[发明专利]基于差分传感器的波前检测和重构方法

说明书

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；(2)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0.2λ的情况，且对噪声十分敏感。

世界专利WO2009/058747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US2006/0175528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。

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Zernike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Zernike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(3)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L1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CCD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(2)确定的模式及模式阶数对Dr进行分解。