CN103557948B - 基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置及方法。该装置包括沿光路方向依次共轴设置的激光器、扩束器、空间滤波器、待测光学系统、点衍射板和CCD相机，其中空间滤波器设置于扩束器的焦点，点衍射板设置于待测光学系统的出射波面汇聚点；所述点衍射板包括针孔和针孔外围部分，并且针孔外围部分镀有高反射膜层。测量方法为：利用点衍射板针孔衍射效应生成的理想波面作参考波前，将点衍射板沿光轴方向移动形成圆载频干涉图，再使用四相位拼接法直接求解圆载频干涉图中的原始相位，即待测光学系统的波前。该方法采用很少的元器件实现了光学系统出射波前的测量，操作简单且精度高，并且能够满足瞬态测量的要求。

Description

基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置及方法

技术领域

本发明属于光干涉计量领域，特别是一种基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置及方法。

背景技术

高质量的激光波前是实现星间激光通信，惯性约束核聚变，啁啾脉冲放大技术等高端技术的前提。与传统的射频卫星通信技术相比，星间激光通信技术具有诸多优势以及巨大的发展潜力；惯性约束核聚变是解决现代能源短缺问题的主流技术；利用啁啾脉冲放大技术得到的脉冲，峰值功率可以达到几百太瓦量级，如此高功率的激光，可应用与于多个研究领域。这三种技术都以质量好的激光波前作为前提，所以激光波前探测显得尤为重要。

现如今的波前探测主要采用的技术有夏克-哈特曼、五棱镜扫描、径向剪切干涉术、横向剪切干涉术、点衍射干涉术等。夏克-哈特曼的优势在于动态范围大、精度高，但是它的采样点少、空间分辨率不够；五棱镜扫描则不能进行动态处理；利用干涉术可实现对波前质量的高精度、高分辨的实时探测，其中典型的有横向剪切干涉术、点衍射干涉术：横向剪切干涉术利用被检面自身产生的双光束干涉，不需要引入标准波面就可以实现波前的实时测量，但是若要恢复原始波面需要两个垂直方向的剪切干涉图，且波前重构算法较为复杂；点衍射干涉术同样不需要引入参考波面，利用点衍射板针孔衍射效应生成理想波面，结构简单且精度高，由于系统自身产生参考波前，可以直接从干涉图中恢复得到相位，因此现阶段大多数点衍射干涉仪采用时域移相式点衍射干涉术，但是该技术易受到移相误差以及振动的影响。

综上所述，目前波前探测系统存在检测系统复杂、实验操作繁琐的缺点，并且不能满足瞬态测量的要求，不能避免移相误差以及环境振动对测量造成的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确可靠、简便快捷的基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置及方法，能够实现光学系统的瞬态波前测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置，包括沿光路方向依次共轴设置的激光器、扩束器、空间滤波器、待测光学系统、点衍射板和CCD相机，其中空间滤波器设置于扩束器的焦点，点衍射板设置于待测光学系统的出射波面汇聚点；所述点衍射板包括针孔和针孔外围部分，并且针孔外围部分镀有高反射膜层；

激光器发出一束光，经扩束器汇聚到空间滤波器后的出射光为理想球面波，该理想球面波经待测光学系统后携带待测光学系统的像差信息传播到点衍射板，并经点衍射板分成两束光：一束通过点衍射板针孔部分衍射产生标准球面波，为参考波面；另一束通过点衍射板针孔外围部分依然携带待测光学系统的像差，为测试波面；参考波面与测试波面发生干涉被CCD相机接收。

一种基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量方法，采用点衍射板生成包含圆载频的干涉图，使用四相位拼接法求解圆载频干涉图中的原始相位，具体步骤如下：

步骤1，激光器发出一束光，经扩束器汇聚到空间滤波器后的出射光为理想球面波，将待测光学系统置于空间滤波器后方，该理想球面波经待测光学系统后携带待测光学系统的像差信息并传播到点衍射板；

步骤2，调整光学系统使点衍射板的针孔与待测光学系统出射波面汇聚点重合，待测光学系统的出射波经点衍射板分成两束光：一束通过点衍射板针孔部分衍射产生标准球面波，为参考波面；另一束通过点衍射板针孔外围部分依然携带待测光学系统的像差，为测试波面；参考波面与测试波面发生干涉并被CCD相机接收；

步骤3，沿光轴方向调整点衍射板的轴向位置，在CCD相机接收的干涉图中引入圆载频条纹，得到圆载频干涉图；

步骤4，采用四相位拼接法确定圆载频干涉图中的原始相位，得到待测光学系统的波前。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）检测系统简单，采用很少的元器件实现了光学系统出射波前的测量；（2）实验操作简单，只需要将点衍射板沿光轴方向移动就可以形成圆载频干涉图；（3）满足瞬态测量要求，避免移相误差以及环境振动对测量造成的影响。

附图说明

图1是本发明基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置的结构示意图。

图2是本发明待测光学系统的结构示意图。

图3是本发明测量装置中点衍射板的结构示意图。

图4是本发明四相位拼接法中用正交的半通滤波器对圆载频干涉图频谱做半侧滤波的示意图，其中(a)为圆载频干涉图，(b)、(c)为正交的半通滤波器，(d)为对应于(b)中半通滤波器的相位分布图，(e)为对应于(c)中半通滤波器的相位分布图。

图5是本发明四相位拼接法中由条纹方向角确定图像中心坐标的示意图，其中(a)、(b)为罗伯特算子，(c)为边沿检测结果图，(d)为四相位拼接的中心示意图。

图6是本发明实现四相位拼接的示意图。

图7是本发明实施例1中引入10根圆载频条纹的圆载频干涉图。

图8是本发明实施例1中采用四相位拼接法所得光学系统波前测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置，包括沿光路方向依次共轴设置的激光器1、扩束器2、空间滤波器3、待测光学系统4、点衍射板5和CCD相机6，其中空间滤波器3设置于扩束器2的焦点，点衍射板5设置于待测光学系统4的出射波面汇聚点；所述点衍射板5包括针孔和针孔外围部分，并且针孔外围部分镀有高反射膜层；如图2所示，所述待测光学系统4是一块或几块光学透镜形成光学透射系统；

激光器1发出一束光，经扩束器2汇聚到空间滤波器3后的出射光为理想球面波，该理想球面波经待测光学系统4后携带待测光学系统4的像差信息传播到点衍射板5，并经点衍射板5分成两束光：一束通过点衍射板5针孔部分衍射产生标准球面波，为参考波面；另一束通过点衍射板5针孔外围部分依然携带待测光学系统4的像差，为测试波面；参考波面与测试波面发生干涉被CCD相机6接收。

如图3所示，所述点衍射板5的针孔半径r_B满足：

r_B≤1.22λF_#(1)

式中λ是激光波长，F_#是待测光学系统的F系数。

结合图4～6，本发明基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量方法，采用点衍射板5生成包含圆载频的干涉图，使用四相位拼接法求解圆载频干涉图中的原始相位，具体步骤如下：

步骤1，激光器1发出一束光，经扩束器2汇聚到空间滤波器3后的出射光为理想球面波，将待测光学系统4置于空间滤波器3后方，该理想球面波经待测光学系统4后携带待测光学系统4的像差信息并传播到点衍射板5；

步骤2，调整光学系统使点衍射板5的针孔与待测光学系统4出射波面汇聚点重合，待测光学系统4的出射波经点衍射板5分成两束光：一束通过点衍射板5针孔部分衍射产生标准球面波，为参考波面；另一束通过点衍射板5针孔外围部分依然携带待测光学系统4的像差，为测试波面；参考波面与测试波面发生干涉并被CCD相机6接收；

步骤3，沿光轴方向调整点衍射板5的轴向位置，在CCD相机6接收的干涉图中引入圆载频条纹，得到圆载频干涉图；所述引入圆载频条纹的数量为6～10根，如图4(a)所示；

步骤4，采用四相位拼接法确定圆载频干涉图中的原始相位，得到待测光学系统4的波前，具体如下：

（1）对采集到的圆载频干涉图进行二维傅里叶变换得到其频谱：

f=FFT{I_circle}(2)

式中I_circle代表圆载频干涉图光强；

用一对正交的半通滤波器如图4(b)、4(c)所示，对所得到的频谱做半侧滤波，并分别对滤波后的频谱做傅里叶逆变换得到Z₁(x,y)和Z₂(x,y)，

Z₁(x,y)=Z_1Re(x,y)+iZ_1Im(x,y)(3)

Z₂(x,y)=Z_2Re(x,y)+iZ_2Im(x,y)(4)

式中，Z_1Im(x,y)为Z₁(x,y)的虚部，Z_1Re(x,y)为Z₁(x,y)的实部，Z_2Im(x,y)为Z₂(x,y)的虚部，Z_2Re(x,y)为Z₂(x,y)的实部；

由下式恢复得到含有符号跳变的x方向的相位分布和y方向的相位分布

所求得的x方向的相位分布如图4(d)、y方向的相位分布如图4(e)所示。

（2）用条纹方向角确定图像中心坐标：利用下式确定原始圆载频干涉图条纹方位角的分布Θ(x,y)：

$\mathrm{\Θ}(x,y)={\tan }^{-1}[\frac{{\∂I}_{\mathrm{circle}}(x,y)}{\∂y}/\frac{{\∂I}_{\mathrm{circle}}(x,y)}{\∂x}]---\left(6\right)$

得到条纹方位角分布Θ后，用罗伯特算子G_x和G_y与条纹方位角分布Θ进行二维卷积运算检测边沿，罗伯特算子如图5(a)、5(b)所示：

$\▿\mathrm{\Θ}(x,y)={\{{[\mathrm{\Θ}(x,y)**G_x]}^2+{[\mathrm{\Θ}(x,y)**G_y]}^2\}}^{1/2}---\left(7\right)$

式中**为卷积符号；得到一幅二值图像，采用下式显示边沿BW(x,y)：

$\mathrm{BW}(x,y)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}|\▿\mathrm{\Θ}|>\mathrm{threshold}\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中▽表示拉普拉斯算子；阈值threshold大于条纹方位角分布Θ的灰度图像的平均梯度，例如对于一幅8位的灰度图像（最大灰度255），阈值threshold可以设置为128；边沿检测结果如图5(c)所示；

对二值图像BW(x,y)进行霍夫变换，可以得到其拼接中心所在的直线为：

xcosθ₁+ysinθ₁＝r₁(9)

式中，r₁、θ₁为直线极坐标方程参数，通过对BW(x,y)进行霍夫变换确定；

对Θ(x,y)进行霍夫变换，可以得到拼接中心所在直线为：

xcosθ₂+ysinθ₂＝r₂(10)

式中，r₂、θ₂为直线极坐标方程参数，通过对Θ(x,y)进行霍夫变换确定；

两直线相交点就是四相位拼接的中心(x₀,y₀)，如图5(d)所示，(x₀,y₀)由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{r_1\sin {\mathrm{\θ}}_2-r_2\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}\\ y_0=\frac{r_2\cos {\mathrm{\θ}}_1-r_1\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}\end{array}\right.---\left(11\right)$

（3）以拼接中心(x₀,y₀)为原点建立直角坐标系，则在y>0半侧等于原始相位，而在y<0半侧等于原始相位的共轭，二者幅度相等，符号相反；则在x>0半侧等于原始相位，而在x<0半侧等于原始相位的共轭，二者幅度相等，符号相反；因此，在拼接中心为(x₀,y₀)的情况下，由和得到的校正符号后的实际相位(x，y)为：

实现四相位拼接，确定圆载频干涉图中的原始相位，其表达式如下：

拼接示意图如图6所示，得到正确的相位后解包。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置，光源为中心波长632.8nm的氦氖激光器1；空间滤波器3选用10μm的小孔，以保证入射到待测光学系统4表面的波面质量；待测光学系统4为一双胶合透镜，其焦距为125mm，F数为6，出射光的数值孔径为0.1；点衍射板5安装在精密导轨上，实现点衍射板的轴向移动，点衍射板5小孔直径为6.3μm，精密导轨的最小分度值为0.1mm。

基于以上装置的光学系统波前测量方法，采用点衍射板5生成包含圆载频的干涉图，使用四相位拼接法求解圆载频干涉图中的原始相位，具体步骤如下：

步骤1，将双胶合透镜置于空间滤波器3后方，并调整双胶合透镜的轴向位置使出射波面为一汇聚波面；

步骤2，沿光轴方向微移点衍射板5，在干涉图中引入10根圆载频条纹，如图7所示；

步骤3，采用四相位拼接法确定圆载频干涉图中的原始相位，得到的原始相位如图8所示，其PV值为0.54λ，RMS值为0.1λ。

综上所述，本发明基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量装置及方法，检测系统简单，采用很少的元器件实现了光学系统出射波前的测量；并且实验操作简单，只需要将点衍射板沿光轴方向移动就可以形成圆载频干涉图；能够满足瞬态测量要求，避免移相误差以及环境振动对测量造成的影响。

Claims (3)

1.一种基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量方法，其特征在于，采用点衍射板(5)生成包含圆载频的干涉图，使用四相位拼接法求解圆载频干涉图中的原始相位，具体步骤如下：

步骤1，激光器(1)发出一束光，经扩束器(2)汇聚到空间滤波器(3)后的出射光为理想球面波，将待测光学系统(4)置于空间滤波器(3)后方，该理想球面波经待测光学系统(4)后携带待测光学系统(4)的像差信息并传播到点衍射板(5)；

步骤2，调整光学系统使点衍射板(5)的针孔与待测光学系统(4)出射波面汇聚点重合，待测光学系统(4)的出射波经点衍射板(5)分成两束光：一束通过点衍射板(5)针孔部分衍射产生标准球面波，为参考波面；另一束通过点衍射板(5)针孔外围部分依然携带待测光学系统(4)的像差，为测试波面；参考波面与测试波面发生干涉并被CCD相机(6)接收；

步骤3，沿光轴方向调整点衍射板(5)的轴向位置，在CCD相机(6)接收的干涉图中引入圆载频条纹，得到圆载频干涉图；

步骤4，采用四相位拼接法确定圆载频干涉图中的原始相位，得到待测光学系统(4)的波前。

2.根据权利要求1所述的基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量方法，其特征在于，步骤3中所述引入圆载频条纹的数量为6～10根。

3.根据权利要求1所述的基于圆载频相位解调法的光学系统波前测量方法，其特征在于，步骤4中所述采用四相位拼接法确定圆载频干涉图中的原始相位，具体为：

(1)对采集到的圆载频干涉图进行二维傅里叶变换得到其频谱：

f＝FFT{I_circle}(2)

式中I_circle代表圆载频干涉图光强；

用一对正交的半通滤波器对所得到的频谱做半侧滤波，并分别对滤波后的频谱做傅里叶逆变换得到Z₁(x,y)和Z₂(x,y)，

Z₁(x,y)＝Z_1Re(x,y)+iZ_1Im(x,y)(3)

Z₂(x,y)＝Z_2Re(x,y)+iZ_2Im(x,y)(4)

式中，Z_1Im(x,y)为Z₁(x,y)的虚部，Z_1Re(x,y)为Z₁(x,y)的实部，Z_2Im(x,y)为Z₂(x,y)的虚部，Z_2Re(x,y)为Z₂(x,y)的实部；

由下式恢复得到含有符号跳变的x方向的相位分布和y方向的相位分布

(2)用条纹方向角确定图像中心坐标：利用下式确定原始圆载频干涉图条纹方位角的分布Θ(x,y)：

$\mathrm{\&Theta;}(x,y)={\tan }^{-1}\&lsqb;\frac{\&part;I_{circle}(x,y)}{\&part;y}/\frac{\&part;I_{circle}(x,y)}{\&part;x}\&rsqb;---\left(6\right)$

得到条纹方位角分布Θ后，用罗伯特算子G_x和G_y与条纹方位角分布Θ进行二维卷积运算检测边沿：

$\&dtri;\mathrm{\&Theta;}(x,y)={\{{\&lsqb;\mathrm{\&Theta;}(x,y)**G_x\&rsqb;}^2+{\&lsqb;\mathrm{\&Theta;}(x,y)**G_y\&rsqb;}^2\}}^{1/2}---\left(7\right)$

式中**为卷积符号；得到一幅二值图像，采用下式显示边沿BW(x,y)：

$BW(x,y)=\left\{\begin{array}{c}1,if|\&dtri;\mathrm{\&Theta;}|\&GreaterEqual;threshold\\ 0,otherwise\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中表示拉普拉斯算子；阈值threshold大于条纹方位角分布Θ的灰度图像的平均梯度；

对二值图像BW(x,y)进行霍夫变换，可以得到其拼接中心所在的直线为：

xcosθ₁+ysinθ₁＝r₁(9)

式中，r₁、θ₁为直线极坐标方程参数，通过对BW(x,y)进行霍夫变换确定；

对Θ(x,y)进行霍夫变换，可以得到拼接中心所在直线为：

xcosθ₂+ysinθ₂＝r₂(10)

式中，r₂、θ₂为直线极坐标方程参数，通过对Θ(x,y)进行霍夫变换确定；

两直线相交点就是四相位拼接的中心(x₀,y₀)，(x₀,y₀)由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{r_1{\mathrm{sin\&theta;}}_2-r_2{\mathrm{sin\&theta;}}_1}{\sin ({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1)}\\ y_0=\frac{r_2{\mathrm{cos\&theta;}}_1-r_1{\mathrm{cos\&theta;}}_2}{\sin ({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1)}\end{array}\right.---\left(11\right)$

(3)以拼接中心(x₀,y₀)为原点建立直角坐标系，则在y>0半侧等于原始相位，而在y<0半侧等于原始相位的共轭，二者幅度相等，符号相反；则在x>0半侧等于原始相位，而在x<0半侧等于原始相位的共轭，二者幅度相等，符号相反；因此，在拼接中心为(x₀,y₀)的情况下，由和得到的校正符号后的实际相位为：

实现四相位拼接，确定圆载频干涉图中的原始相位，其表达式如下：