一种基于图像补偿的相位差波前传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于图像补偿的相位差波前传感器，包括衰减片轮(1)、透镜(2)、BS(分光镜)(3)、第一CCD(4)和第二CCD(5)，通过调整衰减片或改变曝光时间，在焦面、离焦面上各采两副或多幅光强信息，其中，光强较大的采集图像，中间部分虽有饱和，但周围的高频信息却有较高的信噪比，可以准确探测，中间饱和区域可以通过图像拼接算法由光强较小、未饱和的采集图像计算出来，并拼接成一副高低频信息都非常准确的图像，大大提高了CCD的动态范围，有效抑制了CCD的随机噪声。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于图像补偿的相位差波前传感器，属于波前传感

技术介绍
相位反演技术是波前传感技术的重要分支，特点是直接利用采集到的光束远场光斑图像信息，通过衍射光学理论，反演推算出光束的近场波前相位分布信息。相位差法是众多反演方法中最成熟的一种，这些方法不可避免要通过CCD相机进行光强分布的探测。当像面光斑的光强较弱时，CCD相机采集到的光强分布信息受噪声影响比较严重。当像面光斑的光强较强时，CCD相机输出图像极易饱和，采集到的光强分布误差较大。而常见的畸变波前，高阶衍射部分能量较弱，光强主要集中在中间区域。但CCD都有一定的动态范围，中间区域探测好后，高频衍射部分的弱光区域，由于噪声影响探测误差较大，就造成了探测不准确，高频信息的缺失导致复原精度降低。“一种基于光栅的相位差波前传感器，专利号：CN201110223107.9”介绍了一种改善高频信息缺失的方法，但此种方法需要引入一个光栅，光路较复杂，且由于在同一个CCD相机上成0级、+1级、-1级三个衍射光斑，对CCD的空间尺寸要求较大，否则会有相互影响。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提出了一种基于图像补偿的相位差波前传感器，可有效解决高频信息的探测，且光路简单、可靠，可较大幅度地提高波前像差的复原精度。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，一种基于图像补偿的相位差波前传感器，通过调整衰减片或改变曝光时间，在焦面、离焦面上各采两副或多幅光强信息，其中，光强较大的采集图像，中间部分虽有饱和，但周围的高频信息却有较高的信噪比，可以准确探测，中间饱和区域可以通过图像拼接算法由光强较小、未饱和的采集图像计算出来，并拼接成一副高低频信息都非常准确的图像，大大提高了CCD的动态范围，有效抑制了CCD的随机噪声，本专利技术包括衰减片轮、透镜、BS(分光镜)、第一CCD和第二CCD，入射光线经衰减片轮调制强度后进入透镜，BS位于透镜后，将远场光分成相等强度的两束光，分别成像于第一CCD、第二CCD，第一CCD探测焦面光斑，第二CCD探测离焦光斑；步骤1：按照传统相位差法采集焦面、离焦面光强分布信息，采集时光强峰值略低于相机饱和值。步骤2：按一定比例改变焦面上采集到的光强强度，使中间光斑部分达到饱和，得到另两个焦面、离焦面光强分布信息。步骤3：对焦面、离焦面采集到的图像进行图像拼接，使用步骤1采集到的中间部分的光强信息，通过一定比例代替步骤2中采集到图像的饱和部分，得到全新的两个焦面、离焦面图像。步骤4：按照传统相位差复原方法，对畸变波面进行复原。进一步的，改变光强强弱信息可以通过吸收式衰减片进行衰减或改变曝光时间。进一步的，焦面、离焦面多采集的饱和图像可以是一幅也可以为多幅，看具体恢复要求。进一步的，图像拼接时，采取部分CCD像素作为基准，进行算法拼接。进一步的，采用第一CCD、第二CCD分别探测焦面、离焦面的光强分布；或者用同一CCD分别在焦面、离焦面位置进行光强探测。进一步的，基于图像拼接技术，不仅适用于相位差法波前复原，还适用于其他如GS算法或曲率波前传感器利用光电探测器进行光强分布探测的领域。(三)有益效果本专利技术一种基于图像补偿的相位差波前传感器。光路简单易于实现，克服了传统方法中由于相机噪声问题，探测的光强高频部分缺失，导致的波前复原精度较差的问题，本专利技术巧妙地引入了光强图像拼接的方法，可有效增强高空间频率信息的信噪比，使光强探测更准确，进而提高波前复原的精度。附图说明图1为本专利技术方法光路图，其中，图1(a)为加上衰减片轮的光路图，(b)为改变曝光时间的光路图；图2为本专利技术方法原理流程图；图3为本专利技术方法实施例输入畸变波面；图4为本专利技术方法实施例采集到的焦面图像，其中，图4(a)为常规方法采集到的焦面图像，图4(b)为采集到的饱和图像；图5为本专利技术方法实施例采集到的离焦面图像，其中，图5(a)为常规方法采集到的离焦面图像，图5(b)为采集到的饱和图像；图6为传统方法，其中，图6(a)为对焦面光强灰度值进行对数运算(底数为10)后光强分布的二维视图，图6(b)为对离焦面光强灰度值进行对数运算(底数为10)后光强分布的二维视图，图6(c)为复原波面，图6(d)为波面复原残差；图7为本专利技术方法，其中，图7(a)为对焦面光强灰度值进行对数运算(底数为10)后光强分布的二维视图，图7(b)为对离焦面光强灰度值进行对数运算(底数为10)后光强分布的二维视图，图7(c)为复原波面，图7(d)为波面复原残差；图8为本专利技术方法流程图。图中附图标记含义为：1为衰减片轮，2为透镜，3为BS(分光镜)，4为第一CCD，5为第二CCD。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。实施例在本专利技术的示例性实施例中，提供了一种基于图像补偿的相位差波前传感器，包括衰减片轮1、透镜2、BS(分光镜)3、第一CCD4和第二CCD5，入射光线经衰减片轮调制强度后进入透镜，BS位于透镜后，将远场光分成相等强度的两束光，分别成像于第一CCD、第二CCD，第一CCD探测焦面光斑，第二CCD探测离焦光斑。该基于图像补偿的相位差波前传感器工作步骤如下：参照图1～7，本实施例方法包括：步骤1：按照传统相位差法采集焦面、离焦面光强分布信息，分别如图4(a)、图5(a)所示，采集时光强峰值略低于相机饱和值。步骤2：按一定比例改变焦面上采集到的光强强度，使中间光斑部分达到饱和，得到另两个焦面、离焦面光强分布信息，分别如图4(b)、图5(b)所示。步骤3：对焦面、离焦面采集到的图像进行图像拼接，使用步骤1采集到的中间部分的光强信息，通过一定比例代替步骤2中采集到图像的饱和部分，得到全新的两个焦面、离焦面图像，分别如图7(a)、图7(b)所示。步骤4：按照传统相位差复原方法，如图2所示，对畸变波面进行复原，结果如下。将传统PD算法、本专利技术图像拼接PD算法分别迭代50次进行对比。图3为初始随机波前(PV＝7.4829rad，rms＝1.6163rad)，CCD信噪比为56dB，图6(c)为传统方法复原波前(PV＝7.8006rad，rms＝1.6218rad)，图6(d)为传统方法复原波前残差(PV＝1.7605rad，rms＝0.1426rad)，图7(c)为本专利技术方法复原波前(PV＝7.4758rad，rms＝1.6218rad)，图7(d)为本专利技术方法复原波前残差(PV＝0.0189rad，rms＝0.0058rad)。可以看到本专利技术方法相对于传统方法，收敛更快，相同迭代次数下，本专利技术方法相较传统方法精度提高20多倍。本实施例中，基于图像补偿的相位差波前传感器，核心思想是通过在焦面、离焦面上各采两副或多幅光强信息，其中，光强较大的采集图像，中间部分虽有饱和，但周围的高频信息却有较高的信噪比，可以准确探测，中间饱和区域可以通过图像拼接算法由光强较小、未饱和的采集图像计算出来，并拼接成一副高低频信息都非常准确的图像，大大提高了CCD的动态范围，有效抑制了CCD的随机噪声。至此，已经结合附图对本专利技术实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本专利技术基于图像补偿的相位差波前传感器有了清楚的认识本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像补偿的相位差波前传感器，其特征在于：包括衰减片轮(1)、透镜(2)、BS(分光镜)(3)、第一CCD(4)和第二CCD(5)，入射光线经衰减片轮调制强度后进入透镜，BS位于透镜后，将远场光分成相等强度的两束光，分别成像于第一CCD、第二CCD，第一CCD探测焦面光斑，第二CCD探测离焦光斑；该基于图像补偿的相位差波前传感器工作步骤如下：步骤1：按照传统相位差法采集焦面、离焦面光强分布信息，采集时光强峰值略低于相机饱和值；步骤2：按一定比例改变焦面上采集到的光强强度，使中间光斑部分达到饱和，得到另两个焦面、离焦面光强分布信息；步骤3：对焦面、离焦面采集到的图像进行图像拼接，使用步骤1采集到的中间部分的光强信息，通过一定比例代替步骤2中采集到图像的饱和部分，得到全新的两个焦面、离焦面图像；步骤4：按照传统相位差复原方法，对畸变波面进行复原。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像补偿的相位差波前传感器，其特征在于：包括衰减片轮(1)、透镜(2)、BS(分光镜)(3)、第一CCD(4)和第二CCD(5)，入射光线经衰减片轮调制强度后进入透镜，BS位于透镜后，将远场光分成相等强度的两束光，分别成像于第一CCD、第二CCD，第一CCD探测焦面光斑，第二CCD探测离焦光斑；该基于图像补偿的相位差波前传感器工作步骤如下：步骤1：按照传统相位差法采集焦面、离焦面光强分布信息，采集时光强峰值略低于相机饱和值；步骤2：按一定比例改变焦面上采集到的光强强度，使中间光斑部分达到饱和，得到另两个焦面、离焦面光强分布信息；步骤3：对焦面、离焦面采集到的图像进行图像拼接，使用步骤1采集到的中间部分的光强信息，通过一定比例代替步骤2中采集到图像的饱和部分，得到全新的两个焦面、离焦面图像；步骤4：按照传统相位差复原方法，对畸变波面进行复原。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔庆峰，王帅，杨平，于信，杨康建，陈小君，庞博清，董理治，何星，许冰，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51