[发明专利]一种用于相位差波前传感器的离焦量测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于相位差波前传感器的离焦量测量方法。

背景技术

波前相差会使入射光束的波前发生畸变，从而大大降低光学成像系统的分辨力以及成像质量。自上世纪50年代，人们提出了自适应光学技术（Adaptive Optics,AO），有效改善了光学成像系统，尤其是地基式望远镜的成像质量。但受限于波前传感器的探测精度，变形镜的有限校正能力，以及控制回路的有限带宽，AO系统对波前畸变的校正是部分的，其校正后的结果依然受到残余相差的影响，服务于AO系统成像结果的事后处理方法一直是该领域的研究热点。

相位差波前传感器（Phase Diversity Wavefront Sensor,PD WFS）通过同时采集同一目标经过不同光学通道的一组或多组图像（通常为焦面和离焦面图像），来计算入射光波的波前畸变，并恢复出退化目标的真实像。因此PD WFS既作为一种波前探测技术，又提供了一种图像事后处理方法，受到国内外广泛研究和关注：美国亚里桑那光学中心、波音公司下属实验室、洛克希德-马丁公司下属实验室、通用动力高级信息系统公司下属实验室等多家研究机构相继搭建了实验平台，以验证PD WFS的可行性和实用性（王欣，赵达尊,毛珩等,相位变更方法发展简述[J].光学技术，2009，35（3）：454~460）。

根据PD WFS的工作原理，需要同时采集同一目标的焦面和离焦面两幅图像，并要求尽可能精确地知道离焦面图像的离焦量大小，这使系统离焦量测量准确与否，成为PD WFS成败的关键因数（杨磊，刘忠，金振宇等，离焦量误差对相位差法波前重构的影响[J].天文研究与技术，2009，6（1）：43~50；李斐，饶长辉，相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法[J]．强激光与粒子束，2011，23（3）：599~605）。目前，用于PD WFS的离焦量测量技术求解离焦波面可通过如下公式实现：

式中，F为成像系统焦距，D为成像系统口径，λ为入射光波波长，x,y∈[-1,1]为波面函数归一化坐标，Δd为成像系统焦面和离焦面之间的光程差，其测量可采用如下公式估算：

Δd＝a-b                                    （2）

式中，a和b分别为光电探测器CCD分别位于成像系统焦面和离焦面时对应的位置。

由上述分析可知，传统离焦量测量技术需要平移机构调整光电探测器CCD的位置，并依赖于光栅尺等精密工具测量平移距离，以此替代真实的光程差Δd，然后利用公式（1）计算系统离焦量（李强，基于相位差法的高分辨率成像和望远镜像差检测技术[M].中国科学院研究生院博士学位论文.2007）。但是该测量方法机构复杂、过程繁琐并且精度不高，假设λ＝632.8μm,F＝100mm,D＝8mm，如果光电探测器CCD的平移距离产生0.01mm的测量偏差，离焦波面将产生10%的估算误差，这将导致PD WFS无法正确探测波前和复原图像；另一方面，实际系统中光电探测器CCD的移动轴和系统光轴不可避免的存在一定夹角，这使电探测器CCD的平移距离不可能等于焦面和离焦面之间的光程差。因此，传统离焦量测量技术难以用于实际工程。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有离焦量测量技术难以用于实际工程的诸多局限，为PD WFS提供一种结构简单、操作灵活，计算结果准确可靠的离焦量测量方法，实现不改变光电探测器CCD位置、不依赖其它测量工具，仅利用离焦面远场光斑图像精确测量系统离焦量。

本发明的技术解决方案是：采用平行光源入射PD WFS，处理算法利用离焦面远场光斑图像计算系统离焦量，步骤如下：

（1）算法从获取离焦面远场光斑图像D(u,v)开始，u,v为图像函数定义域坐标，设置循环变量k＝0、广义光瞳函数p(x,y)＝1、初始离焦波面可为任意随机数，根据以上参数构建光瞳面复振幅函数x,y为波面函数定义域坐标，i为虚数单位

（2）对光瞳面复振幅函数运用傅里叶变换FT，得到成像面复振幅函数u^k(u,v)×exp[iφ^k(u,v)]，并用采集的离焦面远场光强分布替换u^k(u,v)，获得离焦面远场光斑图像所对应的成像面复振幅函数