一种基于线性相位反演的波前测量方法技术

一种基于线性相位反演的波前测量方法，根据光源波长、传感器的焦距、成像器件的像素大小等已知参数，定标得到的传感器的远场光强相对变化值与入射波前中各项泽尼克系数相对变化值间对应关系的复原矩阵；传感器使用前先用无像差理想平面光源定标，得到无像差时的远场图像作为定标基准图像；然后对包含待测畸变波前的入射光束进行测量，得到畸变波前条件下的远场图像，与基准图像两者相减得到光强分布的差值并按照事先约定形成一个光强差向量。将复原矩阵与光强差向量相乘得到待测波前畸变中包含的各项泽尼克系数值，从而测量出波前畸变。本发明专利技术能量利用率高、计算量小，计算速度快，因而可以应用于自适应光学等实时性要求较高的应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学信息测量
，涉及一种测量入射光束波前的方法，尤其涉及一种新型的基于线性相位反演的波前测量方法。
技术介绍
在自适应光学、光学检测等应用领域，需要测量光束的波前。尤其是在自适应光学系统中，需要快速测量波前信息，用于波前的实时控制。目前发展了许多种测量波前的方法，如剪切干涉法、哈特曼法、相位反演法和曲率探测法等。这些方法各有优缺点，适用各自的应用场合，其中相位反演法和曲率探测法都是基于成像的波前测量方法，特别适合在天文自适应光学等应用领域使用。通常把根据光学系统像面上光强分布信息得到入射波前相位信息的方法称为“相位反演(phase retrieval)”技术。最早由R.A.Gonsalves和R.Chidlaw在1979年出版的SPIE论文集第207卷第32-39页的论文“通过相位反演测量波前”中公布了一种相位反演波前测量方法(R.A.Gonsalves andR.Chidlaw，“Wavefront sensing by phase retrieval”.Proc.of SPIE，Vol.207，32-39，1979)。图1是相位反演波前测量方法的波前传感器的原理示意图。利用该方法需要同时记录一幅焦平面上的光束远场图像和一幅离焦的图像，并这样连续记录多帧图像，利用多帧图像之间的差异，通过迭代的方法计算出光束波前。最早由F.Roddier在1988年出版的SPIE论文集第976卷第203-209页的论文“曲率探测一种新的波前测量方法”中公布了一种曲率探测方法(F.Roddier，C.Roddier，N.Roddier，“Curvature sensinga new wavefrontsensing method”，Proc.SPIE，vol.976，203-209，1988)。图2是曲率探测波前测量方法的波前传感器的原理示意图。该方法与上述的相位反演方法不同，利用焦点前后等距的两个离焦面上的远场图像与光束波前曲率间的关系，通过特定的方法计算出光束曲率，波前曲率是波前相位的二阶导数，根据波前曲率可以用特定的方法复原出波前相位。北京理工大学的魏学业和俞信在1994年申请的中国专利“基于Zernike多项式的波前探测和重构方法”(申请日94.09.16，申请号94115172，公告日95.07.19，公告号1105449)，提出了一种基于泽尼克(Zernike)多项式的波前探测和重构方法。该方法运用R.Noll建议的泽尼克多项式表征经大气扰动的入瞳处的光学波前畸变；求出由两个离焦面上(前后等距)的光强分布决定的归一化泽尼克项在特定形状的探测器上的响应矩阵，由响应矩阵和入瞳处的波前在两个离焦面上的光强分布，求出入射波前泽尼克项的系数。相位反演法需要多帧图像迭代计算，算法的计算量大，因而实时性不高，仅适合图像事后处理等应用场合。曲率探测法的计算方法相对简单，速度较快，适用自适应光学等实时性要求高的场合，但曲率探测法没有最后计算出波前。魏学业等提出的波前测量方法的基础也是曲率探测方法，该方法的波前传感器光学布局与曲率探测方法相同，但魏学业等提出的方法不以波前曲率为目的，而是直接将前后等距的两个离焦面上的远场图像与泽尼克多项式联系起来，比曲率探测法简洁方便。以上这几种波前测量方法都利用了至少两幅图像，需要对入射光束分光后分别成像和探测。在天文自适应光学等应用领域，星体目标的入射光能量非常微弱，任何分光都将减少光能利用率，而且如果分光后的两个成像系统间存在差异(例如两个成像系统的性能不一致)，又会对波前探测结果带来附加误差。
技术实现思路
本专利技术的技术解决解决问题克服现有技术的不足，提供，该方法仅仅根据单幅远场图像利用线性相位反演技术测量出入射光束波前，光能利用率高，不会对波前探测结果带来附加误差，且计算量小，快速、实用性强。本专利技术的技术解决方案基于线性相位反演的波前测量方法，其特点在于通过以下技术措施实现(1)事先根据光源波长、传感器的焦距、成像器件的像素大小等已知参数，定标得到的传感器的远场光强相对变化值与入射波前中各项泽尼克系数相对变化值间对应关系的复原矩阵；(2)传感器使用前，先用无像差理想平面光源定标，得到无像差时的远场图像作为定标基准图像，然后对包含待测畸变波前的入射光束进行测量，得到畸变波前条件下的远场图像；(3)将上述得到的远场图像与基准图像两者相减得到光强分布的差值并按照事先约定形成一个光强差向量；(4)将复原矩阵与光强差向量相乘得到待测波前畸变中包含的各项泽尼克系数值，从而测量出波前畸变。因为本专利技术是一种根据光学系统像面上光强分布信息得到入射波前相位信息的方法，所以属于“相位反演”技术范畴；同时因为本方法中的相位反演过程由一个向量矩阵间的乘法完成，这是一种典型的线性运算过程，所以将这种相位反演算法称为“线性相位反演算法”，这是本专利技术的独创之处。本专利技术的原理运用波前像差测量领域通常采用的泽尼克(Zernike)多项式表征经大气扰动的入瞳处的光学波前畸变，待测像差的各阶泽尼克系数按照事先约定顺序(一般按照空间频率从低到高的顺序)排列为一个向量a。波前测量的目的就是得到待测像差对应的系数向量a的值；在一个成像光学系统中利用一个焦平面成像器件(如CCD相机)记录畸变波前的远场图像并利用图像采集卡将远场图像的两维光强分布信息采集到计算机中；事先对一个理想平面光源进行测量，记录下理想平面光源对应的成像光学系统的远场图像的两维光强分布，按照事先的约定展开为列向量，并记为I0；利用同样的成像光学系统、成像器件、图像采集卡等记录下待测量畸变波前对应的远场图像的两维光强分布，同样按照事先的约定展开为列向量，并记为I；求出存在像差前后远场图像光强分布的相对变化，记为列向量ΔI＝I-I0(或者ΔI＝I0-I也可，根据事先约定)；根据光源波长、传感器的焦距、成像器件的像素大小等已知参数，事先定标得到的传感器的远场光强相对变化值ΔI与入射波前中各项泽尼克系数相对变化值Δa间对应关系的响应矩阵，对响应矩阵求逆得到复原矩阵R；根据关系Δa＝RΔI，利用向量矩阵乘法的线性运算得到Δa。因为理想平面波对应的泽尼克系数a0＝0，所以这就是待测波前畸变中包含的各项泽尼克系数a＝Δa。通常得到泽尼克系数即认为测量出了波前畸变，因为根据复原出的各项泽尼克系数及各阶泽尼克多项式的定义，可以很方便地得到待测量波前畸变的具体值。本专利技术有两个独到的关键步骤一个关键步骤是利用一个理想平面光源对传感器光学系统的自身像差对应的远场光强分布进行定标。这个过程可以将传感器光学成像系统自身像差、CCD成像器件光电响应特性、图像采集卡传输变换特性等标定下来。之后的运算都用存在像差前后远场图像光强分布的相对值进行。只要传感器的以上特性参数等不变，对光强变化相对值进行的运算可以有效消除传感器成像光学系统自身像差等不利因素的影响。定标所用的理想平面光源在各种计量实验室内很容易得到。这一过程与哈特曼波前传感器的使用方法类似。哈特曼波前传感器在使用前都需要用理想平面光源进行定标。当然，理想是相对的，平面光源的质量优劣将决定波前传感器测量结果的准确度。本专利技术的另一个关键步骤是确定传感器的远场光强相对变化值ΔI与入射波前中各项泽尼克系数相对变化值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于线性相位反演的波前测量方法，其特征在于通过以下步骤实现：（１）事先根据光源波长、传感器的焦距、成像器件的像素大小等已知参数，定标得到的传感器的远场光强相对变化值与入射波前中各项泽尼克系数相对变化值间对应关系的复原矩阵；　 　（２）传感器使用前，先用无像差理想平面光源定标，得到无像差时的远场图像作为定标基准图像，然后对包含待测畸变波前的入射光束进行测量，得到畸变波前条件下的远场图像；（３）将上述得到的远场图像与基准图像两者相减得到光强分布的差值并按照事 先约定形成一个光强差向量；（４）将复原矩阵与光强差向量相乘得到待测波前畸变中包含的各项泽尼克系数值，从而测量出波前畸变。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李新阳，李敏，
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：90[中国|成都]