———— ||| 原理介绍 ||| ————

Thorlabs的Shack-Hartmann波前传感器（WFS）：光入射在微透镜阵列（MLA）上，其在CMOS相机传感器上会产生焦点矩阵，WFS应用软件分析焦点的质心位置并提供波前测量，可精确测量波前形状和光束的强度分布。每个MLA都永久安装在支架上，支架安装在传感器头前部的插座中。 这些支架易于更换，允许用户切换到应用程序的最佳MLA。

工作原理介绍：

波前传感器包括CMOS相机和微透镜阵列，阵列安装在相机传感器芯片前方限定距离处。小透镜阵列收集入射到其孔径的光，并在探测器平面（CMOS相机）上产生单个光斑。当入射波前为平面且平行于小透镜平面时产生的光斑为参考点，入射波前发生弯曲时，焦点位置发生偏移，远离相关微透镜光轴Z和参考点，具体偏移距离可以由下图描述。

通过计算所有可检测点的质心坐标并减去相应参考坐标来确定偏差值，也可以对偏差进行二维积分来计算波前的形状。

———— ||| 软件界面分析 ||| ————

软件界面：

软件界面主要包括6个部分：

1、识别的设备以及所选择的微透镜阵列

2、菜单栏

3、工具栏

4、数值测量结果

5、图形显示（5种选项显示）

6、状态栏

菜单栏：

File 菜单

包括打开设置、保存设置、保存图片数据、打印、退出程序等选项以及快捷键。

Setup 菜单

包括对波前传感器的系列设置，对中央图形显示的选择以及数据接口的设置。

波前传感器设置面板：

包括相机设置、孔径设置等相关设置选项。在此就不一一详细叙述了。

数据传输的接口以及数据类型的设置。

Measurement 菜单

包括开始、暂停的操作，以及对应的快捷键。

Calibration 菜单

波前传感器可以针对球面波前以及平面或任意波前进行校准。当期望的波前包括小的失真时，用户校准的参考可以增加测量精度。为了执行用户校准，将期望的波前用作光学输入，然后可以使用生成的用户校准参考代替默认的内部校准参考。之后使用用户校准的参考作为参考，对其评估所有后续测量，它将允许精确测量由光路钟的光学元件引入的波前畸变。之前的波前传感器设置中可以选择使用内部校准或者用户校准参考。

Display 菜单

对显示在用户界面的图形显示面板进行选择，也可通过直接点击图像下的相应选项卡来进行相同的选择。

Help 菜单

内容（F1）：直接打开软件帮助文件

访问Thorlabs网站

查看许可协议：显示Thorlabs最终用户许可协议

关于：显示有关已安装软件，驱动程序版本和连接硬件的信息。

工具栏：

  保存测量数据

  打印窗口

  设置波前传感器

  开始测量

  停止测量

  使用平面波前进行校准

  使用球面波前进行校准

  帮助

数值测量结果：

数值测量结果显示在主平面的左边。包括光束数据、波前数据、傅里叶常数、验光常数、曲率半径、RMS变化、Zernike模式、拟合误差等数据。

图形显示面板：

可以直接点击图像下的相应选项卡来进行图形显示的选项的选择，也可通过菜单栏中的Display下的选项进行选择。

Lineview 面板

显示CMOS相机的水平强度分布。图像水平轴上的每一个点对应于CMOS阵列的一列，显示整个像数列的最小和最大强度等级（0-255）.

Spot Field 面板

显示CMOS相机拍摄的图像的直接视图，强度级别显示为从0（黑色）到254位（白色）的灰度级别，饱和像素（255）显示为红色。

可以设置显示点位移如上图所示。

Beam View 面板

显示活动相机传感器区域内的强度分布，该显示器于基于相机的光束分析仪的显示器差不多，但具有较低分辨率的约束。它的横向分辨率并不是像真实光束轮廓仪那样由相机像素尺寸确定，而是由透镜阵列的最高点消除。

真实的横向分辨率图如上图所示，可以通过双击选项来选择。

Wavefront 面板

显示波前为3D图像，从点位移检索波前数据阵列，点位移与波前的局部导数成正比，从中心点开始进行二维积分过程可以导出波前数据。

可以通过设置显示俯视图以及2D投影如下图所示

俯视图

2D投影

Zenike Coefficients 面板

以条形图的形式显示单独的Zernike系数，系数为Zernike拟合的结果。

可以通过选项显示Zernike顺序中的RMS波前变化。

状态栏：

用户界面底部的状态栏显示当前状态，或者在设置有问题时警告用户。

———— ||| 总结 ||| ————

Thorlabs’的波前传感器软件用户界面比较简单，主要由位于中间偏左的图像显示面板、其下的状态栏以及左边的数值测量结果组成，其他关于传感器、CMOS相机的设置等被放入了单独的面板中，通过菜单栏调出，使得整体界面很简洁，不会显得很乱。波前传感器的主要功能其实主要是测量波前，但该软件对于波前的测量给出了很多的数值结果如光束数据、波前数据、傅里叶常数、验光常数、曲率半径、RMS变化、Zernike模式、拟合误差等数据，而图像显示面板部分也有着Lineview、Spot Field、Beam View、Wavefront、Zenike Coefficients五种选项可以进行选择，对数据进行了多样化的处理，从而获得更多的信息，这也是在类似软件设计中我们可以进行学习的。

作者简介: 肖顺元，华中科技大学，研一，目前研究方向：超表面透镜