领域。传统的夏克-哈特曼传感器为了准确确定光斑与成像微透镜的对应关系，通常将光斑匹配范围限制在单个微透镜内。这导致传感器的动态范围受限，难以测量起伏较大的波前。

解决夏克-哈特曼传感器动态范围限制的关键是从散乱的光斑阵列中准确确定每个光斑所对应的微透镜。现有科研人员的解决思路大多是根据局部信息的关联性，利用已知的对应关系逐步向外推广。这类方法由于仅利用局部信息，存在性能提升范围小和推导过程易出错等问题，限制了夏克-哈特曼传感器动态范围的进一步提高。

具有全局光斑自适应匹配能力的大动态范围夏克-哈特曼波前传感原理图

针对以上问题，杨佳苗团队提出了具有全局光斑自适应匹配能力的大动态范围夏克-哈特曼波前传感方法。该方法从夏克-哈特曼传感器的物理成像过程出发，将光斑与微透镜的匹配转化为对入射波前的估计，利用光斑质心坐标集合构建全局优化函数，进而利用优化算法搜索最接近实际测得光斑位置分布的估计波前，最终完成匹配任务。该方法不同于局部方法，它不再着眼于光斑之间的邻域位置信息，而是选择直接利用优化算法估计入射波前的整体分布。通过正确估计波前所对应的光斑分布，从而一次性确定所有光斑与微透镜的对应关系，巧妙地解决了现有夏克-哈特曼传感器动态范围的限制。

具有全局光斑自适应匹配能力的大动态范围夏克-哈特曼波前传感方法的基本原理为：首先对探测到的光斑图像进行阈值分割和质心提取处理，获得由探测光斑质心坐标组成的探测点集；随后通过优化算法搜索与探测点集分布最接近的入射波前，该波前由Zernike多项式表征；在优化过程中，不断搜索Zernike系数，根据夏克-哈特曼传感器的物理光学模型，计算出不同Zernike系数对应的估计光斑质心坐标集合；再利用Hausdorff距离与重复匹配惩罚项，建立关于探测点集与估计点集差异性的损失函数；最后通过最小化损失函数，来获得最优估计波前，并确定探测光斑与微透镜之间的匹配关系。

光斑缺失条件下的大动态范围波前测量效果

该方法在大动态范围波前测量方面取得了显著的提升，能够实现局部斜率达到传统极限24.17倍的波前测量能力。同时，对于由第3至9项Zernike多项式所表征的波前，该方法的测量能力达到了传统极限的5.84倍至16.21倍。此外，得益于该方法的全局性光斑匹配能力，在极端遮挡条件下该方法仍具备大动态范围波前测量能力。当由于光照不均匀、微透镜损坏等原因导致夏克-哈特曼传感器采集到的光斑图像存在部分光斑缺失时，该方法仍然能够实现剩余光斑的准确匹配，这是局部方法所无法实现的。

大动态范围波前重建实验结果

在波前测量实验中，此研究在12.5%光斑缺失的情况下成功实现了高曲率波前测量，其动态范围测量能力相较于传统方法提高了14.81倍。

研究团队

杨佳苗团队长期致力于光学检测/成像、光场调控、光计算等方面的科学研究，以及相关智能光电仪器设计、制造、集成等技术研发。团队负责人杨佳苗，以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances（2篇）、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表高水平学术论文30余篇。

论文链接：https://doi.org/10.37188/lam.2024.007

课题组网页：https://juopt.sjtu.edu.cn/

作者：

电子信息与电气工程学院

供稿单位：

电子信息与电气工程学院