CN112504480B - 一种高精度大视场波前测量方法、电子设备及介质 - Google Patents

一种高精度大视场波前测量方法、电子设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度大视场波前测量方法，包括步骤：分别在有/无光学畸变场的情况下获得的一对点阵图；在所述一对点阵图的查询区内设置M×N质询窗口阵列；进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标；结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板距成像靶面之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角；根据惠更斯原理，获得波前传播方向信息；通过积分方法，利用获得的波前传播方向信息进行波前重构，获取光程OPL结果，完成波前测量工作。本发明利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现大视场波前精确测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，造价低廉。

Description

一种高精度大视场波前测量方法、电子设备及介质
技术领域
本发明涉及属于波前测试技术领域，特别地，涉及一种高精度大视场波前测量方法、电子设备及介质。
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。
考虑到波前传感器的使用对等直光束的依赖，而等直光束多依赖于光学透镜和凹面镜实现，针对大视场波前的测量则需要大尺度的光学透镜或者凹面镜，不仅使得测试的成本显著提高，同时更大视场的波前测量实现难度同样很大。
发明内容
本发明一方面提供了一种高精度大视场波前测量方法，以解决现有大视场波前的测量需要大尺度的光学透镜或者凹面镜导致测试的成本显著提高、难以实现更大视场的高精度波前测量的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种高精度大视场波前测量方法，基于设置有成像靶面和掩膜板的图像传感器，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，包括步骤：
分别在有/无光学畸变场的情况下获得的一对点阵图；
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和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标；
结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板距成像靶面之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角；
根据惠更斯原理，获得波前传播方向信息；
通过积分方法，利用获得的波前传播方向信息进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作。
进一步地，所述进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标，具体包括步骤：
通过预先光路和互相关计算查询区配置，将位于查询区中心的质询窗口形心与光路主轴重合；
计算查询区中心点坐标为：
Figure BDA0002812048200000021
其中，C质询窗口形心之间的距离，S为质询窗口内切圆的直径，当M为奇数时，令M＝M+1，当N为奇数时，N＝N+1；
计算光线发生偏折前查询区内任意质询窗口形心坐标:
Figure BDA0002812048200000022
计算光线发生偏折后查询区内任意质询窗口形心坐标：
Figure BDA0002812048200000031
进一步地，所述结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板距成像靶面之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，具体包括步骤：
根据几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角：
Figure BDA0002812048200000032
进一步地，设置质询窗口时，单个质询窗口内光斑数量在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。
进一步地，所述微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板距成像靶面的距离满足关系：
Figure BDA0002812048200000033
同时L＞＞25λ，λ为光线波长；
所述成像靶面为CCD传感器或者CMOS传感器。
进一步地，所述微型通光孔在掩膜板上行列式规则分布，
或者，
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。
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，所述处理器执行所述程序时实现所述的高精度大视场波前测量方法。
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，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高精度大视场波前测量方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明的高精度大视场波前测量方法，基于质询窗形心坐标，提出了非准直光线下波前梯度获取方法，消除了传统波前测试下对于小偏折假设以及旁轴光路假设的依赖，提升了大视场波前测试精度以及实用性，使得基于短焦镜头实现大视场波前测量的精度得到保证。因此，本发明可利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现大视场波前测量，测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板，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，可根据所采用的普通镜头视场角的不同，实现大视场波前精确测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，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一种高精度大视场波前测量方法流程示意图；
图2是本发明另一优选实施例的查询区和质询窗口示意图；
图3是本发明优选实施例的一种大视场波前测量装置示意图；
图4为本发明另一优选实施例的步骤S3的子步骤流程示意图；
图5为本发明另一优选实施例的步骤S4的子步骤流程示意图；
图6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7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8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9是本发明优选实施例的电子设备实体示意框图。
图中：1、成像靶面；2、掩膜板；3、光学畸变场。
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3，本发明的优选实施例提供了一种高精度大视场波前测量方法，基于设置有成像靶面1和掩膜板2的图像传感器，所述掩膜板2上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，包括步骤：
S1、分别在有/无光学畸变场3的情况下获得的一对点阵图；
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和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
S3、进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标；
S4、结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板2距成像靶面1之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角；
S5、根据惠更斯原理，获得波前传播方向信息：
Figure BDA0002812048200000051
S6、通过积分方法，利用获得的波前传播方向信息进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作。
如图3所示，具有无畸变波前的光线在穿过光学畸变场之后会出现比较明显的波前畸变。在经过等效镜头组后穿过包含有大量微型通光孔的掩膜板后，变成大量的光束照射到成像靶面上，形成类似图4所示的光斑图像。考虑到普通镜头成像特点，成像靶面上接收的光斑尺寸会比对应通光孔径要大，可以通过简单的几何关系粗略计算得到。
我们基于普通汇聚镜头构建的新型大视场波前测试装置示意图，如图3所示。在小偏折角前提下，如果仅考虑y方向的偏折，其对应的光斑位移为Δy，结合掩膜板距成像靶面之间的距离L，可以计算对应y方向的光线偏折角θy＝arctan(Δy/L)。根据相同的原理，我们获取对应x方向的光线偏折角θx＝arctan(Δx/L)。只是这样获取的偏折角度是存在一定偏差的，主要是这种获取结果是建立在远场条件假设之下的，存在对小偏折假设以及旁轴光路假设的依赖，而大视场测量采用的是普通汇聚镜头，为了消除这一影响，我们在本实施例中引入了如下修正理论，消除对小偏折假设以及旁轴光路假设的依赖，以改善大视场波前测量精度，如设置M×N质询窗口阵列、在进行互相关计算处理时，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标，最后根据所得坐标及掩膜板2距成像靶面1之间的距离L计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。本实施例主要通过引入质询窗口形心坐标，提高大视场波前测量精度。
本实施例利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，基于质询窗口形心坐标，提出了非准直光线下波前梯度获取方法，消除了传统前测试下对于小偏折假设以及旁轴光路假设的依赖，提升了大视场波前测试精度以及实用性，使得基于短焦镜头实现大视场波前测量的精度得到保证。
测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板2，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，可根据所采用的普通镜头视场角的不同，实现大视场波前测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，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，而是质询窗口内大量光斑位移结构的共同表征量，虽然质询窗口内包括有大量光斑，但是因为使用的质询窗口尺寸非常小，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，而是质询窗口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。
如图4所示，在本发明的优选实施例中，所述进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标，具体包括步骤：
S31、通过预先光路和互相关计算查询区配置，将位于查询区中心的质询窗口形心与光路主轴重合；
S32、计算查询区中心点坐标为：
Figure BDA0002812048200000071
其中，C质询窗口形心之间的距离，S为质询窗口内切圆的直径，当M为奇数时，令M＝M+1，当N为奇数时，N＝N+1；
S33、计算光线发生偏折前查询区内任意质询窗口形心坐标:
Figure BDA0002812048200000081
S34、计算光线发生偏折后查询区内任意质询窗口形心坐标：
Figure BDA0002812048200000082
图2所示为本实施例的查询区和质询窗口示意图，其中，查询区中设置有3×3质询窗口阵列，本实施例通过合理设置查询区和质询窗口，精确计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标，从而为获得精确的光线偏折角奠定了基础，最终实现高精度的大视场波前测量。
如图5所示，在本发明的优选实施例中，所述结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板2距成像靶面1之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，具体包括步骤：
S41、根据几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角：
Figure BDA0002812048200000083
本实施例利用查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板2距成像靶面1之间的距离L之间的几何关系，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，所得的偏折角度偏差小，不受条件限制，消除了传统波前测试下对于小偏折假设以及旁轴光路假设的依赖，提升了大视场波前测试精度以及实用性，使得基于短焦镜头实现大视场波前测量的精度得到保证。
在本发明的优选实施例中，设置质询窗口时，单个质询窗口内光斑数量在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，所述微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板2距成像靶面1的距离满足关系：
Figure BDA0002812048200000091
同时L＞＞25λ，λ为光线波长。
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1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2距成像靶面1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
Figure BDA0002812048200000092
同时应该保证L＞＞25λ。
本实施例利用成像靶面1前安装具有高密度微型通光孔的掩膜板2，替代波前测试技术中的多种Hartmann掩膜板，提供了基于普通汇聚镜头实现大视场波前测量技术思路。因此，本发明可利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现大视场波前测量，测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板2，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，可根据所采用的普通镜头视场角的不同，实现大视场波前测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，造价低廉。
具有无畸变波前的光线在穿过光学畸变场3之后会出现比较明显的波前畸变。在经过等效镜头组后穿过包含有大量微型通光孔的掩膜板2后，变成大量的光束照射到成像靶面1上，形成光斑图像。
如图6所示，在本发明的优选实施例中，所述微型通光孔在掩膜板2上行列式规则分布。
如图7所示，在本发明的优选实施例中，所述微型通光孔在掩膜板2上无规则随机分布。
在本发明的优选实施例中，所述掩膜板2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口内光斑数量在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1为CCD传感器或者CMOS传感器。
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8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：
Figure BDA0002812048200000101
沿y方向，相邻两点的OPL有如下关系式：
Figure BDA0002812048200000102
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)：
Figure BDA0002812048200000111
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9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高精度大视场波前测量方法。
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高精度大视场波前测量方法。
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 (9)

1.一种高精度大视场波前测量方法，基于设置有成像靶面(1)和掩膜板(2)的图像传感器，所述掩膜板(2)上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，其特征在于，包括步骤：
分别在有/无光学畸变场(3)的情况下获得的一对点阵图；
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和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标；
结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板(2)距成像靶面(1)之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角；
根据惠更斯原理，获得波前传播方向信息：
通过积分方法，利用获得的波前传播方向信息进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作；
所述进行互相关计算处理，计算查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标，具体包括步骤：
通过预先光路和互相关计算查询区配置，将位于查询区中心的质询窗口形心与光路主轴重合；
计算查询区中心点坐标为：
Figure FDA0003237114610000011
其中，C质询窗口形心之间的距离，S为质询窗口内切圆的直径，当M为奇数时，令M＝M+1，当N为奇数时，N＝N+1；
计算光线发生偏折前查询区内任意质询窗口形心坐标:
Figure FDA0003237114610000021
计算光线发生偏折后查询区内任意质询窗口形心坐标：
Figure FDA0003237114610000022
2.根据权利要求1所述的高精度大视场波前测量方法，其特征在于，
所述结合查询区中心点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心坐标和掩膜板(2)距成像靶面(1)之间的距离L，计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，具体包括步骤：
根据几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角：
Figure FDA0003237114610000023
3.根据权利要求1所述的高精度大视场波前测量方法，其特征在于，
设置质询窗口时，单个质询窗口内光斑数量在20个以上。
4.根据权利要求1所述的高精度大视场波前测量方法，其特征在于，
所述积分方法包括Southwell积分算法、梯度积分算法。
5.根据权利要求1所述的高精度大视场波前测量方法，其特征在于，
所述微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板(2)距成像靶面(1)的距离满足关系：
Figure FDA0003237114610000024
同时L＞＞25λ，λ为光线波长；
所述成像靶面(1)为CCD传感器或者CMOS传感器。
6.根据权利要求5所述的高精度大视场波前测量方法，其特征在于，
所述微型通光孔在掩膜板(2)上行列式规则分布，
或者，
所述微型通光孔在掩膜板(2)上无规则随机分布。
7.根据权利要求6所述的高精度大视场波前测量方法，其特征在于，
所述掩膜板(2)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。
8.一种电子设备，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7中任一项所述的高精度大视场波前测量方法。
9.一种存储介质，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7中任一项所述的高精度大视场波前测量方法。
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