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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

哈特曼传感器在激光光束质量诊断、光学元件和光学系统检测、大气扰动测量等诸多领域有着广泛的应用。用于检验透镜或反射镜的一种方法是将带孔不透明蒙板置于待检测光学元件之后。每个孔都起着孔径光阑的作用，由于穿过透镜的光是会聚的，因此产生的图像是光斑阵列。经过适当的校准，这些光斑的位置直接指示了在每个孔上的局部波前斜率，因此是对透镜质量的描述。这种检验称为哈特曼检验。对该技术的改进，特别是用于实时波前测量的技术改进，在自适应光学波前传感器中得到了应用。夏克将透镜放在小孔内，从而增强了蒙板的聚光效率，且由于光斑被聚焦而减弱了小孔所带来的令人烦恼的衍射效应。用于此目的的透镜阵列于1971年首次被制造了出来。天文界的人员在1970年代后期开始用该传感器来检验大型望远镜的光学器件。

当光束入射到哈特曼-夏克波前传感器上时，传感器上的微透镜阵列将光束分割成许多微小的子孔径。每部分光波经过微透镜后分别汇聚在子孔径焦点上形成子孔径光斑阵列图像。当入射光波为理想平面波时，在微透镜阵列焦点上得到的将是一组均勾、分布规则的焦点；当入射光波存在波前畸变的时候，在微透镜阵列焦平面处得到的阵列图像将不再均匀分布，而是与前述理想波前的焦点存在偏移。该偏移量即为波前斜率，根据波前斜率经过波前复原算法就可以重构出波前相位分布。

哈特曼传感器测量的是激光波前相位斜率,需要经过重构算法来还原出相位值。还原的方法主要有区域法和模式法两类。其中，区域法是利用各子孔径边界上测量的波前梯度或相位差数据，来重构整个波前相位。如果斜率数据变化很慢，而且测量的速度又很快，就可以利用前若干个斜率测量数据来估计波前的相位，以提高估计精度。模式法是将全孔径的波前相位展成不同的模式(如平移、倾斜、离焦、像散、球差和彗差等)，然后用全孔径内的测量数据来计算各模式系数，得到完整的波前展开式，从而重构出波前相位。它的优点在于可以把波前中包含的各种畸变模式即像差分离出来,便于分析波前畸变的构成和激光系统中产生各种畸变的原因，同时可为波前畸变的自适应控制提供测量数据。

2. 研究的基本内容

本文以夏克-哈特曼波前传感器为核心设备，研究其原理构造，通过夏克-哈特曼波前传感器产生的正比于波前斜率的输出信号，采用计算机图像处理技术重构出三维波前，从而复原出波前信息，实现波前重构。

具体内容包括：系统方案的设计、模型的设计与仿真、算法分析与软件设计及数据测试等工作。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

对哈特曼传感器进行研究。在合理选择实验器件的基础上，着重分析波前重构算法和复原出波前信息。

（1）首先，对哈特曼传感器进行研究，探究其工作原理，设计传感器结构。

（2）分析波前相差产生的原因，重点分析波前复原方法，探究波前复原的步骤方法。

4. 参考文献

[1]许晓军, 陆启生, 刘泽金. 剪切干涉仪与哈特曼波前传感器的波前复原比较[j]. 强激光与粒子束, 2000, 12(3).

[2]马晓燠, 郑翰清, 饶长辉. 自适应系统中哈特曼波前传感器光斑质心的最佳标定位置[j]. 光电工程, 2009, 36(4).

[3]蒋志凌. 哈特曼波前传感器特性和应用研究[d]. 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）.