CN111912534A - 一种光学系统波前测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有的光学系统波前测量方案易受环境扰动影响、探测精度较低的技术问题，本发明提供了一种光学系统波前测量装置及方法。本发明首先设计出一种拼接式分光棱镜实现对光学系统焦面附近的光束分光，在分光棱镜后安装探测器组成波前探测装置；该波前探测装置仅用一次拍摄便可获得光学系统的焦面像、焦前像和焦后像；在获取图像后，使用基于角谱传播的一种迭代方法便可获取系统的波前。本发明抗振能力强，受气流扰动等的影响小，且结构简单，成本低廉，有较高的动态范围和测量精度。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种光学系统波前测量装置及方法。
背景技术
光学系统的分辨率可以通过减小探测波长和增大光学系统的口径来提高，而探测波长通常是由天文观测系统的研究目标的光学系统所决定的。这使得只有通过增大光学系统的口径这一唯一途径来获得高分辨率。因此，望远镜的口径也越来越大。单一的大口径主镜加工安装困难，而且对于空间光学系统，它们难以发射，所以现有的技术更加趋向于制造拼接系统和多孔径系统作为下一代望远镜。
拼接系统和多孔径系统想达到的目标一致，都是想尽可能地减小系统重量，造价和加工成本。而不管是多孔径光学系统或者拼接系统，一个核心的设计是要控制各个子孔径或者子光学系统之间的光程。而光程的延迟长度和各个子孔径位置的调整量需要传感器来精确给出。
激光干涉仪可以作为拼接系统和多孔径系统初始装调阶段的波前传感设备，然而，由于拼接系统和多孔径系统的复杂性，使得制造补偿器变得困难和昂贵。另外一方面，激光干涉仪对扰动，气流和温度变化比较敏感，使得激光干涉仪必须在一定的环境下应用。此外，由于经常性的系统校准，需要波前传感和装调反复在线进行，这也使得激光干涉仪的使用受到了限制。
哈特曼传感器是比较实用的大口径地基光学系统波前传感器，总体上来讲，哈特曼传感器只能在点源目标下使用，并且在波前比较复杂时不能有效使用。虽然哈特曼传感器在扩展光源下也能使用，但是需要目标有高亮度和对比度，并且只能在有限的视场下使用。在天基光学系统中，哈特曼传感器和曲率传感器需要额外的硬件和光学部件来得出系统出瞳处的波前或者波前斜率。尤其对于哈特曼传感器来说，无法测量子孔径或者子光学系统之间的平移误差。
基于图像处理的波前传感方法是使用光学系统采集到的图像来估计系统的波前。这种方法不同于干涉测量方法在于干涉法需要与系统波前相匹配的参考波面来形成干涉条纹，从而预测系统的波前。不同于哈特曼和曲率传感器的地方在于不需要光学系统的出瞳图像就能测量波前。传统的基于图像处理的波前传感技术通常需要在待测光学系统焦面处和离焦面处采集光强图像，通过数据处理计算得出系统的波前。通常状态下，有两种方式可获取离焦位置图像和焦面位置像，一种是探测器在光学系统焦面位置采集图像，然后前后平移探测器采集离焦位置图像，另外一种方式是使用分光镜将光束分成两束，使用两个探测器分别在焦面位置和离焦位置上采集图像。然而，两种图像获取方式都存在如下的劣势：第一种方式获得的焦面像和离焦像在时间上不同步，在探测器两次移动过程之间的系统的波前变化会直接影响波前重建的精度，而且，需要额外的移动导轨或测距设备进行移动量的精确测量。第二种方式的离焦像和焦面像由两个探测器采集，两个探测器之间的探测性能(灵敏度、暗电流等)差异会影响最终的波前探测精度。这使得传统的基于图像处理的波前传感方法在实际的应用中受到了限制。
发明内容
为了解决现有的光学系统波前测量方案易受环境扰动影响、探测精度较低的技术问题，本发明提供了一种光学系统波前测量装置及方法。
本发明的发明构思是：
传统的基于图像处理的波前探测，一般将探测器在待测光学系统焦面前后精确移动获取图像，或在光学系统后使用分光镜分光，使用双探测器获取图像；在获取图像后，建立优化模型，最终解算出系统的波前分布。而本发明首先设计出一种拼接式分光棱镜实现对光学系统焦面附近的光束分光，在分光棱镜后安装探测器组成波前探测装置；该波前探测装置仅用一次拍摄便可获得光学系统的焦面像、焦前像和焦后像；在获取图像后，使用基于角谱传播的一种迭代方法便可获取系统的波前。
本发明的技术解决方案是：
一种光学系统波前测量装置，其特殊之处在于：
包括拼接式分光棱镜和探测器；
拼接式分光棱镜由第一分光棱镜、第二分光棱镜和第三分光棱镜胶合而成；
第一分光棱镜包括第一棱镜表面、第二棱镜表面、第三棱镜表面、第四棱镜表面和第五棱镜表面；第一棱镜表面、第二棱镜表面、第三棱镜表面、第四棱镜表面镀有增透膜，第五棱镜表面镀有高反射膜；
第二分光棱镜包括第六棱镜表面和第七棱镜表面；第六棱镜表面上镀有反透比为3：1的膜层，第七棱镜表面上镀有增透膜；
第三分光棱镜包括第八棱镜表面和第九棱镜表面；第八棱镜表面上镀有反透比为2:1的膜层，第九棱镜表面上镀有增透膜；
所述第六棱镜表面与所述第二棱镜表面胶合，所述第八棱镜表面与所述第三棱镜表面胶合，胶合拼接后，第二分光棱镜的第七棱镜表面、第三分光棱镜的第九棱镜表面、第一分光棱镜的第四棱镜表面三者位于同一平面上；
光波经过待测的光学系统后进入拼接式分光棱镜，首先依次透过第一棱镜表面、第二棱镜表面，到达第六棱镜表面后，占总能量1/3的光继续传播，经过第七棱镜表面后由探测器接收，形成焦前像；
经过第六棱镜表面反射的占总能量2/3的光透过第二棱镜表面，再由第五棱镜表面反射，第三棱镜表面透射，到达第八棱镜表面后，占剩余光能量1/2的光继续传播，透射经过第九棱镜表面后到达探测器，形成焦面像；
到达第八棱镜表面后占剩余光能量1/2的光被反射，反射光透过第三棱镜表面，由第五棱镜表面反射后透过第四棱镜表面，最终由探测器接收，形成焦后像。
本发明还提供了一种利用上述的光学系统波前测量装置测量光学系统波前的方法，包括以下步骤：
步骤1：将探测器采集到的图像划分为焦面像、焦前像和焦后像；
步骤2：获取焦前像、焦面像、焦后像平面位置；
步骤3：初始化估计光学系统出瞳处的波像差，构造广义光瞳函数，初始化后的波像差初值为全0数据或随机数；
步骤4：基于步骤3构造的广义光瞳函数，使用菲尼尔衍射计算方法获取光学系统焦平面处光场分布；
步骤5：使用角谱传播方法将焦平面上的光场传播到焦前平面，得出焦前平面光场；
步骤6：更新步骤5计算得到的焦前平面光场；
步骤7：使用角谱传播方法将步骤6更新后的焦前平面上的光场传播到焦后平面，得出焦后平面光场；
步骤8：更新步骤7得到的焦后平面光场；
步骤9：使用角谱传播方法将步骤8更新后的焦后平面上的光场传播到焦平面，得出焦平面光场；
步骤10：更新步骤9得到的焦平面光场；
步骤11：重复5～10，直至焦前平面、焦平面和焦后平面这三个平面上的相位分布相对误差小于1/1000，结束迭代过程；
步骤12：将步骤11最终得到的焦平面光场、焦后平面光场、焦前平面光场分别反向传播到光学系统的出瞳位置，分别得到的出瞳位置处光场的相位，用出瞳位置处光场的相位除以2π便能得出波像差，将得到的波像差取平均值即为光学系统的波前。
进一步地，步骤2具体为：
2.1对焦面像、焦前像和焦后像进行图像处理，计算出各个像对应的光斑直径；
2.2由拼接式分光棱镜的几何尺寸和它与探测器之间的距离计算出离焦量设计值；
2.3使用光斑像直径和离焦量设计值组成二次函数，对离焦量设计值进行校正，计算出真实的焦面像、焦前像和焦后像的离焦量，得出焦前、焦面、焦后像平面位置。
进一步地，步骤3具体为：
首先假设光学系统出射光瞳处点(ξ,η)的相位偏差为k·W(ξ,η)，其中W(ξ,η)是有效的光程误差，k为波矢；若P(ξ,η)表示光瞳函数，广义光瞳函数P(ξ,η)由下式给出：
P(ξ,η)＝P(ξ,η)·exp(j·k·W(ξ,η))。
进一步地，步骤5、7、9中，按照下述公式计算光场从一个平面传播到另一个平面后的光场：
式中，DFT{}和IDFT{}代表离散傅里叶变化和逆傅里叶变换；离散数据的大小为M×N；dr和ds表示在j平面上点的采样间隔；t和u为频域内的下标；Gkj(x,y)代表从jth平面传播到传播到kth平面后的光场。
进一步地，步骤6更新焦前平面光场的方法是：保留焦前平面光场相位值，将焦前平面光场振幅由焦前平面上测得的强度值计算得出的振幅值替换；
步骤8更新焦后平面光场的方法是：保留焦后平面光场相位值，将焦后平面光场振幅由焦后平面上测得的强度值计算得出的振幅值替换；
步骤10更新焦平面光场的方法是：保留焦平面光场相位值，将焦平面光场振幅由焦平面上测得的强度值计算得出的振幅值替换；
基于测得的强度值，利用下述公式计算振幅值：
Fj(x,y)为复振幅分布；
Ij(x,y)为焦前平面、焦后平面或焦平面上测得的强度分布。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.与干涉测量方法相比，本发明是一种非干涉测量方式，抗振能力强，受气流扰动等的影响小，且结构简单，成本低廉，适合于大口径光学系统的外场测量。
2.与哈特曼波前传感方法相比，哈特曼波前传感器分辨率受到了微透镜个数的限制，而本发明的分辨率与探测器像元个数为同一量级，波前分辨率约为探测器像元个数的1/3。同时，在外场测量时，哈特曼传感器的微透镜阵列尺寸需要根据大气相干长度进行设计，其动态范围会受到限制，而本发明与之相比有较高的动态范围。
3.与传统的相位恢复波前测量方法相比，本发明采用拼接式分光棱镜实现分光处理，可以在一次拍摄就能获得焦面、焦前及焦后三幅图像，避免了多探测器的使用，实时性高。使用广义光瞳函数的傅里叶变换获得焦面像光场相位的初值，使得迭代计算过程收敛速度更快。离焦量的二次函数拟合校正使得离焦量更加准确，提高了波前重建的精度。
4.本发明采用的拼接式分光棱镜由三个分光棱镜胶合而成，三个分光棱镜的部分表面镀有增透膜或具有一定反透比的膜层，这种设计的膜层一方面能保证经过光学系统的光束以最大的透过率穿过拼接式分光棱镜到达探测器，使得波前测量装置能够测量较弱的光强，另一方面，能够保证探测器获得的焦前像、焦后像、焦面像具有相同的总能量，提高波前测量装置的光强动态范围和测量精度。
5.本发明非常适合于测量大口径光学系统的波前分布，应用前景广泛，值得被大力推广。
附图说明
图1是使用发明的波前测量装置测量光学系统波前的使用状态示意图。
图2是本发明提供的波前测量装置的原理示意图。
图3是本发明中拼接式分光棱镜的结构示意图。
附图标记说明：
1-光学系统，2-波前测量装置，3-拼接式分光棱镜，4-探测器，5-第一分光棱镜，6-第二分光棱镜，7-第三分光棱镜；8-第一棱镜表面(镀增透膜)，9-第二棱镜表面(镀增透膜)，10-第六棱镜表面(膜层反透比3:1)，11-第七棱镜表面(镀增透膜)，12-第五棱镜表面(镀反射膜)，13-第三棱镜表面(镀增透膜)，14-第八棱镜表面(膜层反透比1:1)，15-第九棱镜表面(镀增透膜)，16-第四棱镜表面(镀增透膜)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1、2所示，本发明所提供的波前测量装置2由拼接式分光棱镜3和探测器4组成。拼接式分光棱镜3由第一分光棱镜5、第二分光棱镜6和第三分光棱镜7胶合而成，棱镜的材料可以使用一般的玻璃材料。
第一分光棱镜5包括第一棱镜表面8、第二棱镜表面9、第三棱镜表面13、第四棱镜表面16和第五棱镜表面12；第一棱镜表面8、第二棱镜表面9、第三棱镜表面13、第四棱镜表面16镀有增透膜，第五棱镜表面12镀有高反射膜。
第二分光棱镜6包括第六棱镜表面10和第七棱镜表面11；第六棱镜表面10上镀有反透比为3：1的膜层，第七棱镜表面11上镀有增透膜。
第三分光棱镜7包括第八棱镜表面14和第九棱镜表面15；第八棱镜表面14上镀有反透比为2:1的膜层，第九棱镜表面15上镀有增透膜。
第二分光棱镜6的第六棱镜表面10与第一分光棱镜5的第二棱镜表面9胶合，第三分光棱镜7的第八棱镜表面14与第一分光棱镜5的第三棱镜表面13胶合，且胶合拼接后，第二分光棱镜6的第七棱镜表面11、第三分光棱镜7的第九棱镜表面15、第一分光棱镜5的第四棱镜表面16三者位于同一平面上。
光波经过光学系统1后进入拼接式分光棱镜3，首先依次透过第一棱镜表面8、第二棱镜表面9，到达第六棱镜表面10后，占总能量1/3的光继续传播，经过第七棱镜表面11后由探测器4接收，形成焦前像，焦前像光线路径为第一棱镜表面8-第二棱镜表面9-第六棱镜表面10-第七棱镜表面11。
经过第六棱镜表面10反射的占总能量2/3的光透过第二棱镜表面9，再由第五棱镜表面12反射，第三棱镜表面13透射，到达第八棱镜表面14后，占剩余光能量1/2的光继续传播，透射经过第九棱镜表面15后到达探测器4，形成焦面像，焦面像光线路径为第一棱镜表面8-第二棱镜表面9-第六棱镜表面10-第二棱镜表面9-第五棱镜表面12-第三棱镜表面13-第八棱镜表面14-第九棱镜表面15。
到达第八棱镜表面14后占剩余光能量1/2的光被反射，反射光透过第三棱镜表面13，由第五棱镜表面12反射后透过第四棱镜表面16，最终由探测器4接收，形成焦后像，焦后像光线路径为第一棱镜表面8-第二棱镜表面9-第六棱镜表面10-第二棱镜表面9-第五棱镜表面12-第三棱镜表面13-第八棱镜表面14-第三棱镜表面13-第五棱镜表面12-第四棱镜表面16。
本发明在第一分光棱镜5、第二分光棱镜6和第三分光棱镜7的各个表面上镀的膜层能够保证探测器4接收到的焦面像、焦前像、焦后像总能量相同，以保证波前测量的精度和波前测量装置的光强动态范围。在使用时可根据具体需求，设计合适的棱镜结构、各个棱镜表面之间的夹角以获得不同的离焦量。
利用上述波前测量装置2测量光学系统1波前的方法具体如下：
步骤1：将探测器4采集到的图像划分为焦面像、焦前像和焦后像。
将探测器4采集到的图像，按照第七棱镜表面11、第九棱镜表面15、第四棱镜表面16的尺寸进行网格划分，划分出焦面像、焦前像和焦后像。
步骤2：获取焦前像、焦面像、焦后像平面位置。
2.1对焦面像、焦前像和焦后像进行图像处理，计算出各个像对应的光斑直径；
2.2由拼接式分光棱镜3的几何尺寸和它与探测器4之间的距离计算出离焦量设计值；
2.3使用光斑像直径和离焦量设计值组成二次函数，对离焦量设计值进行校正，计算出真实的焦面像、焦前像和焦后像的离焦量，得出焦前、焦面、焦后像平面位置。
步骤3：初始化估计光学系统1出瞳处的波像差，构造广义光瞳函数初值，初始化后的波像差初值为全0数据或随机数；
首先假设光学系统1出射光瞳处点(ξ,η)的相位偏差为k·W(ξ,η)，其中W(ξ,η)是有效的光程误差，k为波矢，j2＝-1。若P(ξ,η)表示光瞳函数，广义光瞳函数P(ξ,η)由下式给出：
P(ξ,η)＝P(ξ,η)·exp(j·k·W(ξ,η)), (1)
步骤4：基于步骤3构造的广义光瞳函数，使用菲尼尔衍射计算方法获取光学系统1焦平面处光场分布。
焦平面光场中的相位部分保留，振幅数据由焦平面上测量得到的强度值计算给出的振幅数据代替。
当光波经过焦距为f的光学系统，在其焦面上形成的光场G(x,y)为：
其中z为像距，λ为光波长。
假设Ij(x,y)是在焦平面上测得的强度分布，则复振幅Fj(x,y)分布为：
x和y是强度和复振幅的下标，假设在由(2)式得出光场G(x,y)的相位分布为θj(x,y)，与在该面上的振幅分布组成如下光场分布：
Gj(x,y)＝|Fj(x,y)|exp[iθj(x,y)], (4)
步骤5：使用角谱传播方法将焦平面上的光场传播到焦前平面，得出焦前平面光场。
焦平面光场通过衍射传播到其他测量平面上。由于角谱传播方法是一种精确的衍射计算方法，且在传播过程中在各个平面上的采样间隔不会发生改变。光场从jth平面到kth平面上传播Δzkj距离的离散传播公式可以写成：
式中，DFT{}和IDFT{}代表离散傅里叶变化和逆傅里叶变换，在实际计算中是使用快速傅里叶变化进行实现。离散数据的大小为M×N，dr和ds表示在j平面上点的采样间隔，t和u为频域内的下标，Gkj(x,y)代表从jth平面传播到传播到kth平面后的光场。可以将以上传播过程写为：
Gkj(x,y)＝Tkj[Gj(x,y)]. (6)
其中Τkj表示光场的传播变换操作。
步骤6：更新步骤5计算得到的焦前平面光场Gkj(x,y)。
保留步骤5计算得到的焦前平面光场中的相位值不变，将步骤5计算得到的焦前平面光场中的振幅由焦前平面上测得的强度值计算得出的振幅值(该振幅值由前述公式(3)计算)替换。
步骤7：使用角谱传播方法将步骤6更新后的焦前平面上的光场传播到焦后平面，得出焦后平面光场(焦后平面光场利用前述公式(5)计算)。
步骤8：更新步骤7得到的焦后平面光场。
保留步骤7得到的焦后平面光场中的相位值，将步骤7得到的焦后平面光场中的振幅由焦后平面上测得的强度值计算得出的振幅值(该振幅值可利用前述公式(3)计算)替换。
步骤9：使用角谱传播方法将步骤8更新后的焦后平面上的光场传播到焦平面，得出焦平面光场，计算方法与步骤5相同。
步骤10：更新步骤9得到的焦平面光场。
保留步骤9得到的焦前平面光场中的相位值，将步骤9得到的焦前平面光场中的振幅由焦平面上测得的强度值计算得出的振幅值(该振幅值可利用前述公式(3)计算)替换。
步骤11：重复5～10，直至迭代焦前平面、焦平面和焦后平面这三个平面上的相位分布相对误差小于1/1000，结束迭代过程。
步骤12：将步骤11最终得到的焦平面光场、焦后平面光场、焦前平面光场分别反向传播到光学系统1的出瞳位置，分别得到的出瞳位置处光场的相位，用出瞳位置处光场的相位除以2π便能得出波像差，将得到的波像差取平均值即为光学系统的波前，从而实现光学系统1波前的测量。
Claims (6)
1.一种光学系统波前测量装置，其特征在于：
包括拼接式分光棱镜(3)和探测器(4)；
拼接式分光棱镜(3)由第一分光棱镜(5)、第二分光棱镜(6)和第三分光棱镜(7)胶合而成；
第一分光棱镜(5)包括第一棱镜表面(8)、第二棱镜表面(9)、第三棱镜表面(13)、第四棱镜表面(16)和第五棱镜表面(12)；第一棱镜表面(8)、第二棱镜表面(9)、第三棱镜表面(13)、第四棱镜表面(16)镀有增透膜，第五棱镜表面(12)镀有高反射膜；
第二分光棱镜(6)包括第六棱镜表面(10)和第七棱镜表面(11)；第六棱镜表面(10)上镀有反透比为3：1的膜层，第七棱镜表面(11)上镀有增透膜；
第三分光棱镜(7)包括第八棱镜表面(14)和第九棱镜表面(15)；第八棱镜表面(14)上镀有反透比为2:1的膜层，第九棱镜表面(15)上镀有增透膜；
所述第六棱镜表面(10)与所述第二棱镜表面(9)胶合，所述第八棱镜表面(14)与所述第三棱镜表面(13)胶合，胶合拼接后，第二分光棱镜(6)的第七棱镜表面(11)、第三分光棱镜(7)的第九棱镜表面(15)、第一分光棱镜(5)的第四棱镜表面(16)三者位于同一平面上；
光波经过待测的光学系统(1)后进入拼接式分光棱镜(3)，首先依次透过第一棱镜表面(8)、第二棱镜表面(9)，到达第六棱镜表面(10)后，占总能量1/3的光继续传播，经过第七棱镜表面(11)后由探测器(4)接收，形成焦前像；
经过第六棱镜表面(10)反射的占总能量2/3的光透过第二棱镜表面(9)，再由第五棱镜表面(12)反射，第三棱镜表面(13)透射，到达第八棱镜表面(14)后，占剩余光能量1/2的光继续传播，透射经过第九棱镜表面(15)后到达探测器(4)，形成焦面像；
到达第八棱镜表面(14)后占剩余光能量1/2的光被反射，反射光透过第三棱镜表面(13)，由第五棱镜表面(12)反射后透过第四棱镜表面(16)，最终由探测器(4)接收，形成焦后像。
2.利用权利要求1所述的光学系统波前测量装置测量光学系统波前的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将探测器(4)采集到的图像划分为焦面像、焦前像和焦后像；
步骤2：获取焦前像、焦面像、焦后像平面位置；
步骤3：初始化估计光学系统(1)出瞳处的波像差，构造广义光瞳函数，初始化后的波像差初值为全0数据或随机数；
步骤4：基于步骤3构造的广义光瞳函数，使用菲尼尔衍射计算方法获取光学系统(1)焦平面处光场分布；
步骤5：使用角谱传播方法将焦平面上的光场传播到焦前平面，得出焦前平面光场；
步骤6：更新步骤5计算得到的焦前平面光场；
步骤7：使用角谱传播方法将步骤6更新后的焦前平面上的光场传播到焦后平面，得出焦后平面光场；
步骤8：更新步骤7得到的焦后平面光场；
步骤9：使用角谱传播方法将步骤8更新后的焦后平面上的光场传播到焦平面，得出焦平面光场；
步骤10：更新步骤9得到的焦平面光场；
步骤11：重复5～10，直至焦前平面、焦平面和焦后平面这三个平面上的相位分布相对误差小于1/1000，结束迭代过程；
步骤12：将步骤11最终得到的焦平面光场、焦后平面光场、焦前平面光场分别反向传播到光学系统(1)的出瞳位置，分别得到的出瞳位置处光场的相位，用出瞳位置处光场的相位除以2π便能得出波像差，将得到的波像差取平均值即为光学系统的波前。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤2具体为：
2.1对焦面像、焦前像和焦后像进行图像处理，计算出各个像对应的光斑直径；
2.2由拼接式分光棱镜(3)的几何尺寸和它与探测器(4)之间的距离计算出离焦量设计值；
2.3使用光斑像直径和离焦量设计值组成二次函数，对离焦量设计值进行校正，计算出真实的焦面像、焦前像和焦后像的离焦量，得出焦前、焦面、焦后像平面位置。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤3具体为：
首先假设光学系统(1)出射光瞳处点(ξ,η)的相位偏差为k·W(ξ,η)，其中W(ξ,η)是有效的光程误差，k为波矢；若P(ξ,η)表示光瞳函数，广义光瞳函数P(ξ,η)由下式给出：
P(ξ,η)＝P(ξ,η)·exp(j·k·W(ξ,η))。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤5、7、9中，按照下述公式计算光场从一个平面传播到另一个平面后的光场：
式中，DFT{}和IDFT{}代表离散傅里叶变化和逆傅里叶变换；离散数据的大小为M×N；dr和ds表示在j平面上点的采样间隔；t和u为频域内的下标；Gkj(x,y)代表从jth平面传播到传播到kth平面后的光场。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤6更新焦前平面光场的方法是：保留焦前平面光场相位值，将焦前平面光场振幅由焦前平面上测得的强度值计算得出的振幅值替换；
步骤8更新焦后平面光场的方法是：保留焦后平面光场相位值，将焦后平面光场振幅由焦后平面上测得的强度值计算得出的振幅值替换；
步骤10更新焦平面光场的方法是：保留焦平面光场相位值，将焦平面光场振幅由焦平面上测得的强度值计算得出的振幅值替换；
基于测得的强度值，利用下述公式计算振幅值：
Fj(x,y)为复振幅分布；
Ij(x,y)为焦前平面、焦后平面或焦平面上测得的强度分布。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112903256A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-04 | 北京空间机电研究所 | 一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法 |
| CN113252308A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-13 | 北京空间机电研究所 | 空间大口径遥感相机环境试验波前重构实施系统及方法 |
| CN115127473A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-09-30 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种大口径光学元件面形检测装置及检测图像畸变校正方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090185132A1 (en) * | 2007-10-29 | 2009-07-23 | Amo Wavefront Sciences, Llc. | Systems and methods of phase diversity wavefront sensing |
| CN102564612A (zh) * | 2012-02-07 | 2012-07-11 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于组合棱镜的相位差波前传感器 |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090185132A1 (en) * | 2007-10-29 | 2009-07-23 | Amo Wavefront Sciences, Llc. | Systems and methods of phase diversity wavefront sensing |
| CN102564612A (zh) * | 2012-02-07 | 2012-07-11 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于组合棱镜的相位差波前传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 毛珩 等: ""复杂光瞳波前相位恢复算法与实验验证"", 《光学学报》 * |
| 王欣 等: ""相位变更方法发展简述"", 《光学技术》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112903256A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-04 | 北京空间机电研究所 | 一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法 |
| CN112903256B (zh) * | 2021-02-25 | 2022-07-29 | 北京空间机电研究所 | 一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法 |
| CN113252308A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-13 | 北京空间机电研究所 | 空间大口径遥感相机环境试验波前重构实施系统及方法 |
| CN115127473A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-09-30 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种大口径光学元件面形检测装置及检测图像畸变校正方法 |
| CN115127473B (zh) * | 2022-05-31 | 2023-12-08 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种大口径光学元件面形检测装置及检测图像畸变校正方法 |
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