一种基于计算全息的波前像差测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于计算全息的波前像差测量方法，属于光电测量技术领域。本发明专利技术的一种基于计算全息的波前像差测量方法，首先将待测波前分解，并通过构建两种计算全息图，采用相息图编码方法，通过单幅焦面图像直接得到波前包含的像差模式系数，进而重构出待测波前，实现对于波前像差的测量。本发明专利技术的一种基于计算全息的波前像差测量方法，对输入波前采样点数较多，具有较高的空间分辨率；利用计算全息图同时编码多阶像差模式，并通过建立焦面光强分布与波前像差模式系数之间的确定关系，不需要多次迭代，测量速度快；对环境温度以及振动不敏感，操作简单，稳定性好；能够用于测量大像差，动态范围大，适用范围广。适用范围广。适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算全息的波前像差测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于计算全息的波前像差测量方法，属于光电测量


技术介绍

[0002]光束在产生和传播的过程中，光学材料的不均匀性、光学元件的加工误差、光学系统的装配误差、大气扰动以及水下湍流等因素均会使光束产生波前畸变。波前像差测量对于提高光学系统成像质量具有重要意义，特别是在如空间望远镜的高性能光学系统中，波前像差测量精度将直接影响成像系统的分辨率以及图像对比度等光学参量，进而影响光学系统的成像质量。在光学系统的设计、加工以及装调阶段，均需要对波前像差进行测量。
[0003]目前，波前像差测量方法主要有夏克
‑
哈特曼法、剪切干涉法、基于强度差分信号的全息波前传感法、基于无模型的波前传感方法以及基于模型的波前传感方法。
[0004]夏克
‑
哈特曼法是利用微透镜阵列对待测波前进行分割并聚焦，通过测量焦面光斑阵列的质心偏移量，确定波前梯度信息，进而重构待测波前；微透镜阵列的加工工艺制约微透镜尺寸以及数量，使夏克
‑
哈特曼法对波前的采样点数较少，能够测量的波前空间分辨率较低。
[0005]剪切干涉法是将待测波前通过特定的分光元件，产生一个与其自身具有一定横向位移的复制波前，待测波前与复制波前发生干涉，通过干涉条纹图像信息解调出待测波前的相位信息；剪切干涉法依赖于待测波前与复制波前的干涉条纹分析，干涉条纹图像容易受环境因素的影响，微小的气流扰动、温度变化以及机械振动都会引起测量误差。/>[0006]基于强度差分信号的全息波前传感法利用二元全息图编码多阶像差模式，当如入射波前经过二元全息图后，焦面上形成多对衍射光斑，通过测量每一对衍射光斑的中心光强差值，得到输入波前中所包含的像差模式系数；基于强度差分信号的全息波前传感方法只适用于测量小像差，动态范围小，并且由于存在模式间串扰问题，只适用于测量少数低阶像差模式，当输入波前包含较多的高阶像差模式时，波前传感精度大大降低。
[0007]基于无模型的波前传感方法通过采集单幅或者多幅焦面和离焦面强度图像进行波前传感，并使用迭代优化方法得到输入波前，优化迭代方法主要包括：遗传算法、混合输入
‑
输出算法以及模拟退火算法；基于无模型的波前传感方法需要大量的优化迭代过程，耗费时间长，并且迭代过程容易陷入局部极值而不收敛。
[0008]基于模型的波前传感方法通过建立输入波前相位与焦面光强之间的确定关系，对输入波前依次引入偏置相位扰动，采集多幅焦面图像来传感波前像差模式系数；基于模型的波前传感方法需要多次引入偏置相位扰动，并采集多幅图像，传感所需时间长。
[0009]目前诸多方法能够实现对于波前像差的测量，但是对于波前像差的快速以及高精度检测，已成为提高光学系统成像质量的迫切要求。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种基于计算全息的波前像差测量方法，构建两种计算全息
图，采用相息图编码方法，通过单幅焦面图像直接得到输入波前包含的像差模式系数，进而重构出待测波前。
[0011]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0012]本专利技术公开的一种基于计算全息的波前像差测量方法，包括如下步骤：
[0013]步骤一、待测波前相位分解：
[0014]作为优选，将待测波前相位分解为N阶Lukosz模式，每一阶Lukosz模式代表一种像差成分，如式(1)所示：
[0015][0016]其中，(x,y)为光瞳面坐标，L
n
(x,y)表示第n阶Lukosz模式，q
n
表示第n阶Lukosz模式的系数；
[0017]步骤二、构建计算全息图：
[0018]构建第一种计算全息图U1，作为优选，第一种计算全息图包含N阶Lukosz模式，如式(2)所示：
[0019][0020]其中，b
n
为偏置系数，j为虚数单位，与为倾斜相位；
[0021]倾斜相位使第n阶Lukosz模式L
n
(x,y)所对应的焦面光斑平移到指定位置，平移后的光斑中心坐标(u
n
,v
n
)如式(3)所示：
[0022][0023]其中，λ为光波波长，f为光学系统焦距；
[0024]构建第二种计算全息图U2，作为优选，第二种计算全息图包含N阶Lukosz模式，如式(4)所示：
[0025][0026]其中，s∈[1,N]；
[0027]步骤三、获取相息图：
[0028]计算全息图U1以及计算全息图U2采用相息图编码方式，相息图只保留计算全息图U1以及计算全息图U2的相位部分，将其振幅部分置为常数1；
[0029]由计算全息图U1以及计算全息图U2编码得到的相息图U
K1
以及相息图U
K2
分别如式(5)以及(6)所示：
[0030]U
K1
(x,y)＝arg[U1(x,y)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0031]U
K2
(x,y)＝arg[U2(x,y)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0032]其中，arg[]表示取相位部分；
[0033]进一步的，相息图U
K1
以及相息图U
K2
能够加载到相位型空间光调制器或者加工成相位板实现对入射波前的调制；
[0034]步骤四、相息图优化：
[0035]相息图U
K1
以及相息图U
K2
只保留计算全息图U1以及计算全息图U2的相位部分，像面重建图像会产生散斑噪声，造成重建图像质量降低，影响波前传感精度，以相息图重建图像的峰值信噪比(PSNR)作为评价函数，如式(7)所示，对相息图进行优化；
[0036][0037]其中，I
C
和I
K
分别表示计算全息图以及相息图重建的焦面强度分布，表示图像灰度最大值，MSE{}表示均方误差；
[0038]优化变量包括：偏置系数b1～b
N
、倾斜相位以及计算全息编码的总模式数N；
[0039]PSNR值越大，表示相息图与构建的计算全息图的重建图像越接近；
[0040]作为优选，PSNR的优化方法包括：梯度下降法，遗传算法，模拟退火算法；
[0041]步骤五、应用相息图调制入射波前：
[0042]入射波前经过计算全息图U1调制后，光学系统焦面上产生N+1个光斑，第n阶Lukosz模式L
n
(x,y)对应的光斑强度I
n
(u,v)如式(8)所示：
[0043][0044]其中，表示傅里叶变换，(u,v本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算全息的波前像差测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、待测波前相位分解：将待测波前相位分解为N阶Lukosz模式，每一阶Lukosz模式代表一种像差成分，如式(1)所示：其中，(x,y)为光瞳面坐标，L
n
(x,y)表示第n阶Lukosz模式，q
n
表示第n阶Lukosz模式的系数；步骤二、构建计算全息图：构建第一种计算全息图U1，第一种计算全息图包含N阶Lukosz模式，如式(2)所示：其中，b
n
为偏置系数，j为虚数单位，与为倾斜相位；倾斜相位使第n阶Lukosz模式L
n
(x,y)所对应的焦面光斑平移到指定位置，平移后的光斑中心坐标(u
n
,v
n
)如式(3)所示：其中，λ为光波波长，f为光学系统焦距；构建第二种计算全息图U2，第二种计算全息图包含N阶Lukosz模式，如式(4)所示：其中，s∈[1,N]；步骤三、获取相息图：计算全息图U1以及计算全息图U2采用相息图编码方式，相息图只保留计算全息图U1以及计算全息图U2的相位部分，将其振幅部分置为常数1；由计算全息图U1以及计算全息图U2编码得到的相息图U
K1
以及相息图U
K2
分别如式(5)以及(6)所示：U
K1
(x,y)＝arg[U1(x,y)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)U
K2
(x,y)＝arg[U2(x,y)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，arg[]表示取相位部分；步骤四、相息图优化：相息图U
K1
以及相息图U
K2
只保留计算全息图U1以及计算全息图U2的相位部分，像面重建图像会产生散斑噪声，造成重建图像质量降低，影响波前传感精度，以相息图重建图像的峰值信噪比(PSNR)作为评价函数，如式(7)所示，对相息图进行优化；
其中，I
C
和I
K
分别表示计算全息图以及相息图重建的焦面强度分布，表示图像灰度最大值，MSE{}表示均方误差；优化变量包括：偏置系数b1～b
N
、倾斜相位以及计算全息编码的总模式数N；PSNR值越大，表示相息图与构建的计算全息图的重建图像越接近；步骤五、应用相息图调制入射波前：入射波前经过计算全息图U1调制后，光学系统焦面上产生N+1个光斑，第n阶Lukosz模式L
n
(x,y)对应的光斑强度I
n
(u,v)如式(8)所示：其中，表示傅里叶变换，(u,v)为焦面坐标；倾斜相位对应的焦面光斑强度I0(u,v)，如式(9)所示：入射波前经过计算全息图U2调制后，光学系统焦面上同样产生N+1个光斑，第n阶Lukosz模式L
n
(x,y...

【专利技术属性】
技术研发人员：董冰，刘明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：