一种基于计算全息的波前像差测量方法

技术特征：
1.一种基于计算全息的波前像差测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、待测波前相位分解：将待测波前相位分解为n阶lukosz模式，每一阶lukosz模式代表一种像差成分，如式(1)所示：其中，(x,y)为光瞳面坐标，l
n
(x,y)表示第n阶lukosz模式，q
n
表示第n阶lukosz模式的系数；步骤二、构建计算全息图：构建第一种计算全息图u1，第一种计算全息图包含n阶lukosz模式，如式(2)所示：其中，b
n
为偏置系数，j为虚数单位，与为倾斜相位；倾斜相位使第n阶lukosz模式l
n
(x,y)所对应的焦面光斑平移到指定位置，平移后的光斑中心坐标(u
n
,v
n
)如式(3)所示：其中，λ为光波波长，f为光学系统焦距；构建第二种计算全息图u2，第二种计算全息图包含n阶lukosz模式，如式(4)所示：其中，s∈[1,n]；步骤三、获取相息图：计算全息图u1以及计算全息图u2采用相息图编码方式，相息图只保留计算全息图u1以及计算全息图u2的相位部分，将其振幅部分置为常数1；由计算全息图u1以及计算全息图u2编码得到的相息图u
k1
以及相息图u
k2
分别如式(5)以及(6)所示：u
k1
(x,y)＝arg[u1(x,y)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)u
k2
(x,y)＝arg[u2(x,y)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，arg[]表示取相位部分；步骤四、相息图优化：相息图u
k1
以及相息图u
k2
只保留计算全息图u1以及计算全息图u2的相位部分，像面重建图像会产生散斑噪声，造成重建图像质量降低，影响波前传感精度，以相息图重建图像的峰值信噪比(psnr)作为评价函数，如式(7)所示，对相息图进行优化；
其中，i
c
和i
k
分别表示计算全息图以及相息图重建的焦面强度分布，表示图像灰度最大值，mse{}表示均方误差；优化变量包括：偏置系数b1～b
n
、倾斜相位以及计算全息编码的总模式数n；psnr值越大，表示相息图与构建的计算全息图的重建图像越接近；步骤五、应用相息图调制入射波前：入射波前经过计算全息图u1调制后，光学系统焦面上产生n 1个光斑，第n阶lukosz模式l
n
(x,y)对应的光斑强度i
n
(u,v)如式(8)所示：其中，表示傅里叶变换，(u,v)为焦面坐标；倾斜相位对应的焦面光斑强度i0(u,v)，如式(9)所示：入射波前经过计算全息图u2调制后，光学系统焦面上同样产生n 1个光斑，第n阶lukosz模式l
n
(x,y)对应的光斑强度i
n
(u,v)同样如式(8)所示，偏置系数为-b
s
的第s阶lukosz模式l
s
(x,y)对应的光斑强度i
s-(u,v)如式(10)所示：步骤六、光学系统标定：根据使用的相息图类型，光学系统标定步骤分为两种情况：若使用相息图u
k1
，输入一个包含已知像差模式系数的波前，经过相息图u
k1
调制后，在光学系统焦面上产生n 1个光斑，分别为i0、i1～i
n
；相息图u
k1
对应的标定参数c1～c
n
如式(11)所示：其中，a
n
为输入波前的第n阶像差模式系数，(u,v)表示焦面直角坐标，r为积分半径；若使用相息图u
k2
，输入一个包含已知像差模式系数的波前，经过相息图u
k2
调制后，在光学系统焦面上同样产生n 1个光斑，分别为i
s-、i1～i
n
；c1～c
n
中的某一项c
s
如式(12)所示：其中，a
s
为a1～a
n
中的某一项；光斑i0的二阶矩如式(13)所示：
进一步的，通过式(11)确定相息图u
k2
对应的标定参数c1～c
n
；步骤七、待测波前传感：根据使用的相息图类型，分为两种情况：若使用相息图u
k1
，待测波前φ经过相息图u
k1
调制，在光学系统焦面上产生n 1个光斑，分别为i0、i1～i
n
；待测波前φ所包含的n阶像差模式系数q1～q
n
如式(14)所示：若使用相息图u
k2
，输入波前φ经过相息图u
k2
调制，在光学系统焦面上同样产生n 1个光斑，分别为i
s-，i1～i
n
；根据式(13)确定光斑i0的二阶矩，再根据式(14)确定波前φ所包含的n阶像差模式系数q1～q
n
；步骤八、待测波前重构：根据步骤七所得像差系数q1～q
n
，根据式(1)得到重构的波前，实现波前像差测量。2.根据权利要求1所述的一种基于计算全息的波前像差测量方法，其特征在于：步骤四中，psnr的优化方法包括：梯度下降法，遗传算法以及模拟退火算法。3.根据权利要求1所述的一种基于计算全息的波前像差测量方法，其特征在于：相息图u
k1
以及相息图u
k2
能够加载到相位型空间光调制器或者加工成相位板实现对入射波前的调制。

技术总结
本发明涉及一种基于计算全息的波前像差测量方法，属于光电测量技术领域。本发明的一种基于计算全息的波前像差测量方法，首先将待测波前分解，并通过构建两种计算全息图，采用相息图编码方法，通过单幅焦面图像直接得到波前包含的像差模式系数，进而重构出待测波前，实现对于波前像差的测量。本发明的一种基于计算全息的波前像差测量方法，对输入波前采样点数较多，具有较高的空间分辨率；利用计算全息图同时编码多阶像差模式，并通过建立焦面光强分布与波前像差模式系数之间的确定关系，不需要多次迭代，测量速度快；对环境温度以及振动不敏感，操作简单，稳定性好；能够用于测量大像差，动态范围大，适用范围广。适用范围广。适用范围广。


技术研发人员：董冰 刘明
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25