CN112504479B

CN112504479B - 一种新型波前测量装置及方法、设备及介质

Info

Publication number: CN112504479B
Application number: CN202011399432.6A
Authority: CN
Inventors: 丁浩林; 易仕和
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112504479A

Abstract

本发明公开了一种新型波前测量装置及方法、设备及介质，所述装置包括设置有成像靶面的图像传感器、光源，所述成像靶面的前方沿远离成像靶面的方向依次同轴地安装设置有掩膜板、第二透镜、光阑、第一透镜，所述掩膜板上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板距成像靶面的距离满足关系：

同时L＞＞25λ，λ为光线波长；所述第二透镜、第一透镜的焦点重叠，所述光阑设置在焦点重叠处；所述光源为准直光源或非准直光源。本发明通过设计双远心光路、带有设定密度的微型通光孔的掩膜板，并结合互相关计算方法，突破了传统波前测试对于准直光线的依赖，测量精度高、造价低廉。

Description

一种新型波前测量装置及方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及波前测试技术领域，特别地，涉及一种新型波前测量装置及方法、设备及介质。

背景技术

最早的Hartmann波前传感器主要通过在成像靶面前面布置一个具有很多小孔的Hartmann平板实现。光束在透过Hartmann平板后会形成很多小光束。受到变折射率场扰动影响后光束在靶面上的位置会发生变化。根据惠更斯(Huygens)原理结合Hartmann平板与靶面之间的距离便可以得到对应小孔处波前的空间梯度，选取合适的积分方法完成波前重构。Shack-Hartmann(S-H)波前传感器通过利用微透镜阵列代替了早期的Hartmann平板，透过微透镜的光束会聚焦在成像靶面上，通过类似Hartmann波前传感器的方法实现波前信息捕获。微透镜的运用使得S-H波前传感器的聚光效率更高，在微光条件下也可以比较好地使用。其次成像靶面上光斑的尺寸更小，确定光束偏斜角度更为精确。

Hartmann波前传感器采用的Hartmann平板上面通光孔直径比较大，而且分布非常稀疏，不仅使得波前测试的误差比较大，而空间分辨率非常低。这主要是由于早期的加工能力以及所使用的光斑质心提取算法决定的。Shack-Hartmann(S-H)波前传感器通过使用微透镜阵列替代Hartmann平板，实现了光斑汇聚，不仅提高了光斑质心的提取精度而且可以在弱光下工作。只是，受到微透镜物理加工的限制，微透镜阵列中单个子孔径相对比较大，而且相邻子孔径形心间距不可能小于子孔径本身，这就限制了波前测试空间分辨率的提升，导致测试精度不够。与此同时，在测量大动态范围的光学波前时，需要更换分布更为稀疏的微透镜阵列，以防止单个微透镜聚焦光斑串至其它微透镜对应区域，同时，现有波前测试的高精度测试结果高度依赖于有/无准直光源，以上各种不足，不仅增加了波前测试的工作量，而且增加了波前测试的成本投入，限制了测试精度提升。

发明内容

本发明一方面提供了一种新型波前测量装置，以解决现有波前测试的工作量大、成本投入高、限制了测试精度提升的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型波前测量装置，包括设置有成像靶面的图像传感器、光源，所述成像靶面的前方沿远离成像靶面的方向依次同轴地安装设置有掩膜板、第二透镜、光阑、第一透镜，所述掩膜板上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板距成像靶面的距离满足关系：

同时L＞＞25λ，λ为光线波长；

所述第二透镜、第一透镜的焦点重叠，所述光阑设置在焦点重叠处；

所述光源为准直光源或非准直光源。

进一步地，所述微型通光孔在掩膜板上行列式规则分布。

进一步地，所述微型通光孔在掩膜板上无规则随机分布。

进一步地，所述掩膜板上的微型通光孔的分布密度满足孔隙比0.4～0.6，且各微型通光孔相互之间不重叠。

进一步地，所述成像靶面为CCD传感器或者CMOS传感器。

本发明另一方面还提供了一种波前测量方法，基于所述的波前测量装置，包括步骤：

通过光源在有/无光学畸变场的情况下依次经过第一透镜、光阑、第二透镜和掩膜板后，在成像靶面上成像得到一对点阵图；

在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M个和N个大小一致的质询窗，得到M×N质询窗阵列；

进行互相关计算处理，获得相应的质询窗位置对应的光学畸变导致的光线偏移(Δx,Δy)；

结合光线偏移(Δx,Δy)和掩膜板距成像靶面之间的距离L，计算对应x和y方向的光线偏折角：

根据惠更斯原理，获得波前传播方向：

通过积分方法，利用(2)式所获得的波前传播方向进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作。

进一步地，设置质询窗时，单个质询窗内光斑数量在20个以上。

进一步地，所述积分方法包括Southwell积分算法、梯度积分算法。

本发明另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述的新型波前测量方法。

本发明另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其特征在于，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的新型波前测量方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明的新型波前测量装置及方法，利用第二透镜、光阑、第一透镜组成的双远心光路消除了传统波前测试对于准直光线的依赖；通过在成像靶面前安装具有高密度微型通光孔的掩膜板，替代波前测试技术中的多种Hartmann掩膜板，可以突破微透镜阵列物理加工限制，实现不同子孔径重叠布置，进而显著提升了波前测试的空间分辨率和测试精度；通过改变互相关计算质询窗设置，可以实现子孔径动态配置，从而根据测试对象需求，便捷的修改相应参数，以实现不同的波前测试空间分辨率和动态测试范围；掩膜板造价在百元量级，远小于微透镜阵列成本，造价低廉。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的波前测量装置原理示意图(有准直光源)。

图2是本发明另一优选实施例的波前测量装置原理示意图(无准直光源)。

图3是本发明另一优选实施例的微型通光孔在掩膜板上行列式规则分布时的示意图。

图4本发明另一优选实施例的微型通光孔在掩膜板上无规则随机分布时的示意图。

图5是本发明另一优选实施例的一种波前测量方法流程示意图。

图6是本发明另一优选实施例的Southwell积分算法的积分网格示意图。

图7是本发明优选实施例的电子设备实体示意框图。

图中：1、准直光源；2、光学畸变场；3、第一透镜；4、光阑；5、第二透镜；6、掩膜板；7、成像靶面；8、非准直光源。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种新型波前测量装置，包括设置有成像靶面7的图像传感器、光源，其中，图1中所述光源为准直光源1，图2中所述光源为非准直光源8，所述成像靶面7的前方沿远离成像靶面7的方向依次同轴地安装设置有掩膜板6、第二透镜5、光阑4、第一透镜3，所述掩膜板6上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板6距成像靶面7的距离满足关系：

同时L＞＞25λ，λ为光线波长；

所述第二透镜5、第一透镜3焦点重叠，所述光阑4设置在焦点重叠处。

考虑到当微型通光孔径d小于或者等于光线波长λ时会出现比较明显的衍射现象，影响光斑在成像靶面7上的有效成像。为减小衍射现象的影响，这里要求d>10λ。同时，考虑到掩膜板6距成像靶面7的距离L＞＞d²/(4λ)时，比较容易出现明显的夫琅禾费衍射现象，这里我们限制L≈d²/(4λ)，那么

同时应该保证L＞＞25λ。

第二透镜5、第一透镜3焦点重叠，即第二透镜5、第一透镜3共焦点放置，并在共焦点处布置光阑4，以实现双远心光路。本实施例通过使用双远心光路，在有/无准直光源的前提下都可以实现高精度波前测量，只是准直光源1的使用会获取更高亮度的光斑信息。同时，双远心光路的使用，保证了成像靶面7获取的光斑尺寸相对于掩膜板6上的微型通光孔的直径基本不变，确定光束偏斜角度更为精确。

本实施例的波前测量装置利用第二透镜5、光阑4、第一透镜3组成的双远心光路消除了传统波前测试对于准直光线的依赖，无论是在准直光源1还是非准直光源8的情况下，均能获得较高精度的测试结果；通过在成像靶面7前安装具有高密度微型通光孔的掩膜板6，替代波前测试技术中的多种Hartmann掩膜板，可以突破微透镜阵列物理加工限制，实现不同子孔径重叠布置，进而显著提升了波前测试的空间分辨率和测试精度；通过改变互相关计算质询窗设置，可以实现子孔径动态配置，从而根据测试对象需求，便捷的修改相应参数，以实现不同的波前测试空间分辨率和动态测试范围；掩膜板6造价在百元量级，远小于微透镜阵列成本，造价低廉。

具有无畸变波前的光线在穿过光学畸变场2之后会出现比较明显的波前畸变。在经过第二透镜5、光阑4、第一透镜3并穿过包含有大量微型通光孔的掩膜板6后，变成大量的光束照射到成像靶面7上，形成光斑图像。

如图3所示，在本发明的优选实施例中，所述微型通光孔在掩膜板6上行列式规则分布。

如图4所示，在本发明的优选实施例中，所述微型通光孔在掩膜板6上无规则随机分布。

在本发明的优选实施例中，所述掩膜板6上的微型通光孔的分布密度满足孔隙比0.4～0.6，且各微型通光孔相互之间不重叠。

本实施例中，微型通光孔分布相对比较密集，但相互之间没有重叠，以保证互相关计算单个质询窗内光斑数量在20个以上，从而保证互相关计算获取的位移数据可以达到亚像素精度。

在本发明的优选实施例中，所述成像靶面7为CCD传感器或者CMOS传感器。

如图5所示，本发明另一优选实施例中还提供了一种新型波前测量方法，基于所述的新型波前测量装置，包括步骤：

S1、通过光源在有/无光学畸变场的情况下依次经过第一透镜3、光阑4、第二透镜5和掩膜板6后，在成像靶面7上成像得到一对点阵图；

S2、在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M个和N个大小一致的质询窗，得到M×N质询窗阵列；

S3、进行互相关计算处理，获得相应的质询窗位置对应的光学畸变导致的光线偏移(Δx,Δy)；

S4、结合光线偏移(Δx,Δy)和掩膜板6距成像靶面7之间的距离L，计算对应x和y方向的光线偏折角：

S5、根据惠更斯原理，获得波前传播方向：

S6、通过积分方法，利用(2)式所获得的波前传播方向进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作。

本实施例利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现波前测量，测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板6，结合互相关计算方法，突破了传统波前测试对于准直光线的依赖，可通过改变互相关计算的质询窗设置，实现子孔径动态配置，可以根据测试对象需求，便捷的修改相应参数，以实现不同的波前测试空间分辨率和动态测试范围，造价低廉。

需要指出的是，本实施例步骤S3中获取的位移数据并不是单个光斑的偏移结果，而是质询窗内大量光斑位移结构的共同表征量，虽然质询窗内包括有大量光斑，但是因为使用的质询窗尺寸非常小，依旧可以获得相对比较高的空间分辨率，本实施例中，之所以获取的位移数据并不是单个光斑的偏移结果，而是质询窗内大量光斑位移结构的共同表征量，其好处是增加了测试子孔径内灰度分布的复杂性，提升位移计算的精度。

在本发明的优选实施例中，设置质询窗时，单个质询窗内光斑数量在20个以上，从而保证互相关计算获取的位移数据可以达到亚像素精度。

在本发明的优选实施例中，所述积分方法包括Southwell积分算法、梯度积分算法，式(2)中的负号主要根据光路布置决定，可以利用小孔成像原理解释。这里，我们以Southwell方法使用为例，说明获取光程OPL的基本过程。

如图6所示为Southwell积分算法的积分网格图，h为x方向的网格间距，l为y方向的网格间距。

沿x方向，相邻两点的OPL有如下关系式：

沿y方向，相邻两点的OPL有如下关系式：

利用式(3)和式(4)我们可以构建任意一点(i,j)处OPL与其周围四个点((i,j-1),(i,j+1),(i-1,j),(i+1,j))之间的相互关系。通过对式(3)和式(4)进行积分，并对求得的四个值进行加权平均处理以得到OPL(i,j)：

式(5)中，ω表示各点的权重，考虑到边界的特殊性，则存在的点对应权重为1，不存在的点对应权重为0，以合理表示每一点的信息。计算过程中，按照式(5)对整个区域计算完毕后，进入下一步迭代。这里，可以根据相邻两步之间的相对差值确定需要迭代的次数，当然，也可以根据相关条件进行人为设定阈值条件，直至获取满意的计算结果为止。总体而言，Southwell积分算法对初值条件的敏感度较低，即使给出的初值条件和真实情况相差比较远，只要迭代次数足够多，也可以得到相对比较好的计算结果。若初值条件与实际情况比较接近，那么经历较少的迭代次数就可以得到比较好的结果。这里，我们将初值设置为零，针对标准平凸透镜的波前重构结果验证了这一设置的可靠性。

如图7所示，在本发明的优选实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的波前测量方法。

具体地，在本发明的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的波前测量方法。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例方法所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型波前测量方法，基于新型波前测量装置，所述新型波前测量装置，包括设置有成像靶面(7)的图像传感器、光源，所述成像靶面(7)的前方沿远离成像靶面(7)的方向依次同轴地安装设置有掩膜板(6)、第二透镜(5)、光阑(4)、第一透镜(3)，所述掩膜板(6)上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板(6)距成像靶面(7)的距离满足关系：

同时L＞＞25λ，λ为光线波长；所述第二透镜(5)、第一透镜(3)的焦点重叠，所述光阑(4)设置在焦点重叠处；所述光源为准直光源(1)或非准直光源(8)；所述微型通光孔在掩膜板(6)上行列式规则分布或无规则随机分布，所述微型通光孔在掩膜板(6)上，所述掩膜板(6)上的微型通光孔的分布密度满足孔隙比0.4～0.6，且各微型通光孔相互之间不重叠，所述成像靶面(7)为CCD传感器或者CMOS传感器，其特征在于，包括步骤：

通过光源在有/无光学畸变场的情况下依次经过第一透镜(3)、光阑(4)、第二透镜(5)和掩膜板(6)后，在成像靶面(7)上成像得到一对点阵图；

结合光线偏移(Δx,Δy)和掩膜板(6)距成像靶面(7)之间的距离L，计算对应x和y方向的光线偏折角：

根据惠更斯原理，获得波前传播方向：

通过积分方法，利用(2)式所获得的波前传播方向进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作；

设置质询窗时，单个质询窗内光斑数量在20个以上。

2.根据权利要求1所述的新型波前测量方法，其特征在于：

所述积分方法包括Southwell积分算法、梯度积分算法。

3.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至2中任一项所述的新型波前测量方法。

4.一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其特征在于，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至2中任一项所述的新型波前测量方法。