CN102331303B - 一种基于光栅的相位差波前传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光栅的相位差波前传感器，由光栅，透镜，分光镜，CCD成像探测器和计算机等器件组成。含有波前畸变的平行光束垂直辐照于光栅表面，经光栅透射后光束被分成强度不等、相位相同的多束光，经透镜成像于CCD光敏面上。根据两个或多个光栅衍射光斑并利用相应的算法，可以更为准确地计算出光斑的光强分布。计算机根据焦面和离焦面光强分布可复原得到待测的波前畸变信息。本发明能够使用CCD成像探测器采集到通常情况无法测量的光强分布的高频成分，有效地提高了相位差法波前传感器的检测精度，在光学检测、自适应光学、高分辨率成像等领域优势明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相位差的波前传感器，特别是一种基于光栅的相位差波前传感器。
背景技术
相位差波前传感器因其结构简单、对光源无特殊要求以及测量精度较高，作为一种波前传感器被应用于自适应光学领域。Gonsalves R A在“Wavefront sensing by phase retrieval”，in Applications of Digital ImageProcessing III，Proc.SPIE，vol.207，1979和“Phase retrieval anddiversity in adaptive optics”Opt Eng，Vol.21，829-832，1982两篇文章中提出在待测波前中添加已知大小的离焦像差，准确测量得到焦面光强分布和多幅位于不同离焦面的光强分布，基于最小二乘估计提出采用GS迭代算法准确复原出入射光束中的畸变波前，并将相位差波前检测方法应用于扩展光源的相位检测，同时可改善因像差引起的模糊图像。
传统相位差波前传感器根据焦面和离焦面光强分布图像，采用迭代算法复原得到待测相位信息。当入射光束为含有波前畸变的单色平行光束时，焦面光斑的能量分散，高阶衍射分量的光强较弱。由于CCD成像探测器的输出图像存在一定噪声，同时CCD成像探测器存在一个较为敏感的光强范围，因此当光斑的光强较弱时，受输出图像信噪比以及CCD成像探测器敏感度的影响，CCD无法获取级数较高的衍射斑光强分布信息，复原像差的高频信息将丢失，检测精度就会受到一定影响。若待测畸变波前既包含有大幅度、缓变的低空间频率光学像差，同时还包含有因光学元件加工引起的高空间频率像差，此畸变波前将导致焦面位置、离焦面位置光斑的能量分布较为分散，高级衍射分量分布复杂且光强较弱，光强分布图像精确采集的难度较大。目前常见的CCD成像探测器探测的动态范围较小，当透镜焦面位置处光斑光强较弱时，探测得到的光强分布信息受噪声影响较严重，当焦面光斑光强较强时，CCD成像探测器输出图像极易饱和，探测得到的光强分布误差较大，从而导致传统的相位差波前检测方法无法准确复原出待测波前畸变信息。
目前，国内外的研究工作者已经对相位差波前检测方法进行了30年的研究，研究工作主要集中在改善算法性能和解决实际应用的问题等几个方面。本发明提出了一种基于光栅的相位差波前传感器，能够在一定程度上扩展CCD成像探测器的动态范围，提高信噪比，从而获得在通常情况下很难采集到的光强分布信息，而这些信息直接关系到相位差波前传感器的探测能力。相对于传统的PD波前传感器，光栅型相位差波前传感器提高了原有CC D探测器的动态范围，能够获得焦面和离焦光强分布中相对较高阶的衍射信息，使得待测畸变波前的检测精度有了明显的提高，对自适应光学的发展具有重要意义。
本发明的采用了光栅与相位差波前传感器相结合，有效扩展了CCD成像探测器的动态范围、改善了输出图像的信噪比，使得CCD成像探测器输出图像所含噪声对于波前复原结果的影响减小。相对于传统的相位差波前传感器的检测精度，光栅型相位差波前传感器对待测波前的复原精度大大提高。
发明内容
本发明采用的技术方案是：一种基于光栅的相位差波前传感器，包括：光栅G，透镜L，分光镜BS，CCD成像探测器CCD1和CCD2、计算机***C；光栅放置于透镜前，含有波前畸变的平行光束垂直辐照于光栅G表面，经光栅G透射后光束被调制为强度不等、相位一致的多束光，随后光束经透镜L聚焦和分光镜BS分光后，被分为两部分，一部分经过分光镜BS后，透射光束沿原方向继续向前传播，并最终成像于位于透镜焦平面位置处的成像探测器CCD1的光敏面上；另一部分经分光镜BS反射的光束，成像于位于透镜L后某一特定离焦位置处的成像探测器CCD2的光敏面上，并设该离焦位置处的离焦距离的大小为d；成像探测器CCD1和CCD2分别测量得到位于透镜焦平面位置和具有一定离焦距离的平面上的光强分布，将衍射光栅的0级衍射光斑与1级衍射光斑强度之比记为η，假定0级衍射光斑具有较高的分光比，则η＞1；对于1级衍射光斑而言，由于其所包含的能量较弱，选取性能参数合适的成像探测器，即可使得1级衍射光斑的峰值以及光斑能量较强的中心部分的光强分布能够被成像器探测器CCD1准确地探测到，同时，0级衍射光斑能量较强的中心部分的光强分布在图像中已达到饱和状态，而0级衍射光斑能量较弱的周围部分的光强分布能够被成像探测器CCD1准确地探测到；适当调整光强的大小，选取光栅的分光比，成像探测器CCD1即能同时测量到0级和1级衍射光斑，且准确测量的区域具有互补性，从而通过相应的算法推算出真实的焦面光强分布信息；利用成像探测器CCD1探测到1级衍射光斑中能量较强区域的光强分布，根据光栅的分光比，则能够推算出0级衍射光斑中饱和区域内的实际光强分布；成像探测器CCD1的噪声对焦面位置处光强分布信息的影响较小，能够更加准确地测量到像面上那些容易被噪声淹没的离光斑中心较远且光强能量较弱的高频信息；同时，将成像探测器CCD2放置于具有一定离焦量的离焦面位置处，即能同时测量到离焦面的0级和1级衍射光斑，且准确测量的区域具有互补性，从而能够推算出真实的离焦面光强分布信息；利用成像探测器CCD2能够准确探测到1级衍射光斑中能量较强区域的光强分布，根据光栅的分光比，则能计算得到离焦面位置处光斑中心区域的光强分布信息，将计算得到的光强分布取代CCD2图像中0级衍射光斑中的饱和区域，综合0级衍射光斑中周围区域的光强分布信息，从而可以获得更为准确地离焦面位置处的光强分布信息。
根据成像探测器CCD1采集到的0级以及1级衍射光斑计算得到的焦面光强分布记为I，而根据成像探测器CCD2采集到的0级以及1级衍射光斑计算得到的离焦面光强分布记为I_def，由迭代算法复原得到畸变波前的信息。
根据本发明的另一方面，所述的衍射光栅分光取决于光栅的结构参数，光栅的结构能够按某一比例进行分光，但不改变相位分布；光栅的结构为正弦型振幅光栅或余弦型振幅光栅。
根据本发明的另一方面，所述的CCD成像探测器用于探测0级和1级衍射光斑，或任意级次的衍射光斑，只要满足能完整测量不少于两个衍射级次光斑的光强分布信息即可。
根据本发明的另一方面，所述的CCD成像探测器测量多个衍射级次的衍射光斑光强分布，这些衍射级次具有不同的分光比，最终根据测量得到的多个衍射光斑的光强分布以相应的算法推算得到所需的焦面和离焦面光强分布。
根据本发明的另一方面，所述的基于光栅的相位差波前传感器中，采用分光镜将入射光分成两束，并采用两个CCD成像探测器，即CCD1和CCD2分别测量透镜的焦平面位置以及具有一定离焦量的离焦平面位置上的光强分布；或者采用一个CCD成像探测器分别对透镜的焦平面以及相应的离焦平面的光强分布进行测量。
本发明有相对于现有技术，具有如下优点：
(1)相对于传统相位差波前传感器的光路结构，本发明在传统光路中增加了一个振幅光栅，在不明显增加***复杂性的前提下，提高了相位差法对畸变波前的检测能力。
(2)采用本发明的光路结构，只需在光路中增加一个光栅。光栅的结构参数可以根据实际需要来设计，并且可以根据实际情况的变化来灵活更换，在使用上较为灵活、方便。同时，该方法各单元技术均较为成熟，因此在应用上也较为可靠。
(3)相对于传统相位差波前传感器的光路结构，本发明的光路结构能够准确地的采集到焦面位置和离焦面位置光斑的光强分布信息。由于相位差波前传感器是是一种根据光强图像复原待测波前相位分布的间接波前检测方法，因此本发明的光路能够对较高空间频率的波前畸变进行更为准确的测量，在某些特殊应用领域，如光学***静态畸变波前、激光光束波前诊断、人眼像差测量、天文观测等，具有较大的潜在应用价值。
(4)在ICF装置中，***的静态畸变波前既包含有大幅度的低空间频率像差，又含有高空间频率像差，焦面位置和离焦面位置的光斑能量分布较为分散，畸变波前的检测难度较大。采用本发明的光路结构，由于大大增强了对探测光斑的细节分辨能力，因而能够准确地探测到由空间频率较高的畸变波前所引起的弥散光强分布，从而为更准确地检测光学***静态畸变波前提供了有效的手段和可靠的方法。这一点在传统相位差波前传感器的应用中，由于其在细节分辨能力上的欠缺，是无法完成的。
总之，本发明在传统相位差波前传感器的基础上，增加了一个起到分光作用的振幅型衍射光栅，保证了在不明显增加***复杂性的前提下，提高相位差法对畸变波前的探测能力。这种方法在结构上和使用上都较为灵活，各单元技术相对较为成熟，应用起来较为方便。在某些特殊应用场合，本发明提出的光路结构，由于具有更高的细节分辨能力，因此能够完成对高空间频率以及大动态范围的波前畸变的测量，在光学***静态畸变波前检测等领域具有较大的应用价值。
附图说明：
图1为光栅型相位差波前检测技术的原理示意图。
图2为相位差复原算法的流程图。
图3为光栅型相位差波前传感器采集的理想光束的光强分布图样。其中，图3(a)为焦面位置处的光强分布，图3(b)为离焦面位置处的光强分布。
图4为光栅型相位差波前传感器采集的含有像散光束的光强分布图样。其中，图4(a)为焦面位置处的光强分布，图4(b)为离焦面位置处的光强分布。
具体实施方式：
如图1所示，光栅型相位差波前传感器包括：光栅G，透镜L，分光镜BS，CCD成像探测器CCD1和CCD2，和计算机C。其中光栅G用于将入射光束分为强度不等、相位一致的多束光；透镜L主要用于会聚经光栅G调制后的光束；分光镜BS使会聚光束分别成像于CCD1和CCD2光敏面的不同探测区；并使用成像探测器CCD1和CCD2分别采集焦面和离焦面光强分布；最后，计算机***C主要用于采集CCD成像探测器CCD1和CCD2输出的图像数据，根据探测到的位于焦平面位置以及相应离焦平面位置处的衍射光斑光强分布信息推算得到实际的焦面和离焦面的光强分布，即将成像与不同区域的光斑按照光栅的分光比合成一个新的光斑，根据合成得到的新的焦面光强分布I和离焦面光强分布I_def，，并利用相应的波前相位复原算法，获得光学***的静态畸变波前信息。
畸变波前进入光栅型相位差波前传感器，光束垂直辐照于光栅G表面，经光栅G透射后畸变光束被调制为强度不等、相位分布相同的多束光。根据光栅的基本原理可知，理论上CCD成像探测器能够观测到多个衍射光斑，分别记为：...，-1级，0级，1级，...，其中沿入射传播方向的光束为0级衍射光束，这些不同级次的衍射光斑具有相同的波前相位分布，但各自的光强分布受到光栅的调制。各级衍射光束经透镜L成像于CCD光敏面，在焦平面位置处和离焦面位置处将形成一组形状相同但光强大小不同的光斑阵列。光栅衍射作用产生的多束光经分光镜BS分光后被分为两部分，一部分经过分光镜BS后，透射光束沿原方向继续向前传播，并最终成像于位于透镜焦平面位置处的成像探测器CCD1的光敏面上；另一部分经分光镜BS反射的光束，成像于位于透镜L后某一特定离焦位置处的成像探测器CCD2的光敏面上，并设该离焦位置处的离焦距离的大小为d。根据衍射光栅G对不同衍射级次光束的分光比，调节光源光强的衰减幅度，使得不同衍射级次的光强分布从饱和状态至不饱和状态逐级变化，使得不同衍射级次的光斑有不同的准确探测区域，最终实现对光斑光强分布的细节进行完整测量。设光栅G对0级衍射光斑和1级衍射光斑的分光比为η，该值大小与光栅结构参数有关，可以根据实际的需求进行设计。在实际***中，可以根据光栅对不同衍射级次光斑的分光比η，应用相应的算法，将成像探测器CCD1或CCD2采集到的不同衍射级次的光斑，按照分光比η进行图像拼接，从而获得焦面和离焦面单个成像光斑的光强分布。具体做法是：将成像探测器CCD1拍摄的焦面光强分布图像中的±1级衍射光斑的光强分布相加，再乘以系数η/2得到新的光强分布信息，记为I1，并将0级衍射光斑的光强分布I0的饱和部分用I1相应位置的光强分布信息替代，得到合成的焦面光强分布I。原本超过成像探测器CCD1探测范围的光强分布信息，就能够从经光栅分束后的衍射光斑中推算出来了，从而有效地扩展了成像探测器CCD1对光强分布测量的动态范围，同时也大大降低了由于成像探测器CCD1光强敏感度、输出图像的噪声分布等因素对相位差波前传感器检测精度的影响。同样的方法可以根据CCD2的光强分布图像获得合成的离焦面光强分布I_def。
设待测畸变光束的振幅分布为p(r)，含有畸变的波前相位记为
根据傅里叶光学原理成像公式可知，待测相位
与焦面光强分布I、离焦面光强分布I_def之间的数学关系如下：
公式(1)中为成像探测器CCD2所在位置处(距离透镜L焦面位置距离为d)的离焦像差的相位分布，表示傅里叶变换，i为虚数单位，p(r)为光瞳面振幅分布函数，I和I_def分别表示焦平面处和离焦平面处光强分布函数。的光栅型相位差波前传感器根据成像公式(1)以及合成的焦面光强分布I和离焦面光强分布I_def，由迭代算法可复原得到待测波前的信息。具体算法流程图如图2所示。
图2中FT和I-FT分别表示傅里叶变换以及傅里叶逆变换，I和Id分别表示焦面和离焦面的光强分布；
为成像探测器CCD2所在位置处(距离透镜L焦面位置距离为d)的离焦像差的相位分布。算法迭代从左上方出发，当k＝1时，相位分布选用初始值
通常可设为零或随机分布值。流程图详细描述了算法的第k次迭代过程，其中
为第k次迭代的相位分布，|Uk|和Φk分别表示经傅里叶变换后焦面位置的光场振幅分布和相位分布，和
分别表示离焦面位置的光场振幅分布和相位分布，qk，
和
分别表示基于焦面和离焦面光强分布函数进行傅里叶逆变换得到的光瞳面的振幅分布和相位分布。迭代算法跳出的判断依据为傅里叶变换得到的像面振幅分布与实测振幅分布之差，若两者之差E小于预先设定的阈值M，则迭代停止，即为待测畸变波前。
本发明中，首先，光栅G将入射光束分为强度不等、波前相位分布相同的多束光。然后，透镜L和分光镜BS将经光栅G分光后的光束分别成像于焦平面位置和具有一定离焦距离的离焦平面位置，并使用成像探测器CCD1和CCD2分别采集这两个平面的衍射光斑的光强分布信息。最后，计算机***C根据探测到的位于焦平面位置以及相应离焦平面位置处的衍射光斑光强分布信息推算得到实际的焦面和离焦面的光强分布，并利用相应的波前相位复原算法获得待测畸变波前的相位信息。在相位差算法中，焦面光强分布以及相应离焦面光强分布的准确测量，是波前相位能够被精确反演的关键所在。采用基于光栅的相位差光路结构，不仅能够准确地测量光斑中心的光强分布，对传统相机难以测量的高频光强分布也能够准确探测，从而极大地改善了相位差波前传感器对待测波前的空间高频信息的复原能力和检测精度。
图3(a)和图3(b)为无畸变波前时，CCD成像探测器CCD1和CCD2采集到的焦面光斑分布和离焦面光斑分布，图4(a)和图4(b)为入射光束含有RMS值为0.15个波长大小的像散时，CCD成像探测器CCD1和CCD2采集到的焦面光斑分布和离焦面光斑分布。图3，图4图像中的三个光斑分别为经光栅衍射后的0级和±1级衍射光强分布，其中CCD成像探测器输出图像的中心衍射图样为0级衍射光强分布，左右两侧的衍射图样为±1级衍射光强分布。
Claims (5)
1.一种基于光栅的相位差波前传感器，其特征在于包括：光栅G，透镜L，分光镜BS，CCD成像探测器CCD1和CCD2、计算机***C；光栅G放置于透镜前，含有波前畸变的平行光束垂直辐照于光栅G表面，经光栅G透射后光束被调制为强度不等、相位一致的多束光，随后光束经透镜L聚焦和分光镜BS分光后，被分为两部分，一部分经过分光镜BS后，透射光束沿原方向继续向前传播，并最终成像于位于透镜L焦平面位置处的成像探测器CCD 1的光敏面上；另一部分经分光镜BS反射的光束，成像于位于透镜L后某一特定离焦位置处的成像探测器CCD2的光敏面上，并设该离焦位置处的离焦距离的大小为d；成像探测器CCD1和CCD2分别测量得到位于透镜L焦平面位置和具有一定离焦距离的平面上的光强分布，将光栅G的0级衍射光斑与1级衍射光斑强度之比记为η，假定0级衍射光斑具有较高的分光比，则η>1；对于1级衍射光斑而言，由于其所包含的能量较弱，选取性能参数合适的成像探测器，即能够使得1级衍射光斑的峰值以及光斑能量较强的中心部分的光强分布能够被成像探测器CCD1准确地探测到，同时，0级衍射光斑能量较强的中心部分的光强分布在图像中已达到饱和状态，而0级衍射光斑能量较弱的周围部分的光强分布能够被成像探测器CCD1准确地探测到；适当调整光强的大小，选取光栅G的分光比，成像探测器CCD1即能同时测量到0级和1级衍射光斑，且准确测量的区域具有互补性，从而通过相应的算法推算出真实的焦面光强分布信息；利用成像探测器CCD 1探测到1级衍射光斑中能量较强区域的光强分布，根据光栅G的分光比，则能够推算出0级衍射光斑中饱和区域内的实际光强分布；成像探测器CCD1的噪声对焦面位置处光强分布信息的影响较小，能够更加准确地测量到像面上那些容易被噪声淹没的离光斑中心较远且光强能量较弱的高频信息；同时，将成像探测器CCD2放置于具有一定离焦量的离焦面位置处，即能同时测量到离焦面的0级和1级衍射光斑，且准确测量的区域具有互补性，从而能够推算出真实的离焦面光强分布信息；利用成像探测器CCD2能够准确探测到1级衍射光斑中能量较强区域的光强分布，根据光栅G的分光比，则能计算得到离焦面位置处光斑中心区域的光强分布信息，将计算得到的光强分布取代成像探测器CCD2图像中0级衍射光斑中的饱和区域，综合0级衍射光斑中周围区域的光强分布信息，从而获得更准确地离焦面位置处的光强分布信息；
根据成像探测器CCD1采集到的0级以及1级衍射光斑计算得到的焦面光强分布记为I，而根据成像探测器CCD2采集到的0级以及1级衍射光斑计算得到的离焦面光强分布记为I_def，由迭代算法复原得到畸变波前的信息。
2.根据权利要求1所述的基于光栅的相位差波前传感器，其特征在于：所述的光栅G分光取决于光栅的结构参数，光栅的结构能够按某一比例进行分光，但不改变相位分布；光栅的结构为正弦型振幅光栅或余弦型振幅光栅。
3.根据权利要求1所述的基于光栅的相位差波前传感器，其特征在于：所述的CCD成像探测器用于探测任意级次的衍射光斑，只要满足能完整测量不少于两个衍射级次光斑的光强分布信息即可。
4.根据权利要求1所述的基于光栅的相位差波前传感器，其特征在于：所述的CCD成像探测器测量多个衍射级次的衍射光斑光强分布，这些衍射级次具有不同的分光比，最终根据测量得到的多个衍射光斑的光强分布以相应的算法推算得到所需的焦面和离焦面光强分布。
5.根据权利要求1所述的基于光栅的相位差波前传感器，其特征在于：所述的基于光栅的相位差波前传感器中，采用分光镜将入射光分成两束，并采用两个CCD成像探测器，即CCD1和CCD2分别测量透镜的焦平面位置以及具有一定离焦量的离焦平面位置上的光强分布。
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