[發明專利]基于圓載頻相位解調法的光學系統波前測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201310441895.8
• 申請日: 2013-09-25
• 公開（公告）號: CN103557948A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 陳磊;解曉龍;張城;谷晨風;李金鵬;李博;方波
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01J9/02
• 分類號: G01J9/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

1.一種基于圓載頻相位解調法的光學系統波前測量裝置，其特征在于，包括沿光路方向依次共軸設置的激光器(1)、擴束器(2)、空間濾波器(3)、待測光學系統(4)、點衍射板(5)和CCD相機(6)，其中空間濾波器(3)設置于擴束器(2)的焦點，點衍射板(5)設置于待測光學系統(4)的出射波面匯聚點；所述點衍射板(5)包括針孔和針孔外圍部分，并且針孔外圍部分鍍有高反射膜層；

激光器(1)發出一束光，經擴束器(2)匯聚到空間濾波器(3)后的出射光為理想球面波，該理想球面波經待測光學系統(4)后攜帶待測光學系統(4)的像差信息傳播到點衍射板(5)，并經點衍射板(5)分成兩束光：一束通過點衍射板(5)針孔部分衍射產生標準球面波，為參考波面；另一束通過點衍射板(5)針孔外圍部分依然攜帶待測光學系統(4)的像差，為測試波面；參考波面與測試波面發生干涉被CCD相機(6)接收。

2.根據權利要求1所述的基于圓載頻相位解調法的光學系統波前測量裝置，其特征在于，所述點衍射板(5)的針孔半徑r_B滿足：

r_B≤1.22λF_#???????(1)

式中λ是激光波長，F_#是待測光學系統(4)的F系數。

3.一種基于圓載頻相位解調法的光學系統波前測量方法，其特征在于，采用點衍射板(5)生成包含圓載頻的干涉圖，使用四相位拼接法求解圓載頻干涉圖中的原始相位，具體步驟如下：

步驟1，激光器(1)發出一束光，經擴束器(2)匯聚到空間濾波器(3)后的出射光為理想球面波，將待測光學系統(4)置于空間濾波器(3)后方，該理想球面波經待測光學系統(4)后攜帶待測光學系統(4)的像差信息并傳播到點衍射板(5)；

步驟2，調整光學系統使點衍射板(5)的針孔與待測光學系統(4)出射波面匯聚點重合，待測光學系統(4)的出射波經點衍射板(5)分成兩束光：一束通過點衍射板(5)針孔部分衍射產生標準球面波，為參考波面；另一束通過點衍射板(5)針孔外圍部分依然攜帶待測光學系統(4)的像差，為測試波面；參考波面與測試波面發生干涉并被CCD相機(6)接收；

步驟3，沿光軸方向調整點衍射板(5)的軸向位置，在CCD相機(6)接收的干涉圖中引入圓載頻條紋，得到圓載頻干涉圖；

步驟4，采用四相位拼接法確定圓載頻干涉圖中的原始相位，得到待測光學系統(4)的波前。

4.根據權利要求3所述的基于圓載頻相位解調法的光學系統波前測量方法，其特征在于，步驟3中所述引入圓載頻條紋的數量為6～10根。

5.根據權利要求3所述的基于圓載頻相位解調法的光學系統波前測量方法，其特征在于，步驟4中所述采用四相位拼接法確定圓載頻干涉圖中的原始相位，具體為：

（1）對采集到的圓載頻干涉圖進行二維傅里葉變換得到其頻譜：

f=FFT{I_circle}??????(2)

式中I_circle代表圓載頻干涉圖光強；

用一對正交的半通濾波器對所得到的頻譜做半側濾波，并分別對濾波后的頻譜做傅里葉逆變換得到Z₁(x,y)和Z₂(x,y)，

Z₁(x,y)=Z_1Re(x,y)+iZ_1Im(x,y)????(3)

Z₂(x,y)=Z_2Re(x,y)+iZ_2Im(x,y)???(4)

式中，Z_1Im(x,y)為Z₁(x,y)的虛部，Z_1Re(x,y)為Z₁(x,y)的實部，Z_2Im(x,y)為Z₂(x,y)的虛部，Z_2Re(x,y)為Z₂(x,y)的實部；

由下式恢復得到含有符號跳變的x方向的相位分布和y方向的相位分布

（2）用條紋方向角確定圖像中心坐標：利用下式確定原始圓載頻干涉圖條紋方位角的分布Θ(x,y)：

Θ(x,y)=tan-1[∂Icircle(x,y)∂y/∂Icircle(x,y)∂x]---(6)]]>

得到條紋方位角分布Θ后，用羅伯特算子G_x和G_y與條紋方位角分布Θ進行二維卷積運算檢測邊沿：

▿Θ(x,y)={[Θ(x,y)**Gx]2+[Θ(x,y)**Gy]2}1/2---(7)]]>

式中**為卷積符號；得到一幅二值圖像，采用下式顯示邊沿BW(x,y)：

BW(x,y)=1,if|▿Θ|>threshold0,otherwise---(8)]]>

其中▽表示拉普拉斯算子；閾值threshold大于條紋方位角分布Θ的灰度圖像的平均梯度；

對二值圖像BW(x,y)進行霍夫變換，可以得到其拼接中心所在的直線為：

xcosθ₁+ysinθ₁＝r₁????????(9)

式中，r₁、θ₁為直線極坐標方程參數，通過對BW(x,y)進行霍夫變換確定；

對Θ(x,y)進行霍夫變換，可以得到拼接中心所在直線為：

xcosθ₂+ysinθ₂＝r₂??????(10)

式中，r₂、θ₂為直線極坐標方程參數，通過對Θ(x,y)進行霍夫變換確定；

兩直線相交點就是四相位拼接的中心(x₀,y₀)，(x₀,y₀)由下式確定：

x0=r1sinθ2-r2sinθ1sin(θ2-θ1)y0=r2cosθ1-r1cosθ2sin(θ2-θ1)---(11)]]>

（3）以拼接中心(x₀,y₀)為原點建立直角坐標系，則在y>0半側等于原始相位，而在y<0半側等于原始相位的共軛，二者幅度相等，符號相反；則在x>0半側等于原始相位，而在x<0半側等于原始相位的共軛，二者幅度相等，符號相反；因此，在拼接中心為(x₀,y₀)的情況下，由和得到的校正符號后的實際相位為：

實現四相位拼接，確定圓載頻干涉圖中的原始相位，其表達式如下：