CN114295327B - 基于远心成像***的光学***透射波前测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于远心成像***的光学***透射波前测量方法及装置，将显示器显示的结构光编码信息通过待测光学***入射至远心成像***，由远心成像***后的相机采集并解码，最终获得相机每个像素接收到的投射自屏幕的光线在经过待测光学***前的空间分布；根据所述空间分布，通过光线逆追迹，计算由远心成像***发出的平行光经过待测光学***导致的光线偏折角度；利用区域波前重构算法对所述光线偏折角度进行积分，即可得到待测光学***的透射波前。本发明方法适用于光学***的透射波前测量，尤其可获得有焦与无焦光学***的波前像差。特别地，针对有焦光学***，其不需要将光学***的焦点与相机成像***光心重合。
Description
技术领域
本发明属于光学***透射波前测量领域，尤其涉及基于远心成像***的光学***透射波前测量方法及装置。
背景技术
目前已有许多对光学***波前的测量方法。其中，利用剪切干涉仪可以通过干涉计量完成待测光学***波前***的解算，然而其测量结构需要相干照明，波前测量动态范围小。Shack-Hartmann波前传感器具有较大的波前测量动态范围，然而其核心器件是位于探测器之前的微透镜阵列，微透镜阵列的参数不仅影响测量***的横向分辨率，还影响测量***的曲率测量范围，且二者之间相互矛盾，不能同时得到高横向分辨率和高曲率测量范围的测量***。
刘元坤等(苏显渝,吴庆阳.基于主动条纹偏折术的透明相位物体波前测量方法[J].中国激光,2007,34(4):4.)提出一种基于液晶屏的主动式透射相位偏折术用于测量光学***波前。徐平等(王道档,解钟敏,等.基于相位偏折术的大像差透射波前检测[J].仪器仪表学报,2018,39(9):7.)利用透射式相位偏折术应用于大动态范围的波前测量。赖恒等(李大海,高锦瑞,等.基于相位测量偏折术的透镜波像差检测方法[J].光学与光电技术,2021,19(3):8.)对比分析了在相位测量偏折术中两种透射波前的重建方法。CN202010460674公开了一种在相位偏折术中，通过在待测光学***与屏幕间引入准直透镜，来对条纹光进行准直，减小因光发散而引起的结构光畸变。
然而上述现有基于液晶屏幕的光学***透射波前测量方法，在对有焦光学***的透射波前进行测量过程中，需要将有焦光学***的焦点与相机小孔成像模型的光心重合，这样才能获得待测有焦光学***的透射波前和波前像差，这极大增大了测量过程的难度。并且无法对无焦光学***的透射波前和波前像差进行测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于远心成像***的光学***透射波前测量方法及装置，在有焦光学***透射波前测量过程中不需要将其焦点与光心重合的，同时能够对无焦光学***透射波前进行测量的利用液晶屏的透射式相位偏折***。
实现本发明目的技术方案为：
一种基于远心成像***的光学***透射波前测量方法，包括以下步骤：
(1)搭建测量装置，对测量装置进行标定和位置调试；
(2)通过在若干位置设置显示器，显示器显示的结构光编码信息经过待测光学***入射至远心成像***，并被远心成像***后的相机采集并解码，最终获得相机每个像素接收到的投射自屏幕的光线在经过待测光学***前的空间分布；
(3)根据步骤(2)获得的相机每个像素接收到的来自屏幕的光线在经过待测光学***前的空间分布，通过光线逆追迹，计算由远心成像***发出的平行光经过待测光学***导致的光线偏折角度；
(4)利用区域波前重构算法对步骤(3)获得的光线偏折角度进行积分，即可最终得到待测光学***的透射波前。
进一步，液晶显示器投射的结构光编码信息可以是相移正弦条纹、格雷码二进制条纹、莫尔条纹。
进一步，步骤(2)对液晶显示器投射的结构光编码信息的解码算法可以是相移法与相位解包裹算法。
一种基于远心成像***的光学***透射波前测量装置，包括用于在不同位置向待测光学***投射结构光编码信息的液晶显示器，用于约束仅有平行光射入该远心成像***并在相机上成像远心成像***，用于采集经待测光学***调制的结构光编码信息的相机，以及分别与液晶显示器、相机连接，用于控制液晶显示器及相机，并进行计算以获得测量结果的计算机。
液晶显示器在不同位置向待测光学***投射结构光编码信息，并经待测光学***调制并射入相机前的远心成像***，并最终在相机靶面上成像。
进一步，在不同位置投射结构光编码信息的液晶显示器，可以通过位移机构移动一个液晶显示器实现、或通过两个液晶显示器与半透半反镜来实现。
其中，液晶显示器可以是采用发光二极管/发光灯珠/投影仪作为背光的液晶显示器、或采用有机发光二极管自发光的液晶显示器。
进一步，液晶显示器背光可以是可见光、紫外光、红外光。
进一步，液晶显示器可以为平面结构，也可以是具有面形的曲面结构。
相机前的远心成像***可以是光学元件皆为透镜的透射式远心成像***，或光学元件皆为反射镜的反射式远心成像***，或光学元件由透镜与反射镜共同组成的折反射式远心成像***。
本发明的优点和有益效果：
1、引入远心成像***。充分利用远心成像***只有平行光可以入射进该远心成像***的特性，大大简化了有焦光学***在透射波前测量中的位姿调整过程。在非远心成像***中，屏幕发出的平面波前经有焦光学***调制后的球面波前的球心，需要与非远心成像***光心重合。而在远心成像***中，仅需要屏幕发出的球面波前经有焦光学***调制后的平面波前射入远心成像***。避免了在使用非远心成像***对有焦光学***透射波前的测量过程中，需要将被测光学***焦点与非远心成像***近似光心调整至重合的严苛要求。
2、不仅能对有焦光学***透射波前进行测量，而且能对无焦光学***透射波前进行测量。屏幕发出的平面波前经有焦光学***调制后的波前仍为平面波前。非远心成像***无法正确接收平面波前，而远心成像***可以。因此可以对无焦光学***的透射波前进行正确测量。
3、本发明提供的基于远心成像***的光学***透射波前测量装置及方法，具有新颖性、可行性、易用性、通用性。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图；
图2为入射远心成像***光线标定原理示意图；
图3为有焦光学***透射波前测量原理示意图；
图4为有焦光学***透射波前测量结果示意图；
图5为有焦光学***透射波前像差测量结果示意图；
图6为无焦光学***透射波前测量原理示意图；
图7为无焦光学***透射波前与透射波前像差测量结果示意图；
图中：1为相机，2为远心镜头，3为液晶显示器，4为电控直线滑台，5为计算机，6为待测光学***。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于远心成像***的光学***透射波前测量装置，如图1所示，包含一台连接相机1、一台24英寸白光平面液晶显示器3和一台位置反馈分辨率为0.25微米的电控直线滑台4的计算机5、一枚通过标准C接口紧固在相机1上的远心镜头2。待测光学***6放置在远心镜头2与液晶显示器3之间。其中，液晶显示器3通过机械结构固定在电控直线滑台4上；计算机5控制带反馈的电控直线滑台4用来将液晶显示器3移动至不同位置，并在液晶显示器3上投射相移正弦条纹，进而控制相机1采集液晶显示器3在不同位置下，投射的正弦条文信息经待测光学***6调制后的正弦条纹信息，最终计算测量结果。
采用上述基于远心成像***的光学***透射波前测量方法，具体步骤如下：
(1)搭建测量装置：
将计算机5与相机1、液晶显示器3和电控直线滑台4连接。将液晶显示器3通过机械结构刚性固定在电控直线滑台4上。将远心镜头2通过标准C接口紧固在相机1上。
(2)对搭建的测量装置进行标定：
为了实现对待测光学***6透射波前的测量，需要对射入远心镜头2的光线在物理空间中的分布情况进行标定。以液晶显示器3的水平方向作为物理空间的x轴，以液晶显示器3的竖直方向作为物理空间的y轴，以电控直线滑台4的运动方向作为物理空间的z轴。以当电控直线滑台4位置反馈为0，液晶显示器3的第一行第一列像元中心设置为物理空间坐标原点O。x，y，z三轴的正交性由三坐标测量机校正。入射远心成像***光线的标定，可由在不放入待测光学***的情况下，将电控直线滑台4带着液晶显示器3移动至两个位置完成。标定原理图如图2，液晶显示器在两个位置上，分别显示相移正弦条纹。入射至远心镜头2的光线在相机1上成像，使用《Huntley J M,Saldner H.Temporal phase-unwrappingalgorithm for automated interferogram analysis[J].Applied Optics,1993,32(17):3047-3052.》中的时间相位解包裹算法，获得相机每个像素x对应拍摄到的液晶显示器像元X的位置。
本实施例根据时间相位解包裹算法，在液晶显示器3上投影1至10共10组单频率条纹I1(x)，其中每组条纹通过如公式(1)中的四步相移法求解包裹在[-π,+π)之间的包裹相位φ(x)：
其中，n为相移步数。
相机每个像素x对应拍摄到的液晶显示器3像元X的位置关系可在对包裹相位φ(x)进行解包裹后的绝对相位中获得，绝对相位/>与包裹相位φ(x)的关系如下：
为了获得公式(2)中的系数k(x)，利用不同组频率条纹之间的相位关系，定义频率t下绝对相位与包裹相位φ(x,t)的关系如下：
则第10组频率下屏幕像元X的位置与其对应的相机每个像素x的关系f(x)可由公式(4)计算得到：
其中，系数ν(x,10)可由公式(5)计算，其中round(·)表示对小数进行四舍五入取整：
相位解包裹算法获得的屏幕x与y方向上的绝对相位坐标信息及电控直线滑台4反馈的液晶显示器3在两个位置的z值信息，可以确定入射至远心镜头2的光线在坐标系下的分布情况。
(3)将有焦待测光学***6放置在远心镜头2与液晶显示器3之间。调整待测待测光学***6，使其光轴尽可能与入射至远心镜头2的光线平行。
(4)将电控直线滑台4带着液晶显示器3移动至两个位置，并投射相移正弦条纹。依旧使用步骤(2)的相位解包裹算法，相位解包裹算法获得的屏幕x与y方向上的绝对相位坐标信息及电控直线滑台4反馈的液晶显示器3在两个位置的z值信息，可以确定入射待测光学***6的光线分布情况
(5)如图3，求取相机1每个像素(u,v)对应的液晶显示器3入射至待测光学***6的光线与后续穿过待测光学***6并射入远心镜头2的光线夹角θ(u,v)。
(6)夹角θ(u,v)在u与v方向的分量分别为θu(u,v)与θv(u,v)，光学***波前W(u,v)在u与v两个方向的斜率等于两个方向夹角的正切值，其关系如公式(6)与公式(7)。
进而对波前在两个方向的斜率进行数值积分，即可获得该待测光学***6的透射波前。获得的透射波前如图4。由于该待测光学***6是有焦***，将图4中的透射波前中的平移项、倾斜项、球差项去除后所得的透射波前像差如图5所示。
将待测光学***6更换为无焦光学***，其测量原理图如图6所示。该无焦光学***的透射波前测量方法如前。对于无焦光学***，其测量所得的结果既是透射波前，也是透射波前像差。无焦光学***透射波前测量结果如图7所示。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于远心成像***的光学***透射波前测量方法，其特征在于：将显示器显示的结构光编码信息通过待测光学***入射至远心成像***，由远心成像***后的相机采集并解码，最终获得相机每个像素接收到的投射自屏幕的光线在经过待测光学***前的空间分布；根据所述空间分布，通过光线逆追迹，计算由远心成像***发出的平行光经过待测光学***导致的光线偏折角度；利用区域波前重构算法对所述光线偏折角度进行积分，即可得到待测光学***的透射波前。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结构光编码信息为相移正弦条纹或格雷码二进制条纹或莫尔条纹。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述解码采用相移法与相位解包裹算法。
4.一种实现权利要求1～3任一权利要求所述方法的装置，其特征在于：包括：
显示器、所述显示器在不同位置向待测光学***投射结构光编码信息；
远心成像***、所述远心成像***约束仅有平行光射入该远心成像***并在相机上成像；
相机、所述相机采集经待测光学***调制的结构光编码信息；
计算机、所述计算机分别与显示器以及相机连接，所述计算机控制显示器及相机，并进行计算以获得测量结果。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述显示器为液晶显示器或映象管显示器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述液晶显示器为采用发光二极管或发光灯珠或投影仪作为背光的液晶显示器、或采用有机发光二极管自发光的液晶显示器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述液晶显示器背光为可见光或紫外光或红外光。
8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述液晶显示器为平面结构或具有面形的曲面结构。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述不同位置通过位移机构移动一个显示器实现、或通过两个显示器与半透半反镜实现。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述远心成像***为光学元件皆为透镜的透射式远心成像***，或光学元件皆为反射镜的反射式远心成像***，或光学元件由透镜与反射镜共同组成的折反射式远心成像***。
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