CN108801475A - 一种基于空间频域参考的波前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间频域参考的波前探测方法，属于波前探测技术领域，在光束远场引入方向参考基准，获取光束经成像系统后的近场图像，处理近场图像得到近场功率谱密度图，利用功率谱密度图上零频分量重叠区，计算波前斜率的绝对值，依据零频分量重叠区相对于方向参考基准的位移获取波前斜率的方向信息，重构光束波前，本发明通过近场测量重构光束波前，不需要借助专用的波前测量设备，结构简单，易于集成，同时，探测波前时不受频谱面之后光学系统像差的影响，探测精度高，尤其适用于具有空间滤波器的激光系统的波前测量，此外，直接测量近场就可逐级获取各空间滤波器之间的光路波前状态，实现近场一次探测、数据分割处理重构波前信息。

Description

一种基于空间频域参考的波前探测方法

技术领域

本发明属于波前探测技术领域，具体地说涉及一种基于空间频域参考的波前探测方法。

背景技术

光束波前是描述光场特性的重要参量，也是一类重要的信息载体。通过波前测量技术获取光束波前，不仅可以评估光场的物理特性，如传输能力、聚焦能力等，还可以获得诸多物理信息，如大气湍流分布、光学元件面形、光学系统像差、生物组织位相特征以流场分布特性等。目前，波前探测技术被广泛应用于自适应光学、天文观测、光学元件加工、激光系统光束质量评估、生物医学成像、激光通信等领域，另外，在某些前沿领域，如量子相干性检测、精密微观操控、材料检测、光与物质相互作用过程等，波前探测技术也发挥了重要作用。

波前探测技术的研究历史悠久。1675年牛顿首次发现牛顿环，牛顿环装置是最早的干涉仪，也是人类第一次将波前信息以光强分布的形式展示出来。二十世纪，随着激光器的问世，波前探测技术得到了飞速发展，各类波前探测方法也应运而生。根据测量原理的不同，波前探测技术主要有：干涉类波前探测技术、哈特曼-夏克波前探测技术、曲率波前传感技术、模式波前传感技术、相位差波前测量技术、棱锥波前传感技术、基于衍射传输的波前迭代重构技术等。干涉类波前测量技术的特点在于极高的检测精度，常用于光学元件的面形检测及高精度光束波前的检测等；哈特曼-夏克波前测量技术通过微透镜阵列对光束进行分割，测试各子光束斜率重构波前，其结构简单、皮实性好，在激光技术、天文探测领域获得了广泛的应用；曲率波前传感技术可以有效检测低阶波前分布，常用于采用压电片变形镜的自适应光学系统，提升系统控制带宽；模式波前传感技术直接根据光强的分布计算各阶像差模式的系数，可提高波前检测速度；相位差波前测量技术分析焦点和离焦位置的光强分布反演波前，但由于算法复杂的问题，测试的实时性有待提高；棱锥波前传感技术利用棱镜对焦平面的光束进行分光测量以计算计算，响应速度快，检测精度高，已经在天文观测领域取得重要应用；基于衍射传输的波前迭代重构技术是通过测试衍射光强的分布，使用G-S等迭代类算法恢复波前，虽测试系统简单，但波前反演速度慢且收敛性无法保证。近年来，有学者通过增加基准类的光场调制器件，提升了算法的收敛性，甚至不采用迭代算法直接进行波前反演。此外，一些新型的或基于传统方法改进的波前测量技术也得到学者的关注，如基于表面等离子体的波前测量、基于二元掩膜编码的波前测量、基于散斑的波前恢复技术等。由此可见，目前的检测技术种类繁多，不同波前检测技术各有优势，同时也存在待改进之处。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于空间频域参考的波前探测方法，利用功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)方法从光束近场中提取波前信息，是一种创新的波前检测方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于空间频域参考的波前探测方法，在光束远场引入方向参考基准，获取光束经成像系统后的近场图像，处理近场图像得到近场功率谱密度图，利用功率谱密度图上零频分量重叠区，计算波前斜率的绝对值，依据零频分量重叠区相对于方向参考基准的位移获取波前斜率的方向信息，重构光束波前。

进一步，采用近场分割探测方法获得近场图像，利用近场分割元件将光束近场分割成多个子光束，分别获取子光束经成像系统后的子光束近场图像，计算各子光束的波前斜率得到斜率分布，采用区域法重构光束波前。

进一步，采用近场整体探测方法获得近场图像，光束整体传输，获取光束经成像系统后的近场图像，计算波前斜率，重构光束波前。

进一步，所述方向参考基准为圆形滤波孔或其他有助于判断空间位置的结构，如十字叉丝等。

进一步，波前斜率的计算方法为：

近场功率谱密度图为三个嵌套的圆，其中心区域为两个小圆，其外围为大圆，所述小圆的尺寸与激光装置中空间滤波器小孔的尺寸相同，且大圆半径为小圆半径的2倍，两个小圆圆心之间区域为零频分量重叠区，且两个小圆圆心之间的偏移量为s，波前斜率为g，则其中，f为成像系统的焦距。

进一步，波前斜率的方向信息提取方法为：获取成像系统焦平面处的频谱分布图，所述方向参考基准在频谱分布图上对应的成像标记为初始基准，所述方向参考基准在近场功率谱密度图上对应的成像标记为二次基准，所述二次基准相对于初始基准的移动方向与波前斜率的方向相反。

进一步，所述成像系统为4f成像系统，输入光束的光场分布为成像系统频谱面调制函数为C，近场分割光束形成区域A，则：

在整体传输条件下，区域A的近场光场分布为在近场分割传输条件下，区域A的近场光场分布为且其中，rect1和rect2为空间滤波器小孔的孔径函数，两者坐标相反，F为傅里叶变换函数，当调制函数C对频谱影响足够小且可忽略时，存在

本发明的有益效果是：

通过近场测量重构光束波前，不需要借助专用的波前测量设备，结构简单，易于集成，同时，探测波前时不受频谱面之后光学系统像差的影响，探测精度高，尤其适用于具有空间滤波器的激光系统的波前测量，此外，直接测量近场就可逐级获取各空间滤波器之间的光路波前状态，实现近场一次探测、数据分割处理重构波前信息。

附图说明

图1为近场分割探测的波前测试光路示意图；

图2为近场整体探测的波前测试光路示意图；

图3(a)为焦平面的频谱分布图；

图3(b)为与图3(a)对应的近场功率谱密度图；

图4(a)为引入方向参考基准后焦平面的频谱分布图；

图4(b)为与图4(a)对应的近场功率谱密度图；

图5为待测光束波前分布图；

图6(a)为传统哈特曼传感器波前测试结果图；

图6(b)为传统哈特曼传感器波前测试误差图；

图7(a)为基于PSD方法的近场分割探测的波前测试结果图；

图7(b)为基于PSD方法的近场分割探测的波前测试误差图；

图8(a)为基于PSD方法的近场整体探测的波前测试结果图；

图8(b)为基于PSD方法的近场整体探测的波前测试误差图。

附图中：1-光纤光源、2-第一透镜、3-连续相位板、4-分束镜、5-波前探测器、6-液晶光阀、7-成像系统、8-空间滤波器小孔、9-CCD、10-光纤光源、11-第二透镜、12-连续相位板、13-分束镜、14-波前探测器、15-成像系统、16-空间滤波器小孔、17-CCD。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

一种基于空间频域参考的波前探测方法，具体为：在光束远场引入方向参考基准，所述方向参考基准为圆形滤波孔或其他有助于判断空间位置的结构，获取光束经成像系统后的近场图像，处理近场图像得到近场功率谱密度图，利用功率谱密度图上零频分量重叠区，计算波前斜率的绝对值，依据零频分量重叠区相对于方向参考基准的位移获取波前斜率的方向信息，重构光束波前。

其中，在一些实施例中，采用近场分割探测方法获得近场图像，利用近场分割元件将光束近场分割成多个子光束，分别获取子光束经成像系统后的子光束近场图像，计算各子光束的波前斜率得到斜率分布，采用区域法重构光束波前。参考图1，采用第一透镜2将光纤光源1准直成所需口径的平行光，采用连续相位板3引入波前畸变，平行光经分束镜4入射至波前传感器5，液晶光阀6作为近场分割器件，将近场分割成16×16个子光束，成像系统7为4f系统，焦平面处采用空间滤波器小孔8作为频谱调制器件，采用CCD9对各子光束近场进行探测。

在另外一些实施例中，还可以采用近场整体探测方法获得近场图像，光束整体传输，获取光束经成像系统后的近场图像，计算波前斜率，重构光束波前。参考图2，采用第二透镜11将光纤光源10准直成所需口径的平行光，采用连续相位板12引入波前畸变，平行光经分束镜13入射至波前传感器14，成像系统15为4f系统，焦平面处采用空间滤波器小孔16作为频谱调制器件，光束整体传输，采用CCD17测试近场。

本实施例借助4f成像系统验证近场分割探测方法等效于近场整体探测方法，具体如下：

输入光束的光场分布为成像系统频谱面调制函数为C，近场分割光束形成区域A，则，在整体传输条件下，区域A的近场光场分布为在近场分割传输条件下，区域A的近场光场分布为且 其中，rect1和rect2为空间滤波器小孔的孔径函数，两者坐标相反，F为傅里叶变换函数，当调制函数C对频谱影响足够小且可忽略时，存在而空间滤波器小孔滤除的高频成分强度非常低，对成像系统后光束近场强度的影响有限，尤其是对于常规波前探测，被滤除的频率远高于探测频率，因此空间滤波器小孔对探测波前的影响可以忽略，此时上述两种探测方法等效。

同时，成像系统焦平面光场被空间滤波器小孔调制后，可以由近场功率谱密度图获取焦平面处零频成分(即对应焦斑质心)相对空间滤波器小孔的偏移量。参考图3(a)，由于衍射光学原理，频谱面上存在零频(频谱极强峰)，其相对空间滤波器小孔中心的偏离量为d，波前斜率参考图3(b)，根据自相关函数的定义，近场功率谱密度图为三个嵌套的圆，其中心区域为两个小圆，其外围为大圆，所述小圆的尺寸与激光装置中空间滤波器小孔的尺寸相同，且大圆半径为小圆半径的2倍，三个圆相互重叠形成如下区域：A、中心极强区，两个小圆圆心之间区域为零频分量重叠区，即两个频谱极强峰重叠性较好的坐标区间；B、中心附近的次强区，此时两个频谱极强峰不再重叠，但都在积分区域内；C、第三强度区，积分区域内仅包含了一个频谱极强峰；D、第四强度区，积分区域内不含频谱的极强峰；E、两幅图像完全分开，积分区域内无有效数据。根据简单的几何关系，可以得知：两个小圆圆心之间的偏移量为s，且s＝2d，由此获得波前斜率的绝对值，即其中，f为成像系统的焦距。

在上述计算功率谱密度过程中会丢失方向信息，导致波前存在π的位相不确定性，根据波前重构的需求，需要进一步确定波前斜率的方向信息，因此，需要在光束远场引入方向参考基准。具体方法为：获取成像系统焦平面处的频谱分布图，所述方向参考基准在频谱分布图上对应的成像标记为初始基准，所述方向参考基准在近场功率谱密度图上对应的成像标记为二次基准，所述二次基准位于大圆的外围，所述二次基准相对于初始基准的移动方向与波前斜率的方向相反。本实施例中，选取圆形滤波孔作为方向参考基准，参考图4，图中“directionreference”表示方向参考基准对应的初始基准，“pinhole”表示空间滤波器小孔对应的成像，图中黑色箭头表示二次基准相对于初始基准的移动方向，白色箭头表示波前倾斜的方向。

参考图5，待测光束的波前畸变PV值为4.79μm，RMS值为1.02μm。参考图6，传统哈特曼传感器波前测试结果及测试误差，测试误差的PV值为0.06μm，RMS值为0.009μm。参考图7，在近场分割探测条件下，基于PSD方法的波前测试结果及测试误差，测试误差的PV值为0.07μm，RMS值为0.010μm，该结果可通过图像处理方法进一步优化。参考图8，为近场整体探测条件下，基于PSD方法的波前测试结果及测试误差，测试误差的PV值为0.07μm，RMS值为0.012μm，该结果可通过图像处理方法进一步优化。上述结果表明，本发明所得到的结果与传统哈特曼传感器的测量结果相当，也就是说，基于光束功率谱密度信息的波前探测方法是可行的，可以广泛应用于激光技术、光通信、天文观测、生物医学等研究领域。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，在光束远场引入方向参考基准，获取光束经成像系统后的近场图像，处理近场图像得到近场功率谱密度图，利用功率谱密度图上零频分量重叠区，计算波前斜率的绝对值，依据零频分量重叠区相对于方向参考基准的位移获取波前斜率的方向信息，重构光束波前。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，采用近场分割探测方法获得近场图像，利用近场分割元件将光束近场分割成多个子光束，分别获取子光束经成像系统后的子光束近场图像，计算各子光束的波前斜率得到斜率分布，采用区域法重构光束波前。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，采用近场整体探测方法获得近场图像，光束整体传输，获取光束经成像系统后的近场图像，计算波前斜率，重构光束波前。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，所述方向参考基准为圆形滤波孔或其他有助于判断空间位置的结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，波前斜率的计算方法为：

近场功率谱密度图为三个嵌套的圆，其中心区域为两个小圆，其外围为大圆，所述小圆的尺寸与激光装置中空间滤波器小孔的尺寸相同，且大圆半径为小圆半径的2倍，两个小圆圆心之间区域为零频分量重叠区，且两个小圆圆心之间的偏移量为s，波前斜率为g，则其中，f为成像系统的焦距。

6.根据权利要求5所述的一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，波前斜率的方向信息提取方法为：获取成像系统焦平面处的频谱分布图，所述方向参考基准在频谱分布图上对应的成像标记为初始基准，所述方向参考基准在近场功率谱密度图上对应的成像标记为二次基准，所述二次基准相对于初始基准的移动方向与波前斜率的方向相反。

7.根据权利要求5所述的一种基于空间频域参考的波前探测方法，其特征在于，所述成像系统为4f成像系统，输入光束的光场分布为成像系统频谱面调制函数为C，近场分割光束形成区域A，则：

在整体传输条件下，区域A的近场光场分布为在近场分割传输条件下，区域A的近场光场分布为且其中，rect1和rect2为空间滤波器小孔的孔径函数，两者坐标相反，F为傅里叶变换函数，当调制函数C对频谱影响足够小且可忽略时，存在