楊蕊瑜 王帥 張彬 孫年春

摘要：針對(duì)強(qiáng)湍流像差校正、氣動(dòng)流場(chǎng)像差測(cè)量等高速波前探測(cè)場(chǎng)景，提出一種基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器設(shè)計(jì)，將光斑圖像數(shù)據(jù)在輸出之前做預(yù)處理，將預(yù)處理獲取的光斑質(zhì)心而非光斑圖像作為光電探測(cè)器高速實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)，從而大幅壓縮高速波前探測(cè)所需的實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)量，可顯著提升哈特曼波前傳感器的實(shí)時(shí)探測(cè)速度。測(cè)試結(jié)果表明，提出的設(shè)計(jì)方案基于常規(guī) GigE Vision接口即可實(shí)現(xiàn)10 kHz 以上的高速波前實(shí)時(shí)測(cè)量，有望為哈特曼波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)校正、氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)景提供一種實(shí)時(shí)、高速波前測(cè)量新的技術(shù)手段。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)光學(xué);片上質(zhì)心計(jì)算;高速波前探測(cè);哈特曼波前傳感器

中圖分類號(hào)： O438.2;TB9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1674–5124（2021）12–0142–07

High-speed Hartmann wavefront sensor technology based on chip centroid calculation

YANG Ruiyu1，2，WANG Shuai2，ZHANG Bin1，SUN Nianchun1

（1. School of Electronic Information， Sichuan University， Chengdu 610065， China;2. Key Laboratory ofAdaptive Optics， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610209， China）

Abstract： Aiming at high-speed wavefront detection scenarios such as strong turbulence aberration correction and aerodynamic flow field aberration measurement， a high-speed Hartmann wavefront sensor design based on on-chip centroid calculation is proposed. The spot image data is preprocessed before output. And the pre- processedspotcentroidsinsteadof thespotimageisusedashigh-speedreal-timeoutputdataof the photodetector of wavefront sensor. This design can greatly reduce the amount of real-time transmission data requiredforhigh-speedwavefrontdetectionandsignificantlyimprovethereal-timedetectionspeedof Hartmann wavefront sensor. The test results show that the proposed scheme can achieve high-speed， high- resolution real-time wavefront measurement above 10 kHz based on the conventional GigE Vision interface and is expected to provide a new technique for Hartmann wavefront sensor to realize real-time and high-speed wavefront measurement in application scenarios， such as adaptive optical and measurement of aero-optical effects.

Keywords： adaptive optics; on-chip centroid calculation; high-speed wavefront detection; Hartmann wavefrontsensor

0引言

在各類波前傳感器中，哈特曼波前傳感器因結(jié)構(gòu)緊湊、速度快、光能利用率高和對(duì)環(huán)境要求低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)檢測(cè)、空氣擾動(dòng)分析、激光光束檢測(cè)等領(lǐng)域[1-3]。作為一種重要的波前畸變高速測(cè)量技術(shù)手段，提高探測(cè)速度、提升測(cè)量精度一直是哈特曼波前傳感器技術(shù)的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)改進(jìn)方向。

在提高探測(cè)速度方面，受限于哈特曼波前傳感技術(shù)的測(cè)量原理，在高速測(cè)量條件下，哈特曼波前傳感器的核心組件——高速相機(jī)需將海量的光斑圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出至波前處理機(jī)中作波前復(fù)原運(yùn)算。為此，哈特曼波前傳感器光斑陣列圖像數(shù)據(jù)量和高速相機(jī)接口的傳輸帶寬直接決定了波前傳感器的測(cè)量速度上限。受此限制，現(xiàn)有高速哈特曼波前傳感器常采用機(jī)內(nèi)緩存高速相機(jī)實(shí)現(xiàn)短時(shí)間數(shù)據(jù)高速記錄和緩存后圖像數(shù)據(jù)傳出以實(shí)現(xiàn)波前重建分析，難以實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)波前測(cè)量與校正[4-9]。雖然美國(guó)公開的 AAOL（機(jī)載氣動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室）計(jì)劃中報(bào)道了其高速哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)的20 kHz 波前測(cè)量速度[7]，但該傳感器采用的是高速機(jī)內(nèi)緩存的方式，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。普林斯頓大學(xué)研究人員在介紹氣動(dòng)光學(xué)測(cè)量工作中提到了采用的高速哈特曼波前傳感器在256×256分辨率下達(dá)到5000 f/s 測(cè)量頻率[8]。國(guó)內(nèi)中科院光電所陳凱等人研究的基于 PSD 探測(cè)器的哈特曼波前傳感器測(cè)量頻率最高為5000 Hz[9]。抑或寄希望于諸如CoaXPress等新接口、新協(xié)議提供更高的相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸帶寬，但基于高帶寬相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口的解決方案不僅會(huì)導(dǎo)致成本和系統(tǒng)復(fù)雜度增加的問題，也會(huì)對(duì)波前處理機(jī)的數(shù)據(jù)接收、處理能力提出更高的要求。

在非波前探測(cè)領(lǐng)域的涉及機(jī)器視覺、圖像監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)、視頻處理、手機(jī)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，由于圖像傳感器直接輸出的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，采用圖像信號(hào)處理（ISP）模塊做圖像原始數(shù)據(jù)預(yù)處理和補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)已經(jīng)十分成熟，主要涉及輸出圖像質(zhì)量提升[10]。近年，將人工智能算法與先進(jìn)傳感器技術(shù)相結(jié)合已成為主流趨勢(shì)之一，擁有數(shù)據(jù)處理能力的“智能傳感器芯片”配合創(chuàng)新的人工智能算法，可解決大量人臉識(shí)別、車牌識(shí)別等應(yīng)用場(chǎng)景所面臨的海量數(shù)據(jù)處理量、數(shù)據(jù)傳輸帶寬等難題。將數(shù)據(jù)處理過程“前置”至傳感器端，可實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理速度、更高的系統(tǒng)效率和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，并降低數(shù)據(jù)傳輸延遲、節(jié)省系統(tǒng)功耗、減少網(wǎng)絡(luò)帶寬需求等。高速波前探測(cè)同樣面臨的海量數(shù)據(jù)傳輸難題，將波前測(cè)量中的光斑圖像質(zhì)心計(jì)算視為一種特殊的圖像信號(hào)預(yù)處理，本文提出了一種基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器技術(shù)方案，基于市售可開發(fā)的高速傳感器芯片，開發(fā)了基于片上質(zhì)心計(jì)算的傳感器芯片驅(qū)動(dòng)電路，搭建了高速哈特曼波前傳感器原理裝置，實(shí)現(xiàn)了10 kHz 高速波前實(shí)時(shí)測(cè)量，驗(yàn)證了本文所提出技術(shù)方案的可行性和有效性。

1基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器技術(shù)

1.1哈特曼波前傳感器工作原理

哈特曼波前傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理分別如圖1（a）、（b）[11]所示，由微透鏡陣列和放置于微透鏡陣列焦平面上的光電探測(cè)器組成。入射的待測(cè)光束經(jīng)過微透鏡陣列子孔徑分割取樣后，分別聚焦于形成子孔徑光斑陣列。光電探測(cè)相機(jī)記錄光斑陣列圖像并將圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至波前處理機(jī)（PC 端）進(jìn)行光斑質(zhì)心計(jì)算、斜率計(jì)算和波前重構(gòu)等波前處理。光斑陣列圖像的光斑質(zhì)心計(jì)算是波前處理的第一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)光斑質(zhì)心偏移可直接通過線性計(jì)算得到子孔徑內(nèi)波前斜率信息，求得每個(gè)子孔徑內(nèi)的波前斜率后即可采用波前復(fù)原算法（如模式法、區(qū)域法[12]等）重建待測(cè)波前分布，實(shí)現(xiàn)波前實(shí)時(shí)測(cè)量。

1.2基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器原理

由上述可知，現(xiàn)有哈特曼波前傳感器的質(zhì)心計(jì)算主要在波前處理機(jī)端，因此光電探測(cè)相機(jī)需根據(jù)波前探測(cè)速度實(shí)時(shí)將光斑陣列圖像原始數(shù)據(jù)傳輸至波前處理機(jī)，未做任何預(yù)處理。為實(shí)現(xiàn)光斑圖像的高速片上質(zhì)心計(jì)算預(yù)處理，本文是設(shè)計(jì)的基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器主要有圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、接口傳輸模塊以及電源模塊4個(gè)部分，其系統(tǒng)組成與數(shù)據(jù)流程如圖2所示。圖像采集模塊負(fù)責(zé)光斑圖像采集并將其轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)字信號(hào)，并傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊的高速大容量存儲(chǔ)器中，圖像數(shù)據(jù)處理模塊中的數(shù)據(jù)處理芯片從存儲(chǔ)器中實(shí)時(shí)、高速地獲取圖像數(shù)據(jù)，并依據(jù)集成的哈特曼波前傳感器光斑圖像質(zhì)心算法對(duì)光斑圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像信號(hào)處理，得到當(dāng)前光斑圖像的光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸芯片接收原始光斑圖像數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)，分別發(fā)送給圖像顯示接口和波前處理機(jī)接口，兩種接口按照數(shù)據(jù)傳輸接口協(xié)議打包后，分別將光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地輸出至波前處理器，用于高速波前測(cè)量，同時(shí)將光斑圖像數(shù)據(jù)以常規(guī)視頻幀率（30 f/s）輸出至顯示硬件終端，用于高速哈特曼波前傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.3數(shù)據(jù)傳輸量對(duì)比分析

為了實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率的波前探測(cè)，要求光電探測(cè)相機(jī)具有高速的數(shù)據(jù)傳輸接口將攜帶著波前信號(hào)的光斑圖像數(shù)據(jù)高速、實(shí)時(shí)地傳輸至波前處理終端。為保證哈特曼波前傳感器的測(cè)量精度，哈特曼波前傳感器需要足夠的子孔徑數(shù)目對(duì)光束實(shí)施采樣，同時(shí)需要光電探測(cè)器具有足夠的像素?cái)?shù)和分辨率對(duì)光斑陣列圖像形成完整記錄。為達(dá)到10 kHz 波前探測(cè)頻率，若取高速哈特曼波前傳感器的光電探測(cè)器有效開窗分辨率為1024×1024，圖像數(shù)據(jù)位深為10 bit，其數(shù)據(jù)傳輸流量約為156.25 Gb/s，已經(jīng)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有工業(yè)相機(jī)和科學(xué)級(jí)相機(jī)主流的 Camera Link、IEEE 1394、USB、GigE Vision 以及最新的CoaXPress等數(shù)字接口的傳輸帶寬。因此，在典型的圖像數(shù)據(jù)傳輸、波前處理機(jī)計(jì)算的技術(shù)方案下，常見的各類圖像數(shù)據(jù)傳輸接口難以滿足高速哈特曼波前傳感器海量的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸需求。

然而，不同于常見的圖像處理場(chǎng)景，哈特曼波前傳感器涉及的圖像處理不以圖像數(shù)據(jù)作為最終的信息輸出，而是為了從圖像數(shù)據(jù)中提取各光斑質(zhì)心信息用于波前相位信息的重建?？紤]到哈特曼波前傳感器圖像數(shù)據(jù)處理是一種高速、實(shí)時(shí)的近流水線形式的處理機(jī)制，將波前傳感器光斑圖像的質(zhì)心信息提取放在“前端”光電探測(cè)器中，將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)心計(jì)算預(yù)處理后只輸出處理后的光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)，則輸出數(shù)據(jù)量會(huì)顯著壓縮。哈特曼波前傳感器輸出數(shù)據(jù)量主要取決于子孔徑數(shù)目和波前探測(cè)幀頻，而與光斑圖像分辨率無直接關(guān)聯(lián)。設(shè)光斑圖像分辨率為1024×1024，子孔徑數(shù)目為32×32，波前探測(cè)頻率為10 kHz，可得質(zhì)心數(shù)據(jù)的傳輸流量?jī)H為0.61 Gb/s 左右。此時(shí)，即使采用 USB3.0或千兆網(wǎng)口作為數(shù)據(jù)傳輸接口，也可以完全滿足數(shù)據(jù)傳輸需求，實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率的哈特曼波前傳感器波前測(cè)量。由此可見，采用質(zhì)心數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒捎行У墓?jié)約接口帶寬，從而大幅提升波前探測(cè)速度上限。

2基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器原理裝置開發(fā)

2.1圖像數(shù)據(jù)采集模塊

高速哈特曼波前傳感器的圖像芯片需具有高速圖像采集能力。本文的高速哈特曼圖像傳感器選用美國(guó) LUXIMA 公司的高速圖像傳感器芯片 LUX13HS，是一款針對(duì)高速開發(fā)機(jī)器視覺、三維掃描、運(yùn)動(dòng)分析和工業(yè)市場(chǎng)的 CMOS 傳感器芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示[13]。LUX13HS 圖像傳感器擁有1296×864像素，有效像素為1280×864，在滿幅分辨率下幀率可達(dá)3500 f/s，像元尺寸為13.7?m×13.7?m。同時(shí)，該芯片還具有感興趣區(qū)域（region of interesting，ROI）開窗功能，可控制 LUX13HS 的感光芯片進(jìn)行開窗操作，輸出指定窗口內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。采用 ROI 開窗功能到288×288分辨率，可進(jìn)一步提高原始圖像記錄幀頻以達(dá)到預(yù)期的10 kHz 的水平，光斑圖像數(shù)據(jù)量約為6.2 Gb/s。

2.2圖像數(shù)據(jù)處理模塊

圖像傳感器的前端片上質(zhì)心預(yù)處理芯片硬件主要采用兩塊 FPGA，使用流水線設(shè)計(jì)，提高圖像數(shù)據(jù)的吞吐量。一塊主控 FPGA 用于圖像加速算法處理，另一塊用于圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸。考慮到 FPGA 芯片的器件管腳數(shù)量、邏輯單元、速度等級(jí)、嵌入塊 RAM 容量、時(shí)鐘管理、IP 硬核資源支持、溫度范圍、成本和功耗等方面的因素，選用 Xilinx 公司KintexUltraScale系列的高性能 FPGA 芯片 XCKU060-2FFVA1517I 作為高速波前探測(cè)系統(tǒng)的核心控制器，采用 Xilinx 的 ZYNQ-7000系列的 XC7Z010-2CLG225I 作為圖像格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男酒?[4-15]。

2.3高速哈特曼波前傳感器數(shù)據(jù)流程

圖像傳感器在采集到圖像后需要輸出灰度圖像數(shù)據(jù)，帶千兆網(wǎng)絡(luò)的 FPGA 搭載了 Nor Flash 用于程序的存儲(chǔ)，同時(shí)還搭載了多片 DDR3、DDR4和SRAM。本文設(shè)計(jì)的高速哈特曼波前傳感器數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖像傳感器上電后，主控制器 FPGA 對(duì)圖像傳感器芯片 LUX13HS 的參數(shù)和 ZYNQ 的以太網(wǎng)進(jìn)行配置的初始化操作，配置完成后，圖像傳感器芯片通過80對(duì) LVDS 將原始的圖像數(shù)據(jù)流輸出至 FPGA。主控 FPGA 接收到原始圖像數(shù)據(jù)后，對(duì)圖像進(jìn)行開窗處理，再將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 DDR4中， FPGA 同時(shí)對(duì) DDR4中開窗后的圖像數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行質(zhì)心算法預(yù)處理，將處理后的圖像數(shù)據(jù)再存儲(chǔ)到 DDR3L 中。ZYNQ 用于監(jiān)控處理輸出模式和傳輸狀態(tài)，并將接收到的指令傳輸給 FPGA 主控制器， FPGA 就將原始開窗后的圖像數(shù)據(jù)與處理后的質(zhì)心數(shù)據(jù)通過并行 I/O 端口傳遞給 ZYNQ 的 PL 端，PL 端再將質(zhì)心數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，通過 DMA 將圖像數(shù)據(jù)緩存到 PS 端的 DDR3存儲(chǔ)器中，ZYNQ 再將質(zhì)心數(shù)據(jù)讀出，并進(jìn)行 GigE Vision 千兆以太網(wǎng)的組包、分包，最后將處理后的質(zhì)心數(shù)據(jù)傳遞給 PC 端。

3系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1高速哈特曼波前傳感器系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)并開發(fā)的基于片上質(zhì)心計(jì)算高速哈特曼波前傳感器的波前探測(cè)速度性能，開展了傳感器系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。高速哈特曼波前傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)探測(cè)波長(zhǎng)λ為635 nm，圖像傳感器開窗分辨率為288×288像素，微透鏡陣列數(shù)為12×12、尺寸為0.336 mm×0.336 mm，微透鏡陣列、圖像傳感器及片上計(jì)算芯片集成后的原理樣機(jī)實(shí)物如圖5所示。

高速哈特曼波前傳感器的實(shí)時(shí)質(zhì)心數(shù)據(jù)可在上位機(jī)端的控制軟件中顯示，當(dāng)上位機(jī)軟件設(shè)置為工作模式，上位機(jī)通過計(jì)算每秒收到的運(yùn)算結(jié)果幀數(shù)，即10000 f/s，并顯示到實(shí)時(shí)幀率到界面。當(dāng)上位機(jī)軟件設(shè)置為調(diào)試模式，且開啟采集后對(duì)探測(cè)的光斑圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并獲取實(shí)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)。調(diào)試模式下因涉及圖像數(shù)據(jù)輸出，圖像采集、顯示以及數(shù)據(jù)處理的幀率降到26 f/s，主要用于系統(tǒng)標(biāo)校與調(diào)試。

為了達(dá)到10 kHz 的圖像采集速率，高速哈特曼波前傳感器的圖像傳感器開窗分辨率為288×288。根據(jù)微透鏡尺寸、子孔徑陣列數(shù)規(guī)以及圖像傳感器參數(shù)，仿真得到的光斑分布圖如圖6（a）所示，圖6（b）為實(shí)際的高速哈特曼波前傳感器采集得到的光斑分布圖。圖6（c）、（d）和（e）分別表示根據(jù)輸出光斑圖像數(shù)值計(jì)算的質(zhì)心數(shù)據(jù)、實(shí)際傳感器片上計(jì)算后輸出的質(zhì)心數(shù)據(jù)以及兩者的誤差。

從圖6可以看出，圖像傳感器片上質(zhì)心預(yù)處理輸出的質(zhì)心數(shù)據(jù)與基于圖像數(shù)據(jù)在波前處理機(jī)端計(jì)算的質(zhì)心數(shù)據(jù)相互吻合，二者十分接近，片上質(zhì)心計(jì)算的誤差值小于0.01像素。上述測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)并開發(fā)的高速哈特曼波前傳感器的圖像傳感器能夠每秒采集一萬幀光斑圖像并實(shí)時(shí)輸出一萬幀光斑圖像經(jīng)預(yù)處理之后的一萬組高精度光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)，高速哈特曼波前傳感器系統(tǒng)具備10 kHz 實(shí)時(shí)獲取光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)的性能。

3.2高速哈特曼波前傳感器性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器波前測(cè)量準(zhǔn)確性，搭建了高速哈特曼波前傳感器波前測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括635 nm 準(zhǔn)直激光器、光闌、偏振片、分光棱鏡、反射鏡、液晶調(diào)制器（ LCOS-SLM X13138）等器件，具體光路與實(shí)際系統(tǒng)如圖7所示。

在完成波前傳感器定標(biāo)后，準(zhǔn)直激光器輸出給平行光束經(jīng)光闌、偏振片起偏后透過分光棱鏡入射到液晶空間光調(diào)制器上，液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生特定分布的波前像差對(duì)入射光束的波前實(shí)施調(diào)制。光束經(jīng)液晶空間光調(diào)制器相位調(diào)制后反射進(jìn)入分光棱鏡，經(jīng)分光棱鏡反射后經(jīng)反射鏡入射到研制的高速哈特曼波前傳感器樣機(jī)微透鏡上，并在波前傳感器相機(jī)上形成光斑陣列圖像。哈特曼波前傳感器將光斑圖像片上預(yù)處理后的光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高速地傳輸至波前處理機(jī)，波前處理機(jī)根據(jù)光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)結(jié)算波前相位分布。圖8給出了哈特曼波前傳感器對(duì)液晶空間光調(diào)制器生成的2組畸變波前進(jìn)行復(fù)原的結(jié)果。從圖中可以看出，對(duì)于兩組不同的隨機(jī)分布波前畸變輸入，研制的高速哈特曼波前傳感器均能夠準(zhǔn)確地重建輸入波前的空間分布，復(fù)原波前與輸入波前分布與大小相符，復(fù)原殘差很小。

表1具體給出了液晶空間光調(diào)制器生成的輸入畸變波前和本系統(tǒng)直接輸出質(zhì)心數(shù)據(jù)復(fù)原波前的PV 值和 RMS 值。

根據(jù)圖8和表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研制的高速哈特曼波前傳感器復(fù)原波前與輸入波前面形分布具有很好的一致性，其波前復(fù)原殘差 PV 均在λ/4以內(nèi)，RMS 在0.05λ以下。該結(jié)果驗(yàn)證了高速哈特曼波前傳感器采用常規(guī)的 GigE Vision數(shù)據(jù)傳輸接口，即可在288×288圖像分辨率下以10 kHz 速度實(shí)時(shí)輸出的高精度質(zhì)心數(shù)據(jù)用于高速實(shí)時(shí)波前測(cè)量。該高速哈特曼波前傳感器實(shí)時(shí)圖像處理量約為6.2 Gb/s，為圖像傳感器數(shù)據(jù)傳輸接口帶寬的6倍，通過光斑圖像片上質(zhì)心預(yù)處理對(duì)數(shù)據(jù)量的顯著壓縮，實(shí)現(xiàn)了高速、實(shí)時(shí)波前探測(cè)。相比現(xiàn)有哈特曼波前傳感器，本文介紹的基于片上質(zhì)心計(jì)算的哈特曼波前傳感技術(shù)在提高測(cè)量速度方面較現(xiàn)有技術(shù)方案具有優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)束語

本文提出了一種基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器技術(shù)，將波前重構(gòu)計(jì)算中的光斑圖像質(zhì)心計(jì)算集成在“前端”的光電探測(cè)器片上 FPGA 予以實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)輸出光斑圖像預(yù)處理后的質(zhì)心數(shù)據(jù)，從而顯著壓縮波前測(cè)量的實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)量。此外，研制了基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器原理裝置，在光斑圖像分辨率為288×288下，采用千兆網(wǎng)口傳輸即可實(shí)現(xiàn)10 kHz 速度的光斑質(zhì)心實(shí)時(shí)計(jì)算輸出與波前復(fù)原重構(gòu)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了片上計(jì)算輸出的質(zhì)心數(shù)據(jù)精度和傳感器波前復(fù)原的精度。結(jié)果表明，本文提出的基于片上質(zhì)心計(jì)算的高速哈特曼波前傳感器技術(shù)改變了數(shù)據(jù)處理機(jī)制，壓縮了高速傳輸數(shù)據(jù)量，可實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)波前畸變測(cè)量，有望為各類高速像差測(cè)量提供一種新的技術(shù)手段。

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（編輯：譚玉龍）