Wavefront-sensing with a thin diffuser
我们提出并实现了一个宽带，紧凑，低成本的波前传感方案，只需放置一个薄的漫射器在附近的相机。局部波前梯度由散斑图案的局部平移确定。平移矢量图的计算得益于一个快速的同构图像配准算法和整合重建波前轮廓。散斑颗粒在局部波前倾斜下的简单平移由漫射器的所谓“记忆效应”确保。定量波前测量的实验证明，无论是少数第一泽尔尼克多项式和相位成像应用需要高分辨率。最后，我们提供了一个理论描述的分辨率限制，实验支持。
2017-10-10 physics.optics
Angle-sensitive pixel design for wavefront sensing
传统的图像传感器仅响应于入射光波的强度变化。通过将波前信息编码到平衡检测方案中，我们展示了能够同时检测局部强度和波前信息的图像传感器像素设计。由于完全兼容CMOS制造工艺，所提出的像素设计可以使各种应用受益，包括相位显微镜，无透镜成像和机器视觉。
2013-04-27 physics.optics
Fast single pixel modal wavefront sensing using neural networks
提出一种使用单个光电二极管和快速反射镜结合神经网络的单像素波前传感技术，在2kHz速率下有效克服强湍流中的模态串扰，实现99%最佳Strehl比，解决了卫星光通信中缺乏快速相机的难题。
2024-03-21 physics.optics
Compressive Sensing Theory for Optical Systems Described by a Continuous Model
作者和合作者在压缩传感应用于连续成像模型方面的工作的简要调查。
2016-08-01 math.OC physics.optics
Differential wavefront sensing and control using radio-frequency optical demodulation
差分波前传感是优化许多精密干涉实验性能的一项重要技术。也许最广泛的应用是使用象限光电二极管测量的射频搏动进行对准感测。在这里，我们提出了一种新的技术，使用光学解调测量这种光学拍在显着更高的分辨率，使用商业实验室设备。我们的实验表明，捕获的图像可以进行数字处理，以产生波前误差信号，并使用这些在一个闭环控制系统，用于校正波前误差的对准和模式匹配的光束进入光学腔，以99.9%。该实验为当与高阶波前致动器配对时甚至高阶误差的校正铺平了道路。这种感测方案可以用于优化由耦合腔组成的复杂干涉仪，例如在引力波检测器中发现的那些，或者仅仅用于在外差干涉仪桌面实验中感测高阶波前误差。
2021-02-26 physics.ins-det physics.optics
Space-variant Shack-Hartmann wavefront sensing based on affine transformation estimation
在深部组织成像中，存在着波前重构的空变问题。在本文中，我们提出了一个框架的Shack-Hartmann波前空变传感与扩展源照明。空间变化的波前被建模为一个四维函数，其中两个dimensionsare在空间域和两个在傅立叶域的先验，都轻轻地变化。这里，仿射变换被用来表征波前空变函数。实验和仿真结果表明，与传统的空不变相关法相比，空变波前重构精度提高了2 ~ 4倍。
2022-10-12 physics.optics
Joint optimization of wavefront sensing and reconstruction with automatic differentiation
高对比度成像仪器需要极端的波前控制来直接成像系外行星。这需要高度敏感的波前传感器，其最佳地利用可用光子来感测波前。在这里，我们建议使用自动微分数值优化傅里叶滤波波前传感器。首先，我们优化波前传感器的灵敏度为不同的孔径和波前分布。在单色光的假设下，我们发现传感器比目前使用的传感器更敏感，并且接近理论极限。随后，我们直接最小化的残留波前误差，通过联合优化的传感和重建。这是通过连接波前传感器和重建器的可微模型并使用基于梯度的优化器交替地改进它们来完成的。我们还允许使用卷积神经网络的波前重建中的非线性，这扩展了波前传感器的设计空间。我们的研究结果表明，优化可以导致波前传感器，目前使用的波前传感器的性能有所改善。所提出的方法是灵活的，原则上可以用于任何波前传感器的结构与自由的设计参数。
2022-09-13 astro-ph.IM physics.optics
Direct wavefront sensing from extended objects: a general sensor
从扩展对象的波前感测是一项具有挑战性的任务，因为要感测的相位被从扩展对象的结构生成的相位干扰。为了解决这个问题，提出了一种通用波前传感器。传感器的硬件由场镜、准直透镜、微透镜阵列和摄像机组成。其算法思想是通过每个小透镜消除由扩展物体引起的相位并重建点扩散函数。其结果是，波前传感的情况下，从一个扩展的目标已转换为传统的一个从点源。数值仿真和实验均验证了该传感器的可行性和准确性。
2021-01-14 eess.IV physics.optics
Comparison between Hadamard and canonical bases for in-situ wavefront correction and the effect of ordering in compressive sensing
在这项工作中，我们比较了使用空间光调制器（SLM）的聚焦高斯光束的现场波前校正的正则和阿达玛基地。用透明光学元件（稀疏）或随机散射体（两者都防止聚焦在单个点）扰动光束。相位校正采用不同的基元尺寸（$N=64, 256, 1024, 4096$），每个基元的相位贡献采用3步干涉法测量。从完整的$3N$测量重建场，并且通过在SLM处投影共轭相位来实现校正。我们的实验表明，在一般情况下，阿达玛基测量产生更好的校正，因为每个元素跨越SLM的相关区域，减少干涉图中的噪声。相比之下，正则基具有基本限制，即元件的面积与$1/N$成比例，并且需要与光栅的空间周期兼容的尺寸。在随机散射体的情况下，我们只能得到合理的阿达玛基础的校正和校正点的强度单调增加与$N$，这是一致的相位在小的空间尺度上的快速随机变化。我们还探讨了压缩感知与阿达玛基础，并发现，需要达到类似的质量，使用完整的测量依赖于基础排序的校正的最小压缩比。在Hadamard-Walsh和蛋糕切割排序的情况下，达到了最好的结果。令人惊讶的是，在随机散射体的情况下，我们发现，适度的压缩比的顺序$10-20\%$（$N=4096$）允许恢复聚焦点，虽然如预期的那样，由于信号的非稀疏性的最大强度单调增加的测量的数量。
2022-10-20 eess.IV physics.optics
Toward practical weak measurement wavefront sensing: spatial resolution and achromatism
弱测量波前传感器像Shack-Hartmann传感器那样检测光的相位梯度。然而，使用一个薄的双折射晶体来位移光束导致两个偏振分量之间的波长依赖的相位差，这限制了实际应用。利用两块晶体组成的萨伐尔板与消色差延迟器相结合，可以补偿相位差，实现消色差波前传感。我们讨论了传感器的空间分辨率和实验重建的模式调制的波前。然后，我们得到了三个不同波长的Zernike系数调制前后。我们的工作使这种新的波前传感器更适用于实际的任务，如生物医学成像。
2022-05-25 physics.optics
Developing a Wyne Corrector for higher spectral bandwidth focal plane wavefront sensing
本文设计并测试了Wyne校正器原型，旨在消除色差导致的散斑径向模糊，将焦平面波前传感的光谱带宽从低于1%提升至50%，从而支持超过50倍的高速波前传感，实验验证了其可行性和性能提升潜力。
2024-07-17 astro-ph.IM physics.optics
Single-shot, simultaneous spatially resolved polarimetry and wavefront sensing with stress engineered optics
Institute of Optics, University of Rochester（罗切斯特大学光学研究所）
利用应力工程光学在肖克-哈特曼波前传感器中实现单帧测量，通过点扩散函数形状获取偏振信息，位移获取波前梯度，重建波前梯度。
2025-09-29 physics.ins-det physics.optics
High-efficiency Electro-Optic Lens for radio frequency beam wavefront modulation for mode mismatch sensing
本文提出基于射频波前曲率调制的模式失配传感方案，利用电光透镜和模式转换望远镜产生非零传感信号，并通过解析与数值分析指导高效率光束设计。
2025-02-19 physics.optics
Multi-dimensional wavefront sensing using volumetric meta-optics
理想的成像系统将有效地捕获有关光的所有基本属性的信息：强度，方向，波长和偏振。最常见的成像系统仅将光的空间自由度映射到二维图像传感器上，以效率为代价增加了一些波长和/或偏振鉴别。因此，光学中最有趣的问题之一是如何对多个自由度进行分组和分类，并将它们映射到二维传感器空间。在这里，我们通过模拟表明，体积元光学元件组成的高度散射，反向设计的介质结构与亚波长分辨率可以同时排序光的方向，波长和偏振。这是通过将这些属性映射到图像传感器上的像素的不同组合来完成的，用于压缩感测应用，包括波前感测、光束轮廓分析和下一代全光传感器。
2023-01-24 physics.optics
Error analysis of moment-based modal wavefront sensing
焦点调制的点扩散函数（PSF）的形状被用作PSF中的像差模式的快速视觉评估工具。形状矩方面的进一步分析可以允许以与典型波前传感器的精度相当的精度量化模态系数。在这封信中，基于矩的波前传感的误差分析描述的像素和光子/读出噪声。所有分量高度依赖于（未知的）PSF形状，但是可以从以合理的空间分辨率采样的测量的PSF和光子计数来估计。数值模拟验证了该模型一致地预测了基于矩的波前传感的模态估计误差的行为。
2014-08-08 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Single-Shot Phase Diversity Wavefront Sensing in Deep Turbulence via Metasurface Optics
CFD Research Corporation（CFD研究公司）；US Army Space and Missile Defense Command（美国陆军太空与导弹防御司令部）
提出基于纳米结构双折射超表面的单次相位差分校正波前传感方法，以紧凑低延迟装置在强湍流下实现平均16倍信号增强。
2024-10-24 cs.CV physics.optics
Quantitative Wavefront sensing with static Foucault and pyramid tests
本文提出两种基于反射棱镜和梯度密度滤光片的静态非调制波前传感器设计，通过简化数学模型实现波前斜率重建与波前计算，模拟证明其测量精度满足经典衍射极限判据。
2025-07-18 physics.optics
Focal-plane wavefront sensing with photonic lanterns I: theoretical framework
光子灯笼（PL）是一种锥形波导，可以有效地将光耦合到多个单模光纤中。目前正在考虑将这种装置用于一些任务，包括望远镜和高分辨率光纤光谱仪的耦合、相干检测、调零干涉测量和涡旋光纤调零（VFN）。结合这些用例，PL可以同时执行低阶焦平面波前感测。在这项工作中，我们提供了一个数学框架的光子灯笼波前传感器（PLWFS）的分析，推导线性和高阶重建模型以及度量，通过该传感性能-无论是在线性和非线性制度-可以量化。该框架可以扩展到考虑额外的光学器件，如光束整形光学器件和涡旋掩模，并且可推广到其他波前传感架构。最后，我们提供了初步的数值验证我们的数学模型，通过模拟一个6端口PLWFS。在配套文件中，我们提供了一个更全面的数值表征少端口PLWFSs，并考虑如何控制和优化这些设备的传感性能。
2022-08-22 astro-ph.IM physics.optics
Moment analysis of focus-diverse point spread functions for modal wavefront sensing of uniformly illuminated circular-pupil systems
提出了一种新的利用焦点分散的点扩散函数进行模式波前传感的概念。这是基于测量的PSF的相对简单的图像矩分析，这将其与其他焦平面波前传感技术（FPWFS）区分开来。所提出的几何分析表明，图像的时刻是波像差系数的非线性函数，但注意到，焦点多样性（FD）基本上是从别人的关注的系数，导致一组线性方程，其解决方案对应于模态系数估计。所提出的概念验证模拟表明，特别是在WFS中具有强烈畸变的高SNR对象的概念的潜力。
2012-02-24 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Spectrally resolved single-shot wavefront sensing of broadband high-harmonic sources
波前传感器是表征极紫外辐射相干光束的重要工具。然而，传统的哈特曼型传感器不允许对光束中可能存在的不同光谱分量进行独立的波前表征，这限制了它们对于固有宽带高次谐波产生（HHG）源的适用性。在这里，我们介绍了一个波前传感器，测量波前的所有谐波在HHG光束在一个单一的相机曝光。通过在不同方向上用透射光栅代替掩模孔，我们同时检测谐波波前和光谱，并获得对时空结构如脉冲波前倾斜的灵敏度。我们展示了传感器的能力，通过并行测量的波长范围在25和49 nm之间的9个谐波的波前，高达λ/32的精度。
2017-12-12 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Pulse-to-pulse wavefront sensing at free-electron lasers using ptychography
自由电子激光器（FEL）产生的超亮超短脉冲的波前特性的迫切需要，刺激了几种互补的表征方法的发展。在这里，我们提出了一种基于重叠关联的方法，可以检索完整的高分辨率的单个脉冲的复值波函数。我们的技术被证明在实验条件下适合衍射实验在其原生成像状态。这种无透镜技术，适用于许多其他短脉冲仪器，可以实现衍射极限的分辨率。
2019-11-25 eess.IV physics.optics
Real-time phase-retrieval and wavefront sensing enabled by an artificial neural network
在这篇手稿中，我们展示了一种方法来重建的波前聚焦光束从一个衍射掩模后面的测量衍射图案实时。相位问题的解决是通过一个神经网络，这是训练与模拟数据和实验数据验证。神经网络允许在几毫秒内进行实时重建，而之前的迭代相位恢复需要几秒钟，因此允许实时调整复杂系统并通过自适应光学进行校正。此外，神经网络优于迭代相位检索与高噪声衍射图案。
2021-01-11 eess.IV physics.optics
Extremely fast focal-plane wavefront sensing for extreme adaptive optics
我们提出了一种非常有前途的方法来快速检测和校正小波前误差的自适应光学系统。由于我们的算法的计算复杂度大致与执行器的数量成正比，因此它特别适合于具有10，000到100，000个执行器的系统。我们的方法是基于顺序相位分集和简单的关系之间的点扩散函数和波前误差的情况下，小的像差。由可变形反射镜本身引入的相位分集的特定选择使波前误差以及计算复杂度最小化。该方法非常适合点源的高对比度天文成像，例如直接检测和表征恒星周围的系外行星，即使在存在抑制衍射图案的日冕的情况下也能工作。Korkiakoski等人在这些会议记录中的随附论文描述了使用数值模拟和实验室测试的算法性能。
2012-07-13 astro-ph.IM physics.optics
Focal-plane wavefront sensing with high-order adaptive optics systems
我们研究了在具有波前校正装置的自适应光学系统中校准非共路像差的方法，该波前校正装置以极高的分辨率（大于150 × 150）工作。我们使用连续收集的焦平面图像，相应的相位分集信息和数值有效的算法来计算所需的波前更新。迭代地应用波前校正，直到算法收敛。研究了不同的方法。除了标准的Gerchberg-Saxton算法之外，我们还测试了Fast & Furious算法的扩展，该算法使用三幅图像并创建瞳孔幅度的估计。我们还测试了最近提出的相位恢复方法的基础上凸优化。结果表明，在我们考虑的框架中，使用类似于Fast & Furious的算法，校准任务是最简单的。
2014-09-12 astro-ph.IM physics.optics
Integrated modeling of wavefront sensing and control for space telescopes utilizing active and adaptive optics
本研究针对未来空间望远镜日冕仪的极端波前校正需求，构建了结合主动与自适应光学技术的波前传感与控制集成模型，利用光线追踪和物理光学传播量化了星光抑制与波前传感器信噪比的关系。
2023-09-11 astro-ph.IM physics.optics
Performance Validation of Coded Wavefront Sensing for Quantitative Phase Imaging of Static and Dynamic Specimens Using Digital Holographic Microscopy
本文验证编码波前传感（Coded-WFS）用于静态硅珠和动态HEK细胞定量相位成像的性能，通过数字全息显微镜（DHM）验证其相位恢复准确性，并报告明场强度与光程延迟的比较结果。
2025-08-23 eess.SP physics.optics
Reaching the fundamental sensitivity limit of wavefront sensing on arbitrary apertures with the Phase Induced Amplitude Apodized Zernike Wavefront Sensor (PIAA-ZWFS)
本文提出相位诱导振幅变迹泽尼克波前传感器（PIAA-ZWFS），通过非球面透镜改进标准ZWFS，在任意孔径上达到每光子1/2弧度rms的基本灵敏度极限，并可与PIAA-CMC日冕仪集成，适用于高对比度成像。
2023-10-16 astro-ph.IM physics.optics
Fast & Furious focal-plane wavefront sensing
我们提出了两个互补的算法，适用于使用焦平面测量控制波前校正器具有极高的空间分辨率。该算法使用线性近似来迭代地最小化焦平面相机所看到的像差。第一种算法Fast & Furious（FF）使用弱像差假设和光瞳对称性来实现快速波前重建。第二种算法是FF的扩展，可以处理任意瞳孔形状;它使用Gerchberg-Saxton风格的误差减少来确定瞳孔幅度。模拟和实验结果显示的空间光调制器控制的波前分辨率为170 × 170像素。该算法将Strehl比从约0.75增加到0.98-0.99，并且在整个320 x 320像素的记录图像中降低了散射光的强度。剩余波前均方根误差估计为约0.15拉德与FF和约0.10拉德与FF-GS。
2014-06-04 astro-ph.IM physics.optics
A Photonic Integrated Circuit based Compressive Sensing Radio Frequency Receiver Using Waveguide Speckle
光子集成电路（PIC）包括一个11厘米的多模散斑波导，1 × 32分光器，和线性光栅耦合器阵列的制造和利用接收2 GHz的射频（RF）信号带宽从2.5到4.5 GHz使用压缩传感（CS）。输入的RF信号被调制到输入到多模波导的啁啾光脉冲上。多模波导通过光学散斑产生CS所需的随机投影。使用标准惩罚$l_1$范数方法成功地恢复了2.5和4.5 GHz之间的两个测试RF信号的时变相位和幅度。无源PIC的使用用作朝向压缩感测RF接收器的小型化的初始步骤。
2020-07-21 physics.app-ph physics.optics
Single Pixel Imaging and Compressive Sensing: A Practical Tutorial
Institute for Neuroscience and Medicine 1, Forschungszentrum Juelich（尤利希研究中心神经科学与医学研究所1）
该教程介绍了单像素成像与压缩感知的实验实现，涵盖确定性算法和深度学习方法，适用于实时成像应用。
2026-01-21 physics.data-an physics.optics
High Frame-Rate Phase Camera for High-Resolution Wavefront Sensing in Gravitational-Wave Detectors
我们提出了一种新的波前传感方式，使用市售的，连续波飞行时间与QVGA分辨率的相机。这款CMOS相位相机能够感应频率高达100 MHz的外部调制光源。传感器的高空间分辨率与我们的集成控制电子器件相结合，使相机能够成像低至-62 dBc/秒/像素的功率调制指数。相位相机适用于需要校准和模式失配感测的问题，并且适合于引力波探测器中的诊断和控制应用。具体来说，我们探索使用的相位相机在感应拍频信号由于热变形从点样的吸热器上的测试质量在先进的LIGO探测器。该相机能够感测Advanced LIGO输入镜中大于约2纳米的光路失真，这受到相位分辨率的限制。在零差读出中，性能可以达到0.1 nm，受到调制幅度灵敏度的限制。
2021-05-13 gr-qc physics.ins-det physics.optics
Is "Compressed Sensing" compressive? Can it beat the Nyquist Sampling Approach?
数值计算了“压缩感知（采样）”在信号离散化中的数据压缩能力，发现其远未达到信号稀疏性定义的理论上界。它示出的情况下，当普通的采样与随后的数据压缩是禁止的，至少有一个更有效的，在数据压缩能力方面，更简单和直观的替代压缩感知：随机稀疏采样和恢复的图像带限近似的能量压缩能力的基础上的变换。它还表明，断言“压缩感知”可以击败奈奎斯特采样方法是植根于误解的采样理论。
2015-02-09 cs.IT math.IT physics.optics
