專利名稱：基于波面分割及離焦的相位恢復波前分析儀及其分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的波前分析儀，具體涉及到采用一種基于波面分割和離焦的相位恢復技術(shù)進行波前分析，該波前分析儀可用于高精度波面分析、光學系統(tǒng)檢測和光學表面平整度檢測等。本發(fā)明還涉及這種基于波面分割及離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法。
背景技術(shù)：
波前分析是光學領(lǐng)域的一個重要研究方向，通過分析光波的強度信息，獲得光波的相位信息，即波前信息。在計量學中，常常用來檢測光學表面的平整度，以及微小瑕疵等。在自適應(yīng)光學出現(xiàn)以前，主要采用干涉技術(shù)和相位恢復技術(shù)，進行波前分析。馬赫-曾德爾干涉儀，邁克爾遜干涉儀，泰曼-格林干涉儀，菲索干涉儀等都是通過分析干涉圖樣進行波前分析的。采用干涉技術(shù)進行波前分析的優(yōu)點在于波前分析的精度高，技術(shù)相對成熟。缺點在于干涉儀系統(tǒng)太復雜，需要專職人員操作；環(huán)境因素影響較大，需要較高的環(huán)境質(zhì)量；干涉儀都比較精密，微小的移動，都需要精密調(diào)整，不適合運動作業(yè)。此外，干涉技術(shù)無法克服相位的2 周期循環(huán)問題，獲得的干涉圖樣需要進行十分復雜的相位解包裹運算。因此，雖然使用干涉技術(shù)可以在一個波長的范圍內(nèi)進行精度很高的波前分析，但是很難勝任相位超過2 的波前分析。相位恢復技術(shù)通過由光學系統(tǒng)的光強分布，通過優(yōu)化算法恢復相位信息，進行波前分析。這種技術(shù)的優(yōu)點在于不需要干涉儀那樣復雜的光學系統(tǒng)，但是缺點是速度較慢，優(yōu)化算法的收斂特性是相位恢復技術(shù)成敗的關(guān)鍵因素。自適應(yīng)光學技術(shù)出現(xiàn)之后，各種波前傳感器相繼出現(xiàn)，提供了多種波前分析和測量技術(shù)，為波前分析提供了多種選擇。常用的波前傳感器有Hartmann-Shack波前傳感器、曲率傳感器、剪切干涉儀。Hartmann-Shack波前傳感器由微透鏡陣列和CXD(Charge-coupled device)相機組成，通過測量CCD上的質(zhì)心偏移，獲得波前信息。Hartmann-Shack波前傳感器設(shè)備簡單，使用方便，是一種十分常用的波前傳感器。但是Hartmann-Shack波前傳感器的質(zhì)心偏移計算是一種微分算法,噪聲對測量精度影響很大。曲率傳感器通過測量離開焦點距離相同，方向相反的兩點的強度，獲得待測波前信息。相對比較復雜，而且動態(tài)范圍與離開焦點的距離密切相關(guān)。剪切干涉儀本質(zhì)上是一種干涉技術(shù)，而且至少需要兩個探測器對兩個方向分別進行剪切干涉，操作比較復雜，對硬件要求也比較聞。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中波前分析儀器的上述不足，本發(fā)明的目是提供一種基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀，該方案使用方便、抗噪聲能力強、精度高、量程大，可廣泛應(yīng)用于各種光學檢測中進行波前分析。本發(fā)明還將提供涉及這種基于波面分割及離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀，由微透鏡陣列和高靈敏度CCD相機組成，其特征在于，所述的CCD相機位于偏離所述微透鏡陣列的焦平面的位置。離焦距離越大，引入的離焦像差也越大，CXD相機獲得的光斑圖會變模糊，信噪比迅速降低，會嚴重影響波前分析的精度；離焦距離太小，引入的離焦像差也越小，CCD相機獲得的光斑圖集中在一起，波前信息就不能夠充分地體現(xiàn)出來，為波前分析增加了難度，特別是不利于大像差下的波前分析。所述的“CCD相機位于偏離所述微透鏡陣列的焦平面的位置”的具體位置，按照以下公式確定
引入離焦像差的大小由引入的離焦距離決定
權(quán)利要求
1.一種基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀，由微透鏡陣列和高靈敏度CCD相機組成，其特征在于，所述的CXD相機位于偏離所述微透鏡陣列的焦平面的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀，其特征在于，所述的“CCD相機位于偏離所述微透鏡陣列的焦平面的位置”的具體位置，按照以下公式確定 引入離焦像差的大小由引入的離焦距離決定
3.一種權(quán)利要求1所述的基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法，其特征在于，步驟如下 第一步，通過CXD相機獲得光斑圖； 第二步，對獲得的光斑圖進行去除噪聲、定位圖像中心、強度估算等預處理； 第三步，進行相位恢復，通過多次循環(huán)迭代優(yōu)化波前信息，最終優(yōu)化出入射波前。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法，其特征在于，第一步中所述“離焦點”的具體距離，按照以下公式確定 引入離焦像差的大小由引入的離焦距離決定
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法，其特征在于，第三步中所述的進行相位恢復，采用了積分算法，使波前分析抗噪聲能力更強。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5之一所述的基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法，其特征在于，第三步中所述的優(yōu)化入射波前，其中，波前像差的描述采用Zernike多項式法
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀的分析方法，其特征在于，第三步中所述的優(yōu)化入射波前，其中，由CCD相機實際獲得的強度分布圖為^ ,通過權(quán)利要求6中假定的波前和獲得圖像的強度信息4@，可以理論計算出CXD所在平面的強度分布;據(jù)此，相位恢復優(yōu)化算法的評價函數(shù)定義為
全文摘要
基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀及其分析方法，波前分析儀由微透鏡陣列和高靈敏度CCD相機組成，特征是CCD相機位于偏離微透鏡陣列的焦平面的位置。分析方法步驟如下第一步，通過CCD相機獲得光斑圖；第二步，對獲得的光斑圖進行去除噪聲、定位圖像中心、強度估算等預處理；第三步，進行相位恢復，通過多次循環(huán)迭代優(yōu)化相位信息，最終優(yōu)化出入射波前。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中波前分析儀器的不足，利用基于波前分割和離焦的相位恢復波前分析儀，進行波前分析，波前分析精度高、波前分析量程大、波前分析抗噪能力強。該方案使用方便，可廣泛應(yīng)用于各種光學檢測中進行波前分析。
文檔編號G01J1/00GK103033260SQ20121054424
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者張思炯, 李常偉, 李邦明 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術(shù)研究所