CN106338343B - 一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法 - Google Patents

一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，将畸变波前通过菲涅耳波带片，在波带片焦面附近和离焦面处各采集一副图像，利用这两幅图像和它们之间的相对离焦量，就可准确复原出输入波前。菲涅耳波带片是一种轻薄的聚焦元件，利用其短焦焦点，可以大大缩短光路长度，并且利用焦面附近的光斑尺寸较严格焦面处的光斑尺寸更大的特点，克服了焦面光斑在大数值孔径下信息探测不够精确的问题。此方法适合大孔径及超大孔径波前探测，对轻量化波前反演具有重要意义。

Description

一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法
技术领域
本发明涉及一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，属于波前传感技术领域。
背景技术
相位反演技术是波前传感技术的重要分支，特点是直接利用采集到的光束远场光波图像信息，通过衍射光学理论，反演推算出光束的近场波前相位分布信息。目前，薄膜望远系统发展迅速，欧美等发达国家已经明确将薄膜望远技术作为未来解决下一代超大口径天基空间望远镜轻量化、高分辨的主要途径。菲涅耳波带片(参见Jerald A.Britten,Shamusundar N.Dixit等.Large-aperture fast multilevel Fresnel zone lenses inglass and ultrathin polymer films for visible and near-infrared imagingapplications.APPLIED OPTICS,Vol.53,No.11/10April2014)、光子筛(参见GeoffAndersen and Drew Tullson.Broadband antihole photon sieve telescope.APPLIEDOPTICS,Vol.46,No.18/20June 2007)的薄膜主镜成为研究热点。
相位反演方法由于收光孔径大，适合波前探测，常用于天文望远等领域，其主要光学器件一般为玻璃透镜，重量较大，随着轻量化探测的迫切需求，减轻相位反演领域大尺寸玻璃透镜就成了现实问题。此外，在传统相位反演领域，小F数、低像差的大尺寸玻璃透镜很难制作，这就使得相应的波前探测系统光路较长，不适合现阶段系统紧凑轻便的需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，通过探测轻质菲涅耳波带片的焦面附近一定距离处和离焦面处的光强分布信息，与近场光强进行反演迭代，并且利用菲涅耳波带片的短焦焦点，可以大大缩短光路长度，适合大孔径及超大孔径波前探测，是轻量化波前反演中关键的技术。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，应用菲涅耳波带片代替传统相位反演技术中的较厚重的玻璃透镜，达到轻量化波前探测的目的，其探测效果可以和传统玻璃透镜波前复原效果相媲美。光学实现结构包括菲涅耳波带片1、分光棱镜2、第一光电探测器3、第二光电探测器4。混菲涅耳波带片用于替代传统的玻璃透镜进行波前的汇聚，分光棱镜将光束分成两路，第一、第二光电探测器分别用于探测焦面附近、离焦面光波图像，进而通过以下步骤处理远场光波图像，实现对入射波前相位的反演：
步骤1：已知入射光束近场强度分布Inear和对应的焦面附近光波图像强度分布Ifar1，离焦面光波图像强度分布Ifar2，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值为0；
步骤2：计算距菲涅耳波带片在焦面附近的远场复振幅分布：
式中Afar1为计算焦面附近光波振幅分布，为计算的远场光波相位分布；
步骤3：将焦面附近实际光强分布Ifar1平方根作为焦面附近光波振幅，变换后焦面附近光波复振幅为：
利用变化后远场光波复振幅E′far1，计算出离焦面光波复振幅，
步骤4：对比计算的远场光波振幅|Efar2|和实际的远场光波振幅分布计算表征两者之间差异的评价指标：
若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场光波复振幅与实际入射光波拥有一致的远场光强分布，则当前的近场波前即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于菲涅耳波带片的波前探测方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则方法继续；
步骤5：将远场实际光强分布Ifar2平方根作为离焦面光波振幅，变换后远场光波复振幅为：
利用变化后远场光波复振幅E′far2，计算逆向衍射后对应混合焦距菲涅耳波带片的近场光波复振幅：
式中Anear为计算近场光波振幅分布，为计算的近场调制后光波相位分布；
步骤6：将Inear的平方根作为近场光波振幅代替Anear，从而构成新的近场调制后光波复振幅，重新进入复原方法步骤3，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤4满足判定标准，则基于菲涅耳波带片的波前探测方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。
(三)有益效果
本发明一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法。菲涅耳波带片是一种轻薄的聚焦元件，利用其短焦焦点，可以大大缩短光路长度，并且利用焦面附近的光斑尺寸较焦面处的光斑尺寸更大的特点，克服了焦面光斑在大数值孔径下信息探测不够精确的问题。此方法适合大孔径及超大孔径波前探测，对轻量化、小型化波前反演具有重要意义。
附图说明
图1为菲涅耳波带片多焦点示意图；
图2为本发明方法实施例中菲涅耳波带片结构示意图；
图3为本发明方法原理流程图；
图4为本发明方法光路图；
图5为本发明方法实施例中的输入65阶泽尼克随机波前；
图6为本发明方法实施例中远场光强分布示意图，其中，图6(a)为焦面光强分布，图6(b)为离焦面光强分布；
图7为本发明方法实施例基于菲涅耳波带片的波前探测方法复原结果，其中，图7(a)为复原波面，图7(b)为相位恢复残差，图7(c)为收敛曲线；
图8为传统相位差波前探测方法复原结果，其中，图8(a)为复原波面，图8(b)为相位恢复残差，图8(c)为收敛曲线。
图中附图标记含义为：1为菲涅耳波带片，2为分光棱镜，3为第一光电探测器，4为第二光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是基于菲涅耳波带片的波前探测方法，核心思想是应用菲涅耳波带片代替传统相位反演技术中的较厚重的玻璃透镜，并且利用其短焦焦点，可以大大缩短光路长度，且焦面附近一定距离处的光强分布信息量较焦面处要大得多，适合大孔径及超大孔径波前探测，对轻量化、小型化波前反演具有重要意义。
实施例
在本发明的示例性实施例中，提供了一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法。
请参照图1～8，本实施例方法包括：
制备第一焦点焦距为1000mm的菲涅耳波带片，如图2所示，实施例中待测的入射光波波前相位是由65阶Zernike多项式组成的随机波前(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，如图5所示。其通过菲涅耳波带片的远场光强分布如图6所示。
步骤1：已知入射光束近场强度分布Inear和对应的焦面附近光波图像强度分布Ifar1，离焦面光波图像强度分布Ifar2，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值为0。
步骤2：计算距菲涅耳波带片在焦面附近的远场复振幅分布：
式中Afar1为计算焦面附近光波振幅分布，为计算的远场光波相位分布；
步骤3：将焦面附近实际光强分布Ifar1平方根作为焦面附近光波振幅，变换后焦面附近光波复振幅为：
利用变化后远场光波复振幅E′far1，计算出离焦面光波复振幅，
步骤4：对比计算的远场光波振幅|Efar2|和实际的远场光波振幅分布计算表征两者之间差异的评价指标：
若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场光波复振幅与实际入射光波拥有一致的远场光强分布，则当前的近场波前即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于菲涅耳波带片的波前探测方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则方法继续；
步骤5：将远场实际光强分布Ifar2平方根作为离焦面光波振幅，变换后远场光波复振幅为：
利用变化后远场光波复振幅E′far2，计算逆向衍射后对应混合焦距菲涅耳波带片的近场光波复振幅：
式中Anear为计算近场光波振幅分布，为计算的近场调制后光波相位分布；
步骤6：将Inear的平方根作为近场光波振幅代替Anear，从而构成新的近场调制后光波复振幅，重新进入复原方法步骤3，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤4满足判定标准，则基于菲涅耳波带片的波前探测方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。
图7(a)为本发明方法复原波前(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，图7(b)为本发明方法复原波前残差(PV＝1.992e-5rad，rms＝2.6268e-6rad)，图7(c)为本发明方法的收敛曲线。做为对比，传统基于玻璃透镜的相位差波前复原算法波前复原结果如图8所示，图8(a)为传统方法复原波前(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，图8(b)为传统方法复原波前残差(PV＝1.9306e-5rad，rms＝2.0481e-6rad)，图8(c)为传统方法的收敛曲线。可以看到本发明方法和传统相位差波前复原方法复原精度基本一致。
本实施例中，基于菲涅耳波带片的波前探测方法，是应用菲涅耳波带片代替传统相位反演技术中的较厚重的玻璃透镜，并且利用其短焦焦点，可以大大缩短光路长度，且焦面附近一定距离处的光强分布信息量较焦面处要大得多，适合大孔径及超大孔径波前探测，对轻量化、小型化波前反演具有重要意义。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于菲涅耳波带片的波前探测方法有了清楚的认识。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，其特征在于：该方法利用的光学实现结构包括菲涅耳波带片(1)、分光棱镜(2)、第一光电探测器(3)、第二光电探测器(4)，菲涅耳波带片用于替代传统的玻璃透镜进行波前的汇聚，分光棱镜将光束分成两路，第一、第二光电探测器分别用于探测焦面附近、离焦面光波图像，进而通过以下步骤处理远场光波图像，实现对入射波前相位的反演：
步骤1：已知入射光束近场强度分布Inear和对应的焦面附近光波图像强度分布Ifar1，离焦面光波图像强度分布Ifar2，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值为0，
步骤2：计算菲涅耳波带片在焦面附近的远场复振幅分布：
式中Afar1为计算的焦面附近光波振幅分布，为计算的焦面附近远场波前相位分布；
步骤3：将焦面附近实际光强分布Ifar1平方根作为焦面附近光波振幅，变换后焦面附近光波复振幅为：
利用变化后远场光波复振幅E′far1，计算出离焦面光波复振幅，
步骤4：对比计算的远场光波振幅|Efar2|和实际的远场光波振幅分布计算表征两者之间差异的评价指标：
若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场光波复振幅与实际入射光波拥有一致的远场光强分布，则当前的近场波前即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于菲涅耳波带片的波前探测方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则方法继续；
步骤5：将远场实际光强分布Ifar2平方根作为离焦面光波振幅，变换后远场光波复振幅为：
利用变化后远场光波复振幅E′far2，计算逆向衍射后对应混合焦距菲涅耳波带片的近场光波复振幅：
式中Anear为计算近场光波振幅分布，为计算的近场调制后光波相位分布；
步骤6：将Inear的平方根作为近场光波振幅代替Anear，从而构成新的近场调制后光波复振幅，重新进入复原方法步骤3，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤4满足判定标准，则基于菲涅耳波带片的波前探测方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，其特征在于：菲涅耳波带片为相位型结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，其特征在于：除了菲涅耳波带片，还可以使用菲涅耳透镜或光子筛。
4.根据权利要求1所述的一种基于菲涅耳波带片的波前探测方法，其特征在于：相位反演时，可以用菲涅耳波带片的任何一级正焦点。
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