上海交大自动化与感知学院杨佳苗团队在超大动态范围波前精确感知方向取得重要进展

　　

近日，上海交通大学自动化与感知学院杨佳苗团队与动态光学成像与测量全国重点实验室合作，在超大动态范围高精度波前传感方向取得重要进展。研究团队提出了一种基于图结构的计算框架G-SHWS，大幅扩展了夏克-哈特曼波前传感器的测量范围，并实现超大动态范围波前的高精度重建。相关成果以“Large dynamic range Shack-Hartmann wavefront sensing based on a graph-theoretic computational model”为题发表在国际光学领域权威期刊《Light: Science & Applications》（影响因子23.4）上。

研究背景

夏克-哈特曼波前传感器（SHWS）作为一种经典波前测量技术，广泛应用于半导体光刻装备检测、激光通信、生物医学成像和天文观测等领域。然而，在大斜率复杂波前测量中，光斑跨子孔径串扰会引发光斑-子孔径匹配错误；显著形貌畸变也会使单一质心位移难以准确表征局部波前信息。这些因素从根本上限制了SHWS的可测动态范围。围绕这一瓶颈，已有研究主要沿硬件改进和算法增强两条路径展开。硬件方案虽可通过改变光学结构抑制光斑串扰，但往往带来灵敏度下降、光效率降低或系统复杂度提升等代价；算法方法虽更加灵活，却仍难以摆脱局部匹配假设、质心位移表征和隐式图像学习的限制，动态范围扩展仍十分有限。因此，如何在超大动态范围下同时实现可靠光斑匹配与高精度波前重建，仍是该领域亟待解决的关键难题。

创新成果

1.提出图论驱动的SHWS计算框架，实现全局拓扑重建的新范式

针对以上核心难题，研究团队提出了一种基于图结构的计算框架G-SHWS，将波前传感过程从传统的“局部光斑位移测量”提升为“全局拓扑关系建模与高维特征重建”。该框架以图结构重新建模大动态范围SHWS中被严重扰乱的光斑阵列：首先将实际探测光斑与由波前参数拟合生成的光斑抽象为二部图中的两类节点，通过最小化全局配对代价，驱动拟合光斑分布逐步逼近真实光斑分布，并将拟合光斑的子孔径归属关系映射至实际光斑，从而在严重串扰和部分光斑缺失条件下恢复准确的光斑-子孔径匹配关系。在此基础上，进一步构建了嵌入匹配拓扑结构的图注意力网络，将实际光斑及其对应子孔径建模为图节点，并为节点构建由空间位置信息、强度形貌特征和子孔径位置编码组成的特征向量，同时通过图边显式编码光斑-子孔径匹配关系及相邻子孔径对应光斑之间的空间关联。通过图节点间的注意力聚合，网络能够融合光斑高维信息与全局拓扑关系，从强畸变光斑群中自适应提取高阶波前信息，从而突破传统单一质心位移表征的局限。该方法实现了“全局匹配—拓扑编码—高维重建”的一体化闭环，为突破SHWS动态范围限制提供了新的计算框架。

图1：G-SHWS 计算框架示意图

2.在极大动态范围下实现高精度匹配与重建，显著提升复杂波前测量能力

一系列仿真和实验表明，G-SHWS将SHWS的有效测量动态范围扩展至传统极限的21倍，并在该扩展范围内将重建误差稳定控制在0.05λ以内，体现出动态范围与重建精度的协同提升。进一步针对不同Zernike像差模式的测试表明，该方法对多种典型复杂波前均具有良好的适应性，能够在光斑分布发生不同形式拓扑扰动的情况下维持可靠测量。此外，面对具有随机空间扰动和复杂相位起伏的相位屏，G-SHWS仍能有效恢复光斑匹配关系并实现高精度波前重建，进一步表明该方法大幅拓展了SHWS对复杂波前的测量能力。

图2：(a)G-SHWS匹配准确率和重建RMSE随光斑最大位移变化；(b)G-SHWS和传统SHWS对复合大动态范围波前的匹配和重建对比；(c)复杂相位屏输入下的匹配和重建对比；(d)G-SHWS对几种典型像差的最大测量范围

3.面向非连续采样场景实现鲁棒波前感知，提升复杂测量环境适应能力

在实际测量中，视场遮挡、光路遮蔽等因素常会导致光斑缺失，破坏光斑阵列的全局拓扑结构，进而导致SHWS在非连续采样条件下失效。针对这一问题，G-SHWS在全局匹配阶段引入高代价虚拟节点机制，自动识别并剔除由光斑缺失造成的无效匹配；在重建阶段，则基于匹配收敛后的估计波前生成代理光斑节点，对缺失区域进行物理一致的特征补全。结合图网络的邻域特征聚合，G-SHWS能够利用周围有效光斑信息补偿局部缺失造成的信息断裂，从而实现稳定的波前恢复。实验结果表明，即使在光斑缺失比例超过50%的情况下，G-SHWS仍能实现可靠重建，大幅提升了SHWS在非连续采样条件下的测量能力。

图3：(a)G-SHWS在非连续采样（光斑缺失）条件下的匹配和重建效果；(b)传统SHWS和G-SHWS对存在光斑遮挡的汇聚/发散球面波和像散的匹配和重建效果对比

作者信息

上海交通大学自动化与感知学院博士生杜临彤、动态光学成像与测量全国重点实验室研究员徐瑞为共同第一作者，杨佳苗副教授、动态光学成像与测量全国重点实验室研究员田大鹏担任共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金委面上等项目的资助。

杨佳苗团队长期致力于光学检测/成像、光场调控、光计算等方面的科学研究，以及相关智能光电仪器设计、制造、集成等技术研发。杨佳苗以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表高水平学术论文60余篇，研究成果获中央电视台《新闻联播》“美国物理联合会科学之光栏目”“世界科技研究新闻资讯网”“科技探索网”等报道。

作者：

自动化与感知学院

供稿单位：

自动化与感知学院