专利名称：基于差分传感器的波前检测和重构方法
技术领域：
本发明属于光学信息测量技术领域，涉及到一种测量入射光束波前的方法，具体 涉及一种基于差分传感器(a null sensor)的波前检测和重构方法。本发明适用于自适应 光学系统和光学检测等应用领域。
背景技术：
在光学检测、自适应光学等应用领域，需要测量光束的波前。目前已经发展了许多 测量波前的方法，大致可以分为两大类(1)测量出波前斜率，然后通过一定的波前检测和 重构算法恢复出波前相位分布。其中包括哈特曼传感器(Hartmann wavefront sensor)和 剪切干涉仪(Shear interferometer)等；( 测量光学系统内不同平面上的光强分布，然 后通过特定的算法恢复出波前相位分布，其中包括曲率传感器(Curvature sensor)和各种 相位反演方法(PhaseRetrieval)等。这些方法各有优缺点，适用各自的应用场合。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(PhaseRetrieval) ”技术，比较典型的有R. A. Gonsalves等人的波前传感方法(Proc. of SPIE, Vol. 207，32-39，1979)，也即经典的 Gerchberg-Saxton 算法，如图 1 ；F. Roddier 等人的曲率探测方法(Proc. of SPIE，Vol. 976，203-209，1988)，如图2 ；以及中国专利 CN1904569提出的基于线性相位反演的波前测量方法。相位反演法需要多帧图像进行迭代 计算，算法的计算量大，因而实时性不高，仅适用于图像事后处理等应用场合。曲率探测法 的计算相对简单，速度较快，但曲率探测法没有最后计算出波前，且不适用于非连续波前。 基于线性相位反演的波前测量方法能量利用率高、计算量小，但这种方法只能针对像差均 方根(RMS)小于0.2 λ的情况，且对噪声十分敏感。世界专利W02009/058747利用衍射光学元件在探测器上的成像进行波前测量，但 其相位恢复方法采用了 G-S算法，计算量大。美国专利US2006/01755^基于衍射光学元件 提出了差分传感器的概念，证明了差分传感器的输出信息与待测畸变波前信息的大小和位 置有一定的对应关系，但是没有给出进一步的波前重构方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有技术的不足，提出一种基于差分传感器的波 前检测和重构方法，该方法直接利用差分传感器的测量信号来重构入射光束波前，不需要 事先计算复原矩阵、不会对波前探测结果带来附加误差且光路简单、实用性强，具有较强的 抗噪能力。本发明的技术解决方案是一种基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征 在于，步骤如下待测波前经透镜Li、透镜光栅组合在CXD上成像；焦平面附近放置一个CXD相机记录畸变波前的+1阶和-1阶的衍射图像；然后由图像采集卡将上述两个步骤中的两幅衍射图像的两维光强分布信息同时采集到计算机中；再由计算机使用相位重构算法对信号差Dr进行模式分解及处理，最后得到恢复 后的待测波前。所述的“由计算机使用相位重构算法对信号差Dr进行模式分解及处理”步骤中， 包括以下子步骤(1)确定一组合适的空间分解模式，作为信号差Dr分解的基；例如选取krnike模式或K-L模式。(2)根据待测波前的特点选取模式的阶数(即(1)中所选定的模式的项数，一般不 包括平移项)进行高阶分解；所述的“选取模式的阶数”，即krnike模式的项数，一般不包括平移项。如待测波 前为大气湍流，则可以进行104-230阶或者更高阶分解；如激光器或者人眼像差测量的应 用中，可以进行前10-20阶的分解。然后进入第C3)子步骤，或直接进入第(4)子步骤。(3)用于白光或其他非单色光进行波前检测时，由于光栅的色散作用，将会在成像 平面上产生色差。为了消除色差的影响，可以在光路的透镜Ll之前添加一个窄带滤波片。 当用于激光等单色光时，无需使用滤波片。(4)输入待测波前由光瞳面到频谱域、再经光栅透镜组合滤波至CXD像面成像，得 到待测波前的+1阶和-1阶的衍射图像；采集卡将两幅衍射图像的两维光强信息同时传给 计算机。(5)由波前重构算法首先计算差法传感器的输出信号Dr，即两幅图像做减运算。 在得到表征输入待测波前Φ (r)的大小和方向的信号差Dr后，使用(1)和( 确定的模式 及模式阶数对Dr进行分解。(6)由于信号差Dr不但包含了波前信息还包含了一定的噪声，将其进行模式分解 后，需要进行模式阶数的选择。具体实施时，可把分解后各项模式系数值的标准差作为阈值，将小于该阈值的阶 数忽略，大于该阈值的阶数及其相对应的系数大小作为重构待测波前的依据。然后按照公 式(5)进行运算，即可得到重构后的待测波前。基于差分传感器的波前检测和重构方法实现原理如图3所示。该方法主要由透镜 Li、光栅透镜组合、C⑶相机、图像采集卡、计算机等组成。待测波前经透镜Li、透镜光栅组 合滤波后在CXD上成像，由于光栅透镜组合的特殊作用，在CXD上可同时得到+1阶和-1阶 的衍射图像，再经图像采集卡采集到计算机。相位重构算法首先将两副图像进行减运算，形 成差分传感器，再对由差分传感器形成的信号差Dr进行模式分解及处理，最后得到重构后 的待测波前。本发明的原理如图4所示的一个二元衍射光栅，假定y轴与光栅的条纹方向平行，χ轴与光栅的 条纹方向垂直，如图4(a)中所示。如果光栅的几何形状沿χ轴发生一个位移，如图4(b)，则 会在位移处引入一个相移。相对于零阶，局部相移Φω(χ，γ)依赖于光栅局部位移的大小
其中d为光栅常数，m为衍射级数，Δχ为相对于光栅未扭曲之前的位移量。由公 式(1)可以看出，除零阶之外，所有阶都经历了一个相移，并且相移的大小和光栅局部位移 的大小成线性关系，正负相同级的相移振幅相同，方向相反。使用二元编码技术对衍射光学 元件进行编码可以生成任意的波前相位。本发明使用离焦光栅和透镜进行组合，在像平面 上得到士 1级衍射图像。在透镜Ll的焦距处可以得到输入待测波前Φ (r)的傅里叶变换，如图3中的 ψ ( ξ )。由傅里叶光学可以知道，透镜Ll的后焦面上的复振幅分布是入射场Φ (r)的夫琅 和费衍射模式。这可以通过输入波前分布的傅里叶变换乘上一个二次相位因子来计算
权利要求
1.一种基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征在于，步骤如下待测波前经透镜Li、透镜光栅组合在CXD上成像；焦平面附近放置一个CXD相机记录畸变波前的+1阶和-1阶的衍射图像；然后由图像采集卡将上述两个步骤中的两幅衍射图像的两维光强分布信息同时采集 到计算机中；再由计算机使用相位重构算法对信号差Dr进行模式分解及处理，最后得到恢复后的 待测波前。
2.根据权利要求1所述的基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征在于，所述 的“由计算机使用相位重构算法对信号差Dr进行模式分解及处理”步骤中，包括以下子步 骤(1)确定一组合适的空间分解模式，作为信号差Dr分解的基；(2)根据待测波前的特点选取模式的阶数进行高阶分解；然后进入第( 子步骤，或直接进入第(4)子步骤；(3)用于白光或其他非单色光进行波前检测时，在光路的透镜Ll之前添加一个窄带滤 波片；(4)输入待测波前由光瞳面到频谱域、再经光栅透镜组合滤波至CXD像面成像，得到待 测波前的+1阶和-1阶的衍射图像；采集卡将两幅衍射图像的两维光强信息同时传给计算 机；(5)由波前重构算法首先计算差法传感器的输出信号Dr，即两幅图像做减运算；在得 到表征输入待测波前Φ (r)的大小和方向的信号差Dr后，使用(1)和( 确定的模式及模 式阶数对Dr进行分解；(6)将信号差Dr进行模式分解后，需要进行模式阶数的选择。
3.根据权利要求2所述的基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征在于，所述 第( 步骤的“选取模式的阶数”，是指待测波前为大气湍流时，进行104-230阶或者更高 阶分解；激光器或者人眼像差测量的应用，进行前10-20阶的分解。
4.根据权利要求2所述的基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征在于，所述 的第(6)子步骤中，“进行模式阶数的选择”，采用以下方法把分解后各项模式系数值的标 准差作为阈值，将小于该阈值的阶数忽略；大于该阈值的阶数及其相对应的系数大小作为 重构待测波前的依据；然后按照公式(5)进行运算，即可得到重构后的待测波前φ(τ,θ) = α0+^α,Ζ,(τ,θ)(5)k=l其中是波前整体平移项，r表示极轴，θ表示极角，cik是第l^^krnike多项式系 数，P是采用的多项式的总项数，Zk(r, θ )是第k项Zernike多项式的二维极坐标表达式。
5.根据权利要求2 4之一所述的基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征在 于，所述的第(1)子步骤中，“寻找一组合适的空间分解模式”，是指选取krnike模式。
全文摘要
基于差分传感器的波前检测和重构方法，其特征在于，步骤如下待测波前经透镜L1、透镜光栅组合在CCD上成像；焦平面附近放置一个CCD相机记录畸变波前的+1阶和-1阶的衍射图像；然后由图像采集卡将上述两个步骤中的两幅衍射图像的两维光强分布信息同时采集到计算机中；再由计算机使用相位重构算法对信号差Dr进行模式分解及处理，最后得到恢复后的待测波前。本发明不需要事先定标，实现过程简单，具有较高的实用性。减少了附加误差，也不需要进行子口径分光，提高光能利用率。本发明的计算量小，计算速度快。可以应用于自适应光学等实时性要求较高的应用领域；并具有较强的抗噪能力。
文档编号G01J9/00GK102095503SQ20101056669
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者张思炯, 杨慧珍 申请人:中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所