CN112629677A - 基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置及检测方法 - Google Patents

基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置及检测方法，该方法通过将衍射计算过程使用半解析衍射基函数替代，然后在衍射面之间利用矩阵运算迭代求解多项式系数，实现了高速大动态范围的波前检测。该装置包括依次设置的激光器、平凸透镜、扩束镜、待测透镜、图像传感器。本发明基于半解析衍射理论计算衍射基函数代替傅里叶变换计算衍射传输过程，通过矩阵运算实现在衍射面的多项式系数求解，无需返回测量面，能够实现快速大动态范围的精确波前检测。该装置通过使用平凸透镜代替反射镜实现光路转折，不仅实现了光路转折而且实现了光强的衰减，此外由于后表面为弯曲状，因此后表面反射光不再返回原光路免除了干扰。

Description

基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置及检测方法。
背景技术
随着现代科技的进步，基于计算机控制的小口径研磨车削加工工具使大口径自由曲面元件的加工成为了可能。大口径自由曲面元件被广泛应用于惯性约束核聚变等大功率激光系统中。由于大口径光学透镜本身的表面缺陷及小尺寸加工工具研磨过程中留下的加工误差导致大口径光学透镜出射的波前不再是理想波前。在强激光系统中，光学元件的面形误差会造成会聚焦斑的畸变造成能量损失并损害激光系统。因此对大口径光学透镜中低频误差进行检测控制成为提高强激光会聚激光性能的关键。自由曲面元件的检测由于其面形复杂、空间频率高，检测难度大，制约了惯性约束核聚变中激光光学元件应用水平的提高。传统的波前检测技术依赖于光学干涉方法，对于大相对孔径、高陡度、高空间频率的光学元件，往往无法形成可靠的干涉条纹。干涉检测一般只能获得被测波前的低频误差，利用子孔径拼接方法虽然可以获得中频误差，但结构复杂，测量时间长，无法满足实际应用需求。
相位恢复波前检测是近年来方兴未艾的一种新型的非干涉式波前探测方法，基于计算光学成像原理，直接通过焦斑能量分布计算反演出波前信息，结构简单，无需形成干涉条纹，适用于大相对孔径、高陡度的波前检测。同时，利用光学元件空间结构的衍射效应，可以获得宽空间频段的波前相位信息，从而满足自由曲面波前误差的检测要求。利用相位恢复技术实现对自由曲面元件波前误差的检测，有助于有效解决复杂光学元件的检测问题，有助于进一步提高惯性约束核聚变系统光学元件性能。但是传统迭代式相位恢复方法适用于小相对口径且波差小于一个波长的检测，而且传统方法需要在测量面与衍射面之间反复迭代获取待测波前需要消耗大量的时间。而且对由于傅里叶变换过程中需要满足采样条件，因此对测量面和衍射面的采样率有很高要求，参与迭代运算的矩阵巨大，消耗了大量的计算资源并严重拖沓了计算速度。
发明内容
针对现有的迭代相位恢复方法在测量大口径光学透镜大波前误差时采样量大、计算时间长、装置搭建复杂等问题，本发明提供一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法及装置，具体技术方案如下：
一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置，该装置包括激光发射器、平凸透镜、扩束器、待测透镜和图像传感器，沿前向光路的方向，所述平凸透镜倾斜度位于所述激光发射器之后，且平面朝向所述激光发射器，所述扩束器、平待测透镜依次设置在所述平凸透镜之后，且所述平凸透镜、扩束器、待测透镜、图像传感器共光轴；所述图像传感器固定在精密导轨上，且所述图像传感器位于所述待测透镜的离焦位置处。
一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法，该方法基于上述的波前检测装置来实现，该方法包括如下步骤：
S1：移动所述图像传感器，在不同的离焦距离采集含有所述的待测透镜波前误差的离焦光强图，并将离焦光强图转换为一维列向量Ik,k＝1,2,···,n；
S2：对S1采集到的离焦光强图进行相位恢复，获得待测透镜的波前误差信息，具体包括如下子步骤：
S2.1：设置待测透镜的焦距s、口径D、每一幅离焦光强图的离焦量fk、离焦面复振幅波前的初始估计系数β、初始步长step、迭代总数N_iter、初始迭代次数i＝1；
S2.2：在每个离焦位置Δzk处，使用半解析衍射基函数计算半解析衍射模式梯度矩阵中的每个元素，得到半解析衍射模式矩阵Vk，并将半解析衍射模式矩阵Vk转换成一维列向量Ck，并计算Ck的逆矩阵
Figure BDA0002809887440000021
S2.3：计算离焦复振幅波前Gk＝βTCk；
S2.4：将S2.3得到的波前Gk中的振幅替换为真实采集到的振幅值，即S1采集到的在离焦位置Δzk处的离焦光强图转换的一维列向量Ik的平方根
Figure BDA0002809887440000022
S2.5：通过矩阵运算求解系数
Figure BDA0002809887440000023
S2.6：如果i<N_iter，则令k＝mod((i+1)/n)，i＝i+1，并返回S2.3，否则结束迭代；
S2.7：计算多项式的基函数矩阵Z，重构波前W＝βTZ，获得待测透镜的波前误差信息。
进一步地，所述半解析衍射基函数选自扩展奈波尔-泽尼克衍射基函数、切比雪夫衍射基函数和勒让德衍射基函数中的任一种。
进一步地，所述S2.7中的多项式选自泽尼克多项式、切比雪夫多项式和勒让德多项式中的任一种。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置通过使用平凸透镜而不是反射镜进行光路转折，不仅实现了光路转折而且实现了光强衰减，并且平凸透镜后表面的弯曲状将杂散光发散掉而不干扰测量光路，规避了系统误差。
(2)本发明的波前检测方法使用半解析衍射模式计算衍射过程，规避了采样量巨大的问题，通过矩阵运算求解多项式系数而且不用返回测量面，减少了计算量，提高了计算速度，在相同迭代次数的情况下计算速度提高了一个数量级。
附图说明
图1为本发明的基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置的示意图。
图2为本发明的波前检测方法的流程图。
图3为本发明的基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法的检测结果图，其中，图3(a)为波前的真实值，图3(b)为本发明的方法恢复的波前，图3(c)为VSM-HDA方法恢复的波前，图3(d)为本发明的方法计算的残余误差，图3(e)为VSM-HDA方法计算的残余误差。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置，包括激光发射器1、平凸透镜2、扩束器3、待测透镜4和图像传感器5，沿前向光路的方向，所述平凸透镜2倾斜45度位于所述激光发射器1之后，且平面朝向所述激光发射器1，所述扩束器3、平待测透镜4依次设置在所述平凸透镜2之后，且所述平凸透镜2、扩束器3、待测透镜4、图像传感器5共光轴；所述图像传感器5固定在精密导轨6上，且所述图像传感器5位于所述待测透镜4的离焦位置处。
激光发射器1发出线光源或点光源，经平凸透镜2转折衰减光、扩束镜3准直扩束，待测透镜4会聚，通过精密导轨6移动图像传感器5的移动，图像传感器在不同的离焦距离采集多幅含有待测透镜4波前误差的离焦光强图。
本发明的波前检测装置使用平凸透镜而不是反射镜进行光路转折，不仅实现了光路转折而且实现了光强衰减，并且平凸透镜后表面的弯曲状将杂散光发散掉而不干扰测量光路，规避了系统误差。
本发明的基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法，该方法包括如下步骤：
S1：移动所述图像传感器，在不同的离焦距离采集含有所述的待测透镜波前误差的离焦光强图，并将离焦光强图转换为一维列向量Ik,k＝1,2,···,n；k＝1,2,···,n；
S2：对S1采集到的离焦光强图进行相位恢复，获得待测透镜的波前误差信息，具体包括如下子步骤：
S2.1：设置待测透镜的焦距s、口径D、每一幅离焦光强图的离焦fk、离焦面复振幅波前的初始估计系数β、初始步长step、迭代总数N_iter、初始迭代次数i＝1；
S2.2：在每个离焦位置Δzk处，使用半解析衍射基函数计算半解析衍射模式梯度矩阵中的每个元素，得到半解析衍射模式矩阵Vk，并将半解析衍射模式矩阵Vk转换成一维列向量Ck，并计算Ck的逆矩阵
Figure BDA0002809887440000041
Figure BDA0002809887440000042
Figure BDA0002809887440000043
Figure BDA0002809887440000044
Figure BDA0002809887440000045
Figure BDA0002809887440000046
其中，(μ,ν)表示像面坐标，fk为离焦量，
Figure BDA0002809887440000047
为扩展奈波尔-泽尼克理论的内核，Hcm(μ,ν)、Gcm(μ,ν)、Hsm(μ,ν)、Gsm(μ,ν)均为中间变量，j为虚数，
Figure BDA0002809887440000048
为像面角频率,Re表示取实部，Im表示取虚部，tab(m)表示下标m对应的泽尼克角频率；
S2.3：计算离焦复振幅波前Gk＝βTCk；
S2.4：将S2.3得到的波前Gk中的振幅替换为真实采集到的振幅值，即S1采集到的在离焦位置Δzk处的离焦光强图转换的一维列向量Ik的平方根
Figure BDA0002809887440000049
S2.5：通过矩阵运算求解系数
Figure BDA00028098874400000410
S2.6：如果i<N_iter，则令k＝mod((i+1)/n)，i＝i+1，并返回S2.3，否则结束迭代；
S2.7：计算多项式的基函数矩阵Z，重构波前W＝βTZ，获得待测透镜的波前误差信息。
半解析衍射基函数选自扩展奈波尔-泽尼克衍射基函数、切比雪夫衍射基函数和勒让德衍射基函数中的任一种。
所述S2.7中的多项式选自泽尼克多项式、切比雪夫多项式和勒让德多项式中的任一种。
下面给出本发明的方法的一个具体实施例，对该方法的技术效果进行说明。
在该实施例中，选用的半解析衍射基函数为扩展奈波尔-泽尼克衍射基函数，选用的多项式为泽尼克多项式。采集的离焦光强图为3幅。同时本发明的方法和VSM-HDA方法进行波前恢复，得到的结果图如图3所示。从图3中可以看出本发明的方法恢复的波前与真实值非常接近，效果明显优于VSM-HDA方法。表1为两种算法恢复的均方根误差和消耗时间对比。从表1可以看出，本发明的方法的均方根误差更小，所用时间也更少。
表1波前恢复均方根误差与消耗时间对比值
VSM-HDA方法 本发明的方法
均方根(λ) 0.0121 0.0068
时间(s) 21.15 8.36
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测装置，其特征在于，该装置包括激光发射器(1)、平凸透镜(2)、扩束器(3)、待测透镜(4)和图像传感器(5)，沿前向光路的方向，所述平凸透镜(2)倾斜45度位于所述激光发射器(1)之后，且平面朝向所述激光发射器(1)，所述扩束器(3)、平待测透镜(4)依次设置在所述平凸透镜(2)之后，且所述平凸透镜(2)、扩束器(3)、待测透镜(4)、图像传感器(5)共光轴；所述图像传感器(5)固定在精密导轨(6)上，且所述图像传感器(5)位于所述待测透镜(4)的离焦位置处。
2.一种基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的波前检测装置来实现，该方法包括如下步骤：
S1：移动所述图像传感器，在不同的离焦距离采集含有所述的待测透镜波前误差的离焦光强图，并将离焦光强图转换为一维列向量Ik,k＝1,2,···,n；
S2：对S1采集到的离焦光强图进行相位恢复，获得待测透镜的波前误差信息，具体包括如下子步骤。
S2.1：设置待测透镜的焦距s、口径D、每一幅离焦光强图的离焦量fk、离焦面复振幅波前的初始估计系数β、初始步长step、迭代总数N_iter、初始迭代次数i＝1；
S2.2：在每个离焦位置Δzk处，使用半解析衍射基函数计算半解析衍射模式梯度矩阵中的每个元素，得到半解析衍射模式矩阵Vk，并将半解析衍射模式矩阵Vk转换成一维列向量Ck，并计算Ck的逆矩阵
Figure FDA0002809887430000011
S2.3：计算离焦复振幅波前Gk＝βTCk；
S2.4：将S2.3得到的波前Gk中的振幅替换为真实采集到的振幅值，即S1采集到的在离焦位置Δzk处的离焦光强图转换的一维列向量Ik的平方根
Figure FDA0002809887430000012
S2.5：通过矩阵运算求解系数
Figure FDA0002809887430000013
S2.6：如果i<N_iter，则令k＝mod((i+1)/n)，i＝i+1，并返回S2.3，否则结束迭代；
S2.7：计算多项式的基函数矩阵Z，重构波前W＝βTZ，获得待测透镜的波前误差信息。
3.根据权利要求2所述的基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法，其特征在于，所述半解析衍射基函数选自扩展奈波尔-泽尼克衍射基函数、切比雪夫衍射基函数和勒让德衍射基函数中的任一种。
4.根据权利要求2所述的基于模式复原的快速大动态范围波前检测方法，其特征在于，所述S2.7中的多项式选自泽尼克多项式、切比雪夫多项式和勒让德多项式中的任一种。
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