一種相位恢復方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相位恢復方法，將成像探測器的圓形探測面沿徑向等距離劃分成M個區(qū)域：中心圓形區(qū)域以及周圍的圓環(huán)區(qū)域；將最外側(cè)圓環(huán)區(qū)域均勻劃分成L個子探測區(qū)域；將外側(cè)圓環(huán)區(qū)域與中心圓形區(qū)域之間的圓環(huán)區(qū)域也均勻劃分成若干個子探測區(qū)域，將每個子探測區(qū)域作為最小的探測單元進行相位誤差測量，提高了算法速度，不需要利用波前傳感器測量波前誤差，降低了系統(tǒng)復雜性，減小了成本，結(jié)構(gòu)相對簡單；本發(fā)明只需一幅離焦面的圖像，無需采集多幅圖像，簡化了步驟，并且無需多次迭代，具有實時性好的特點。
【專利說明】一種相位恢復方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種相位恢復方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 波前傳感器是自適應光學系統(tǒng)的重要組成部分，其傳感結(jié)果被用來為后續(xù)的波前 校正器提供校正信號，最終使光學系統(tǒng)達到接近衍射極限的分辨率。按照波前傳感原理可 以將現(xiàn)有波前傳感技術(shù)分為兩類，一類是直接波前傳感，即對瞳面的波前分布進行直接測 量，采用直接波前傳感方式的波前傳感器包括哈特曼-夏克波前傳感器、剪切干涉儀等。直 接波前傳感方式具有原理簡單、運算速度快、測量帶寬高的優(yōu)點，缺點在于需要在被測光學 系統(tǒng)中加入單獨的測量光路，增加了系統(tǒng)的復雜性并且在測量時需要消除非共光路誤差。 另一類傳感方式是間接波前傳感，即通過測量焦面或者離焦面的光強分布，間接求解瞳面 的波前相位分布。間接傳感方式的優(yōu)點在于不需要獨立的波前傳感光路，可以利用被測光 學系統(tǒng)的成像探測器直接獲得所需的焦面或離焦面光強信息，系統(tǒng)簡單可靠并且不存在非 共光路誤差。相位恢復法是一種較為常用的間接波前傳感方法，該方法利用已知的像面和 瞳面光強分布反演瞳面的相位分布。傳統(tǒng)基于迭代的相位恢復方法的優(yōu)點在于傳感精度 高，缺點在于計算復雜且收斂緩慢，難以用于實時波前傳感。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種相位恢復方法，由位于離焦面的分塊式成像探測器 上采集的一幅圖像恢復瞳面相位分布；該方法不需要引入單獨的測量光路和波前傳感器進 行波前探測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需多次迭代，實時性好。
[0004] 本發(fā)明的一種相位恢復方法，用于測量被測成像系統(tǒng)的相位誤差，該方法包括如 下步驟：
[0005] 步驟1、采用點光源照射被測成像系統(tǒng)，并采用成像探測器在離焦面上接收光斑；
[0006] 其中，將所述成像探測器的圓形探測面沿徑向等距離劃分成Μ個區(qū)域，即為：中心 圓形區(qū)域以及Μ-1個圓環(huán)區(qū)域；其中，Μ的取值與表征瞳面波前誤差的澤尼克多項式的最大 徑向階數(shù)一致；
[0007] 將最外側(cè)圓環(huán)區(qū)域均勻劃分成L個子探測區(qū)域，其中，L的取值由所述澤尼克多項 式的最大角向階數(shù)決定，且子探測區(qū)域L的值至少為所述最大角向階數(shù)的2倍；
[0008] 將外側(cè)圓環(huán)區(qū)域與中心圓形區(qū)域之間的Μ-2個圓環(huán)區(qū)域分別均勻劃分成若干個 子探測區(qū)域，子探測區(qū)域的大小與最外側(cè)圓環(huán)區(qū)域中的子探測區(qū)域的大小盡量相等；
[0009] 步驟2、根據(jù)被測成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)以及成像探測器上每個劃分的子探測區(qū)域， 采用仿真方法得到傳遞矩陣Η ;
[0010] 步驟3、根據(jù)被測成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)以及成像探測器上每個劃分的子探測區(qū)域， 采用仿真方法得到成像系統(tǒng)在零像差時各子探測區(qū)域的歸一化光強組成的歸一化光強矩 陣1 0;
[0011] 步驟4、在實際測量時，記錄此時各個子探測區(qū)域探測到的歸一化光強大小，得到 有像差時所有子探測區(qū)域探測到的歸一化光強組成的矩陣I ;由ΛΙ = I-L，得到歸一化光 強變化矩陣ΛI ;其中，各子探測區(qū)域上的歸一化光強為各自區(qū)域上所有像素點探測到的 光強之和再進行歸一化處理；
[0012] 步驟5、根據(jù)成像探測器上的歸一化光強變化矩陣Λ I與傳遞矩陣Η以及Zernike 多項式系數(shù)向量A之間的線性關(guān)系：
[0013] Δ I = HXA
[0014] 得到各階Zernike多項式系數(shù)：
[0015] A = Η+ Δ I
[0016] 其中，H+是傳遞矩陣Η的偽逆矩陣；
[0017] 步驟6、將步驟5得到的各階Zernike多項式系數(shù)代入到表征瞳面波前誤差的前Ν 項Zernike多項式的線性疊加式中：
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種相位恢復方法，用于測量被測成像系統(tǒng)的相位誤差，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟1、采用點光源照射被測成像系統(tǒng)，并采用成像探測器在離焦面上接收光斑； 其中，將所述成像探測器的圓形探測面沿徑向等距離劃分成M個區(qū)域，即為：中心圓形 區(qū)域以及M-I個圓環(huán)區(qū)域；其中，M的取值與表征瞳面波前誤差的澤尼克多項式的最大徑向 階數(shù)一致； 將最外側(cè)圓環(huán)區(qū)域均勻劃分成L個子探測區(qū)域，其中，L的取值由所述澤尼克多項式的 最大角向階數(shù)決定，且子探測區(qū)域L的值至少為所述最大角向階數(shù)的2倍； 將外側(cè)圓環(huán)區(qū)域與中心圓形區(qū)域之間的M-2個圓環(huán)區(qū)域分別均勻劃分成若干個子探 測區(qū)域，子探測區(qū)域的大小與最外側(cè)圓環(huán)區(qū)域中的子探測區(qū)域的大小盡量相等； 步驟2、根據(jù)被測成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)以及成像探測器上每個劃分的子探測區(qū)域，采用 仿真方法得到傳遞矩陣H; 步驟3、根據(jù)被測成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)以及成像探測器上每個劃分的子探測區(qū)域，采用 仿真方法得到成像系統(tǒng)在零像差時各子探測區(qū)域的歸一化光強組成的歸一化光強矩陣I。； 步驟4、在實際測量時，記錄此時各個子探測區(qū)域探測到的歸一化光強大小，得到有像 差時所有子探測區(qū)域探測到的歸一化光強組成的矩陣I;由Al=I-Ici，得到歸一化光強變 化矩陣AI;其中，各子探測區(qū)域上的歸一化光強為各自區(qū)域上所有像素點探測到的光強 之和再進行歸一化處理； 步驟5、根據(jù)成像探測器上的歸一化光強變化矩陣AI與傳遞矩陣H以及Zernike多項 式系數(shù)向量A之間的線性關(guān)系： AI=HXA 得到各階Zernike多項式系數(shù)： A=H+AI 其中，H+是傳遞矩陣H的偽逆矩陣； 步驟6、將步驟5得到的各階Zernike多項式系數(shù)代入到表征瞳面波前誤差的前N項Zernike多項式的線性疊加式中：
得到瞳面相位分布％Gv八）； 其中，（Xc^ytl)是瞳面上的位置坐標，Zernike多項式系數(shù)向量A= {a2，a3，...，aN}T,Zi (xQ,yQ)是第i階Zernike多項式。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種相位恢復方法，其特征在于，所述步驟3中獲得歸一化光強 矩陣Itl的具體過程為： 通過仿真將構(gòu)成瞳面波前誤差的前N階Zernike多項式的系數(shù)全部置為零，記錄此時 各個子探測區(qū)域的光強，然后將各個子探測區(qū)域的光強除以整個探測面探測的總光強，即 組成歸一化光強矩陣1〇。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種相位恢復方法，其特征在于，所述步驟2中采用仿真方法得 到傳遞矩陣H的具體過程為： 將構(gòu)成瞳面波前的第i階Zernike多項式的系數(shù)ai改變一個微小量Sai，計算由Sai 引起的每個所述子探測區(qū)域相應的歸一化光強變化SIi =Ii-Ici，其中Ii是第i階Zernike 多項式的系數(shù)變化后每個子探測區(qū)域探測的歸一化光強大小，計算由Sai引起的每個子探 測區(qū)域相應的SIi7^ai，則SIi7^ai構(gòu)成傳遞矩陣H的第i列。
【文檔編號】G01M11/02GK104266769SQ201410571350
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】董冰, 喻際 申請人:北京理工大學