波前传感器允许用户分析入射光束波前的形状，以识别或校正光穿过各个光学器件或光学组件引起的畸变。Shack-Hartmann波前传感器使用微透镜阵列将光束分成离散的强度点阵实现这个功能。这些数据可通过Zernike多项式来重建和分析波前的形状。除了分析经典光学现象之外，它们还越来越广泛地用于通过实时监测波前控制自适应光学的应用，从而在生成图像前消除波前畸变。光斑场概述  为了测量光束的波前，使光对准正入射在波前传感器前面的微透镜阵列上。每个微透镜收集填充其孔径的光量，并在微透镜阵列焦平面处的CMOS相机传感器上形成单个焦斑。如果波前是平面的，则所有焦斑都直接位于对应透镜后面的中心位置，与每个透镜的光轴重合。这样，相机传感器上形成有规则间隔的光斑栅格，如图1所示。这些光斑位置称为参考光斑位置，它们共同构成参考光斑场。图 2: 焦斑距离各自参考位置的位移用于计算入射波前的形状。图 1: 如果入射波前是平面的，则所有焦斑都直接位于对应透镜后面的中心位置，形成参考光斑场。  如果波前发生畸变，则焦斑将偏离相机传感器上的参考位置。畸变的波前还可能导致光斑场中缺失光斑，如图2所示。通过比较测量光斑场中光斑的位置与参考光斑场中光斑的位置，可以计算出波前的形状。波前畸变和光斑偏移  考虑到整个横截面时，光束波前的形状可能很复杂；不过，在单个微透镜收集的小截面光束上，波前近似是平面的。围绕微透镜阵列中单个微透镜的区域如图3所示，使用平行线表示两个波前在这些有限区域内是平面的。波前之间的差异通过它们相对于透镜光轴的方向表示。这部分光束的传播角由畸变波前的局部形状决定。如果波前的这个区域没有畸变，则收集的光沿着每个透镜的光轴传播，焦斑直接位于透镜后的中心位置(绿点)。如果波前的这部分发生畸变，相对透镜光轴的传播角α会造成光斑(红点)偏离参考光斑位置。  使用透镜的焦距fML以及光斑与参考光斑(δx, δy)的相对位置，可以找到这部分光束的传播角，从而得出波前的局部形状。通过所有光斑位移的二维积分计算横跨光束整个横截面的波前形状。Thorlabs的波前传感器软件执行这些计算，并将光斑场的中心定义为积分的起点。 图3: 上图展示了单个微透镜的成像。具有平面波前(绿色平行线)正入射在透镜上，并聚焦到参考光斑位置(绿点)。畸变的波前(红色平行线)不是正入射，聚焦到偏离参考光斑的位置(红点)。偏移角α可以根据几何学计算。计算灵敏度和动态范围测量灵敏度  灵敏度(即最小位移角αmin)是最小可探测光斑位移(δymin)的函数，用下面的公式计算：αmin = δymin / fML此处，fML是微透镜的焦距。动态范围  动态范围(即位移角αmax)表示可以测量的相位范围：αmax = δymax / fML = (D / 2) / fML  此处，D是微透镜的直径。这两个公式都使用了小角度近似值推导。αmin是波前传感器能够测量的最小波前斜率。最小可探测光斑位移δymin取决于探测器的像素尺寸、中心算法的准确度及传感器的信噪比。αmax是波前传感器能够测量的波前斜率，对应于光斑位移δymax，等于微透镜的半径。  如果光斑与其它的光斑部分重叠，或者微透镜的光斑落在传感器指定的区域之外(光斑交叉)，那么，传统算法无法确定光斑的中心位置。使用特殊算法能够解决这些问题，但是会限制传感器的动态范围。使用更大直径或更短焦距的微透镜可以增加系统的动态范围。通过增大微透镜的直径提高动态范围会减少表征波前的Zernike系数的数量，而通过缩短焦距扩大动态范围会降低传感器的灵敏度。理想情况下，应该使用同时满足动态范围和测量灵敏度要求的最长焦距的微透镜。影响Shack-Hartmann测量准确度的因素      Shack-Hartmann波前传感器的测量准确度(即可靠测得的最小波前斜率)取决于精确测量焦斑与其参考位置的偏移的能力。影响测量精确度的因素有几个，包括微透镜阵列间的透镜间距、传感器的有效区域(光瞳直径或相机分辨率的选择)、光束尺寸以及工作模式。分析的焦斑数量越多，越能重建更精细的波前细节。消除环境光的影响，结合软件设置和实验技巧减少杂散光，都可以提高测量的准确度。以下将介绍传感器测量准确度的影响因素。焦斑数量  焦斑数量取决于微透镜阵列的透镜间距、传感器的有效区域(光瞳直径或相机分辨率)以及光束尺寸。如果所有测量都在传感器动态范围内，透镜间距更小的微透镜阵列能够为给定光束提供密度更高的测量点，从而提供更高的空间分辨率。利用Zernike多项式分析波前畸变时，光斑场中如果有更多焦斑的优势尤为明显，这是因为Zernike模式数量不能超过被探测焦斑的数量。间距更大的微透镜阵列提供更高的波前准确度。  相机传感器的有效区域是由用户在软件中设定的。选择较小的有效区域可以提高帧率，但当有效区域比光束直径还小时，波前的相关信息会被丢失。若光束直径本身很小，那么无论相机传感器的有效区域多大，都只有数量不多的焦斑。在理想情况下，光束应稍大于微透镜阵列，以去除边缘效应，同时使用户选择的任何区域都是被曝光的有效像素。工作模式        Shack-Hartmann波前传感器可以用不同方式采集和平均化数据。我们的波前传感器总共有4种工作模式，支持等级不同，具体取决于传感器类型。需要知道的是，例如：更快速地采集数据就需要对数据进行平均化处理。根据数据平均化的情况，准确率有下降的可能。关于传感器可用的工作模式的详细信息，请见选择指南标签。图像平均和背景水平设定  使用多图像的平均值而不是单个图像计算可以提高测量准确度。波前传感器的软件包括计算普通平均和滚动平均的选项。两种选项都计算用户指定N图像数的逐个像素的平均值。普通平均每次测量要求特定组数的N图像，并且会降低帧率。对于滚动平均，首次测量需要一组N图像的平均，但是下一次测量会移除该组中的图像并添加第N+1图像。使用滚动平均时帧率更高，其中每帧都被平均而不增加帧的组数。这样还可以提供的波前状态。  除了使用透镜套管和其它实验技术来减少杂散光之外，我们还推荐根据应用调整噪声消减水平(Noise Cut Level)和暗电平(Black Level)设置。软件提供了直观简单的工具能够实现这些调整。暗电平设置可调整应用于所有像素的亮度水平补偿。噪声消减水平定义了软件在执行计算时使用的最小亮度阈值，用于防止由环境光和/或噪声影响导致的焦斑计算误差。低于噪声消减水平的强度测量值设置为零。建议噪声消减水平设置为“自动”，因为这样设置可自动适应不断变化的光强。 

近期，比利时Xenics宣布为广受欢迎的 Bobcat 320 系列增加新的相机成员，该系列是业内超畅销的产品，其中Bobcat近红外相机包括一款极其实惠的、高性价比的SWIR相机。比利时Xenics是红外技术的先驱，拥有二十年的红外技术行业经验，Xenics红外相机支持机器视觉、科学研究、运输、过程监控、安全和安保以及医疗应用。Xenics为vSWIR、SWIR、MWIR和LWIR系列提供完整的线扫描和面扫描产品组合。凭借先进的生产设施和探测器、系统和软件开发方面的内部专业知识，掌握制造过程的所有关键步骤，Xenics提供先进的解决方案和优化的定制设计。 Xenics红外相机新扩展的Bobcat 320 系列包括具有320×256分辨率的高性能SWIR相机，适用于工业应用。为了进一步补充该产品，Xenics推出了三种新的经济高效的Bobcat近红外相机型号，除了Bobcat 320系列之外，还为320×256分辨率空间提供了更多的选择方案： Bobcat+ 320：一款改进的高性能SWIR相机，适用于要求苛刻的应用，可选择扩展到可见光波长(vSWIR)。 Bobcat 320 TE0：一款非制冷（无TEC）相机，以更低的价格提供高性价比的SWIR相机。 Bobcat 320 WL：非制冷红外相机（无TEC）和无窗红外相机（WL），可限度减少光学元件的数量，从而限度地减少内部反射。该相机非常适合激光束分析或波前传感等应用。 随着应用要求和功能差异化变得越来越严格，一个简单且经济高效且性能得到改进的相机就是红外相机检测行业中的解决方法。对于高光谱应用或光谱学、半导体行业中的机器视觉或监视应用来说尤其如此。在这些系统中，需要更大的动态范围、IWR（读取时积分）读出模式以提高速度与积分时间的权衡，并可选择将波长扩展到可见光范围(vSWIR)。 Xenics推出的Bobcat+ 320。除了具有Bobcat 320的性能外，说特有的两种读出模式（ITR（先积分再读取）和 IWR（读取时积分）模式）：在IWR模式下，通过重叠读取和积分阶段，您可以针对给定的帧速率要求优化积分（曝光）时间。此外，正如Xenics相机开发总监Pieter Deroo所说，“能通过限度地减少盲区时间，使得检测中不会丢失一个光子”。Xenics Bobcat+ 320两个可选增益，包括具有60dB动态范围的高动态范围配置。另外，可见波长的可选扩展允许访问vSWIR光谱覆盖范围（400-1700 nm），Bobcat近红外相机以实现更好的集成、增强的检测能力并降低价格。 作为SWIR相机市场的带头人，Xenics红外相机在SWIR波段上显然是很多红外检测技术解决方案的更佳的应用选择，这就是Xenics推出的Bobcat+ 320高性价比的SWIR相机的原因。SWIR相机现在对于大多数工业应用来说，客户不必将自己局限于可见光或NIR相机，正如Xenics战略营销经理Marc Larive所说，“当选择SWIR作为解决方案时，Xenics红外相机的SWIR将成为更好的选择”。 Xenics推出的第三款Bobcat 320新版本配备了非制冷红外相机和无窗红外相机探测器，这也是Bobcat近红外相机适应市场的真正需求。无窗红外相机对于激光测量（通常是激光光束轮廓分析），会限制光学表面的不必要反射，以避免图像中出现干涉条纹，因此，无窗红外相机Bobcat完全抵消了探测器窗口顶部和底部表面的反射，这样的优势也适用于激光波前传感应用。 另外，所有三款新相机均采用GigE接口，这是工业应用的通用标准，并使用与标准Bobcat 320 相同的机械和电气接口，都通过Xenics红外相机的用户界面软件Xeneth控制，使得其配置和使用非常简单，从而减少研发时间和精力。