[發明專利]一種基于交叉迭代自動對焦的波前檢測方法

有效

• 申請號: 202110274702.9
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN112903121B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 白劍;趙磊;汪凱巍;侯晶
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發明公開了一種基于交叉迭代自動對焦的波前檢測方法。該方法利用解析梯度公式對離焦距離優化實現了離焦位置的自動確定，并利用交叉迭代方法克服了波前的不精確造成的離焦位置確定不準確的問題和離焦位置不確定造成的波前重建不精確的問題，通過對同一個目標函數分別對離焦距離、波前振幅和相位進行優化，實現了離焦位置和波前誤差的精確重建。本發明實現了多圖大離焦誤差的精確確定，無需額外構建目標函數即可實現在不確定離焦位置的情況下，波前實現精確重建。

技術領域

本發明涉及光學測量和成像技術領域，尤其涉及一種基于交叉迭代自動對焦的波前檢測方法。

背景技術

計算成像極大地改變了傳統成像所見即所得的模式，通過計算機的后期處理，克服了傳統成像系統成像不完善的弊病，而且降低了成像系統的尺寸和重量。相干衍射成像是計算成像的一種實現方式。相干衍射成像是基于迭代方法的定量相位成像方式；使用圖像傳感器在焦面或者離焦面采集衍射圖像；使用傅里葉變換和逆傅里葉變換反復迭代計算得到待測波前或圖像的振幅和相位；迭代過程中對振幅或者支持域的處理類似于向采集面或者待測面做映射，當強度采集面的條件與待測面的條件都滿足時，波前重建完成。相干衍射成像又一般稱之為相位恢復。相位恢復是一種使用衍射強度基于傅里葉變換和逆傅里葉變換實現波前相位重建的方法，它裝置十分簡單，在最簡單的情況下，基于相位恢復的相位恢復波前檢測裝置只需要光源、待測元件和一個圖像傳感器即可實現波前重建。相位恢復根據使用的衍射光斑采集的位置不同，又可以分為橫向相位差法(子孔徑拼接)和軸向相位差法，由于軸向相位差法操作簡單，而且對于一般的成像系統都可滿足要求，因此被廣泛應用于光學成像，檢測，自適應光學等等方面。軸向相位差法是在焦面和離焦面采集多幅圖，然后在相位恢復算法中依次使用不同位置采集的光強圖，并反復迭代，直到算法收斂，實現波前重建。

然而，軸向相位差法對于離焦位置的測定非常敏感，尤其對于不同離焦面的之間的相對位置非常敏感，一般情況下選擇高精度的精密導軌移動圖像傳感器采集衍射光斑，造成了整套裝置的價格非常昂貴，而且在某些應用情況下，如在位檢測，難以安放精密導軌，這樣就造成了離焦位置非常難以確定。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于交叉迭代自動對焦的波前檢測方法，以解決軸向相位差法中離焦位置不準造成的波前重建誤差，并降低整套裝置的成本，用算法代替昂貴的精密位移裝置。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種基于交叉迭代自動對焦的波前檢測方法，在激光器的出射光路上依次布置有擴束器、待測平板、會聚透鏡、圖像傳感器，該方法包括如下步驟：

S1：移動所述圖像傳感器，在不同的離焦距離采集n幅含有所述的待測平板波前誤差的離焦光斑；

S2：分別設置所述會聚透鏡的焦距s、口徑D、每一幅離焦光斑的名義離焦位置z_k、離焦位置優化步長step_z、相位優化步長step_phase、振幅優化步長step_amp、波前檢測的迭代總數N、離焦優化迭代總數N_z、迭代判斷閾值M、波前檢測的初始迭代計數i＝1、待測波前初始估計值g¹(x,y)，其中，(x,y)為所述待測平板的坐標；

S3：使用所述離焦光斑與待測波前的估計值的衍射傳播計算值U_k構建優化目標函數

其中，u,v是離焦光斑位置處的坐標，I_k是在離焦位置z_k處采集的離焦光斑，U_k是待測波前在離焦位置z_k處的衍射積分；W_k(u,v)是權重分布，用來移除圖像傳感器上信噪比低的像素點和壞點；