CN110375964A - 一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置及检测方法 - Google Patents

一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扩展奈波尔‑泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置，其包括依次设置的点光源、半透半反镜、待测透镜、平面反射镜、图像传感器，该方法将待测元件的波前误差使用泽尼克多项式表征，并基于扩展奈波尔‑泽尼克衍射理论求解泽尼克多项式系数。该方法能够实现大口径光学元件的一次性全口径波前误差测量，并且能够使用部分过曝图像实现波前误差的精准复原，同时克服了图像传感器采集图像时，由于有限的动态范围带来的不过曝与高信噪比之间的矛盾。该检测实验装置简单，对实验环境要求不高，该方法快速简单，相比于传统迭代相位恢复方法的计算量小，检测精度高，抗噪性能强。

Description

一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差 检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置及检测方法。
背景技术
随着各国将惯性约束核聚变固体激光驱动器作为其战略发展目标，惯性约束核聚变高功率激光装置已成为一个国家综合国力的重要评价指标。激光波前畸变的研究与控制是激光惯性约束核聚变驱动***研制过程很重要的一项内容。激光波前畸变直接影响光束的性能，影响***对轰击靶丸的均匀性，因此研究波前畸变检测在惯性约束核聚变中具有重要的应用价值。惯性约束核聚变驱动***中包含几千块大口径光学透镜，这些大口径透镜的面形质量的好坏直接影响驱动***的聚焦性能。由于大口径光学透镜本身的表面缺陷和加工工具研磨过程中留下的加工误差，由大口径光学透镜出射的波前不再是理想波前，且存在波前误差，波前误差根据其频率特性分为低频、中频和高频误差，其中低频误差主要影响焦斑形状，影响轰击靶丸的均匀性，中频误差会降低可会聚功率会造成光学元件丝状破坏，高频误差由于其造成的散射角度较大不会对聚变***造成影响，但是会降低薄膜的损伤阈值。因此对大口径光学透镜中低频误差进行检测控制成为提高强激光会聚激光性能的关键。
传统的波前误差检测方法如坐标测量法、刀口仪检测法、哈特曼波前传感器法、干涉检测法。坐标检测法虽可以实现在位检测，但分辨率较低，检测精度通常在1μm左右；刀口仪检测法虽灵敏度高，但却无法实现定量检测。哈特曼波前传感器法使用方便，但其精度和分辨率有待提高。干涉检测法，强度高，测量重复性好，成为目前主流的波前检测方法，但是干涉测量对环境要求较高，对振动和空气扰动比较敏感，在测量大口径光学透镜时，分辨率不高和量程不足成为亟待需要解决的问题。自上世纪九十年代相位恢复技术成功对哈勃望远镜像差的测量之后，相位恢复方法被大量研究。传统相位恢复方法是通过傅里叶变换的方法使用在焦面或者离焦位置采集的衍射光斑反推相位分布的方法。其实验装置较为简单，且抗振动能力强，可实现在位检测。但在对大口径光学透镜测量时，由于受分辨率和采样数的限制，需要使用子孔径拼接的方法进行波前测量。子孔径拼接的方法操作复杂且子孔径的位置误差会引入波前测量误差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置及检测方法，以解决传统的迭代相位恢复方法在测量大口径光学透镜波前误差时由于使用子孔径拼接方法造成的检测误差、采样数高造成计算量大的问题、以及离焦位置精确确定难度大等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置，其特征在于，该装置包括点光源、半透半反镜、待测透镜、平面反射镜、图像传感器，所述的半透半反镜倾斜度位于所述的点光源之后，所述的待测透镜、平面反射镜依次设置在所述的点光源之后，且所述的点光源、半透半反镜、待测透镜、平面反射镜共光轴，所述的待测透镜的前焦点位于点光源处，所述的图像传感器位于半透半反镜的反射光的光路上，且位于待测透镜的离焦位置处，所述的图像传感器还与所述的半透半反镜反射光共光轴。
进一步地，所述点光源为球面干涉仪发出的球面波。
进一步地，所述的图像传感器为CCD相机。
一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测方法，其特征在于，该方法基于上述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤：
S1：所述的点光源发出球面波，所述的球面波经所述的待测透镜准直、所述的平面反射镜反射、所述的半透半反镜反射后，由所述的图像传感器采集含有待测透镜波前误差的离焦光强图；
S2：采用基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化的相位恢复方法，对S1采集到的离焦光强图进行相位恢复，获得被测透镜的波前误差。
进一步地，所述的S2具体步骤如下：
S2.1：将所述的S1获得的Im'作为扩展奈波尔-泽尼克模式后续迭代的离焦光强图的初值，设置所述的图像传感器初始离焦位置z0，设置去除交叉项迭代总数K及其初始迭代次数k＝1、离焦位置迭代总数N及其初始迭代次数n＝1、待测透镜的口径、扩展奈波尔-泽尼克衍射模式交叉项的初始值以及泽尼克多项式的项数；
S2.2：计算泽尼克多项式系数求解方程组的模式梯度矩阵的每个元素，从而得到泽尼克多项式系数求解方程组的模式梯度矩阵V；
S2.3：移除离焦光强图Im'的过曝像素点，并移除模式梯度矩阵V对应行的元素；
S2.4：采用最小二乘法求得泽尼克多项式的系数矩阵A；
S2.5：计算交叉项Ic；
S2.6：从离焦光强图Im'移除交叉项Ic；
S2.7：判断迭代次数k是否大于K，否，则令k＝k+1返回S2.3；是，则进行下一步；
S2.8：判断迭代次数n是否大于N，否，计算离焦量的修正值，并用离焦量当前值减去修正值作为下一步迭代的离焦量，令n＝n+1，返回S2.2；是，则使用得到的泽尼克系数拟合待测透镜的波前相误差，并得到图像传感器所处的真实离焦位置。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置只需要采集一幅离焦光强图，即可实现大口径光学透镜一次性全口径测量。采用本发明的检测装置及检测方法可以不需要精确测量离焦位置，通过迭代优化算法即可实现离焦位置的精准确定，本发明可以使用部分过曝图像实现波前误差的精确测量。
附图说明
图1是本发明的波前误差检测装置的示意图；
图2是基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复波前误差检测的流程示意图；
图中，点光源1、半透半反镜2、待测透镜3、平面反射镜4、图像传感器5。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置，其包括点光源1、半透半反镜2、待测透镜3、平面反射镜4、图像传感器5，所述的半透半反镜2倾斜45度位于所述的点光源1之后，所述的待测透镜3、平面反射镜4依次设置在所述的点光源1之后，且所述的点光源1、半透半反镜2、待测透镜3、平面反射镜4共光轴，所述的待测透镜3的前焦点位于点光源1处，所述的图像传感器5位于半透半反镜2的反射光的光路上，且位于待测透镜3的离焦位置处，所述的图像传感器5还与所述的半透半反镜2反射光共光轴。该检测装置中，半透半反镜2用来分光实现干涉仪与相位恢复方法的同时测量；平面反射镜4将发射过来的光波反射实现光波的原路返回。
作为其中一种实施方式，点光源1为球面干涉仪发出的波长为632.8nm球面波。
作为其中一种实施方式，所述的图像传感器5为CCD相机，用于采集光斑图像。
一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测方法，该方法基于权利要求1所述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤(如图2所示)：
S1：所述的点光源1发出球面波，所述的球面波经所述的待测透镜3准直、所述的平面反射镜4反射、所述的半透半反镜2反射后，由所述的图像传感器5采集含有待测透镜3波前误差的离焦光强图；
S2：采用基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化的相位恢复方法，对S1采集到的离焦光强图进行相位恢复，获得被测透镜的波前误差。
S2.1：将所述的S1获得的Im'作为扩展奈波尔-泽尼克模式后续迭代的离焦光强图的初值，设置所述的图像传感器5初始离焦位置z0，设置去除交叉项迭代总数K及其初始迭代次数k＝1、离焦位置迭代总数N及其初始迭代次数n＝1、待测透镜3的口径、扩展奈波尔-泽尼克衍射模式的交叉项的初始值以及泽尼克多项式的项数；
S2.2：计算泽尼克多项式系数求解方程组的模式梯度矩阵的每个元素，从而得到泽尼克多项式系数求解方程组的模式梯度矩阵V；
其中，
其中，(x,y)表示像面坐标，f为离焦量，为扩展奈波尔-泽尼克理论的内核，均为中间变量，i为虚数，为像面角频率,Re表示取实部，Im表示取虚部；
S2.3：移除离焦光强图Im'的过曝像素点，并移除模式梯度矩阵V对应行的元素；
S2.4：采用最小二乘法求得泽尼克多项式的系数矩阵A；
I(k)＝Vnm×A(k)
S2.5：计算交叉项Ic；
其中，为系数矩阵A的元素；
S2.6：从离焦光强图Im'移除交叉项Ic；
Im'＝Im'-Ic
S2.7：判断迭代次数k是否大于K，否，则令k＝k+1返回S2.3；是，则进行下一步；
S2.8：判断迭代次数n是否大于N，否，计算离焦量的修正值，并用离焦量当前值减去修正值作为下一步迭代的离焦量，令n＝n+1，返回S2.2；是，则使用得到的泽尼克系数拟合待测透镜3的波前相位误差U，并得到图像传感器5所处的真实离焦位置
其中，代表泽尼克多项式，代表系数矩阵A中的元素。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置，其特征在于，该装置包括点光源(1)、半透半反镜(2)、待测透镜(3)、平面反射镜(4)、图像传感器(5)，所述的半透半反镜(2)倾斜45度位于所述的点光源(1)之后，所述的待测透镜(3)、平面反射镜(4)依次设置在所述的点光源(1)之后，且所述的点光源(1)、半透半反镜(2)、待测透镜(3)、平面反射镜(4)共光轴，所述的待测透镜(3)的前焦点位于点光源(1)处，所述的图像传感器(5)位于半透半反镜(2)的反射光的光路上，且位于待测透镜(3)的离焦位置处，所述的图像传感器(5)还与所述的半透半反镜(2)反射光共光轴。
2.根据权利要求1所述的基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测装置，其特征在于，所述点光源(1)为球面干涉仪发出的球面波。
3.根据权利要求1所述的基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化的相位恢复波前误差检测装置，其特征在于，所述的图像传感器(5)为CCD相机。
4.一种基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化相位恢复的波前误差检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤：
S1：所述的点光源(1)发出球面波，所述的球面波经所述的待测透镜(3)准直、所述的平面反射镜(4)反射、所述的半透半反镜(2)反射后，由所述的图像传感器(5)采集含有待测透镜(3)波前误差的离焦光强图。
S2：采用基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化的相位恢复方法，对S1采集到的离焦光强图进行相位恢复，获得被测透镜的波前误差。
5.根据权利要求4所述的基于扩展奈波尔-泽尼克模式优化的相位恢复检测方法，其特征在于，所述的S2具体步骤如下：
S2.1：将所述的S1获得的Im'作为扩展奈波尔-泽尼克模式后续迭代的离焦光强图的初值，设置所述的图像传感器(5)初始离焦位置z0，设置去除交叉项迭代总数K及其初始迭代次数k＝1、离焦位置迭代总数N及其初始迭代次数n＝1、待测透镜(3)的口径、扩展奈波尔-泽尼克衍射模式的交叉项的初始值以及泽尼克多项式的项数；
S2.2：计算泽尼克多项式系数求解方程组的模式梯度矩阵的每个元素，从而得到泽尼克多项式系数求解方程组的模式梯度矩阵V；
S2.3：移除离焦光强图Im'的过曝像素点，并移除模式梯度矩阵V对应行的元素；
S2.4：采用最小二乘法求得泽尼克多项式的系数矩阵A；
S2.5：计算交叉项Ic；
S2.6：从离焦光强图Im'移除交叉项Ic；
S2.7：判断迭代次数k是否大于K，否，则令k＝k+1并返回S2.3；是，则进行下一步；
S2.8：判断迭代次数n是否大于N，否，计算离焦量的修正值，并用离焦量当前值减去修正值作为下一步迭代的离焦量，令n＝n+1，返回S2.2；是，则使用得到的泽尼克系数拟合待测透镜(3)的波前相位误差，并得到图像传感器(5)所处的真实离焦位置。
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