提高哈特曼夏克传感器质心精度的高效算法：0.0442像素级检测

本文主要探讨了一种针对哈特曼夏克波前传感器（HS-WFS）的高精度质心探测方法，以提升光学系统波前检测的精确度。HS-WFS是一种广泛应用于光学系统中测量波前形状的重要工具，其质心探测的准确性直接影响到整个系统的性能。 文章首先介绍了一般HS-WFS的工作原理，即通过捕捉光斑图像来推算出光束的质心位置。然而，传统的探测方法可能存在精度不足的问题，特别是在处理含有噪声的图像时。为解决这个问题，作者提出了创新的质心探测流程。这种方法分为两步： 1. 全局处理：首先，采用非线性滤波技术对整幅光斑图像进行去噪和预处理，减少背景干扰。窗口法随后被用来进一步优化处理，确保在整个图像范围内进行分析，提高整体的质心定位稳定性。 2. 局部处理：针对单个光斑，引入中值滤波以进一步平滑图像，降低像素间的噪声影响。接着，利用三次样条插值方法对光斑边缘进行细致的灰度插值，以提高探测精度。关键的部分是自适应Otsu阈值法的应用，这种方法能自动确定最佳的二值化阈值，确保在噪声环境中也能准确分割光斑区域。 文章重点研究了三次样条插值点数量对探测精度和计算时间的影响，发现适当增加插值点可以提高精度，但过多可能会增加计算负担。实验结果显示，新方法在处理含有噪声的光斑图像时，质心探测误差显著降低至0.0442像素，相较于传统方法分别有91.86%、87.97%和31.79%的提升。此外，对于已知波像差的光学系统仿真检测中，该方法得到的波前检测精度峰谷值（P-V）为0.0098λ，精度均方根（RMS）值为0.0027λ，这都证明了新方法在高精度光学系统检测中的优越性能。 这篇论文不仅提供了有效改进HS-WFS质心探测的方法，还通过严谨的实验验证了其在实际应用中的有效性。这对于提升光学系统的性能，特别是在对高精度需求的领域，如激光干涉仪或天文观测设备，具有重要的理论和实践价值。