一种基于计算成像的高分辨率哈特曼相位检测方法及系统

本发明涉及光学测量，尤其是涉及一种基于计算成像的高分辨率哈特曼相位检测方法及系统。

背景技术：

1、在光学测量众多技术当中，测量精度最高的当属干涉测量。但是干涉测量需要满足严格的干涉条件，且对环境敏感。同时复杂的干涉光路也让干涉测量设备体积较大且价格昂贵。哈特曼波前传感器作为一种非干涉测量装置，是由一块透镜阵列和ccd组合而成的波前探测设备，通过透镜阵列焦点处的ccd接收焦点光斑，根据光斑偏移量得到入射波前斜率，从而重构波面。由于其装置简单无需干涉且抗干扰能力较强，已广泛应用于激光焦斑探测、光学元件检测、自适应光学等领域。

2、现有技术中，授权号为cn111829671b的中国专利公开了一种高分辨波前检测装置及波前复原方法，该装置包括缩束器、分光镜组以及数据处理系统，通过设置多个哈特曼波前传感器，优化波前分割采样阵列，充分利用各传感器探测数据，摆脱了单个哈特曼波前传感器微透镜阵列数量限制对测量空间分辨率的限制。但是该方法并未解决哈特曼传感器存在的一个不容忽视的弊端，其检测结果的空间分辨率受制于透镜阵列中的子透镜个数，即便增加了哈特曼传感器的个数，也仍然受限于哈特曼传感器自身条件的约束，从而无法提高分辨率，从而该方法导致分辨率较低且视场较小。此外，哈特曼传感器的质心标定过程较为复杂，多个哈特曼传感器更是带来了复杂的内部结构。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于计算成像的高分辨率哈特曼相位检测方法及系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一方面，本发明公开了一种基于计算成像的高分辨率哈特曼相位检测方法，包括以下步骤：

4、s1、构建计算成像的哈特曼传感器检测系统，根据该系统采集穿过透镜阵列光束的强度图，通过光强传输方程计算出透镜阵列的相位分布；

5、s2、将被测物置于透镜阵列前方，ccd相机置于透镜阵列后方，由ccd相机采集一幅衍射强度图，透镜阵列与ccd相机的位置关系满足透镜阵列的各个子透镜衍射光斑不发生交叠；

6、s3、基于透镜阵列的相位分布，对所述的衍射强度图采用计算成像方法，生成待测物复振幅信息。

7、进一步地，所述步骤s1具体过程包括：

8、构建计算成像的哈特曼传感器检测系统，所述系统包括：将激光器出射的光束经过准直器和扩束镜转变为平面波前，将平面波前照射哈特曼传感器中的透镜阵列，

9、将ccd相机置于透镜阵列焦平面处采集一幅在焦强度图；

10、再沿光轴方向前后移动距离为z，并分别采集两幅离焦强度图，将上述强度图输入matlab得到光强分布i；

11、基于光强分布i，通过光强传输方程计算出透镜阵列的相位分布。

12、进一步地，通过光强传输方程计算出透镜阵列的相位分布，计算公式为：

13、

14、其中k为波数，i为光强分布，z为距离，h为待求相位分布，为哈密顿算子。

15、进一步地，所述步骤s3中，计算成像方法具体通过相干调制成像方法的迭代计算来实现。

16、进一步地，所述的迭代计算的具体步骤为：

17、s31、设被测物初始的波前分布为en；

18、s32、光束正向传播l1至透镜阵列，得到透镜阵列面入射光束的复振幅分布为

19、s33、入射光束经过相位分布为h的透镜阵列调制后，出射光束复振幅分布为pn＝gn×h；

20、s34、出射光束继续正向传播l2至ccd相机，得到ccd相机在焦平面的光束复振幅分布为

21、s35、对焦平面的光束复振幅分布进行焦平面约束，保持相位不变，用ccd相机记录到的强度平方根替换计算所得振幅|en|；

22、s36、根据焦平面的光束复振幅分布，将从在焦平面逆向传播l2至透镜阵列平面的光束复振幅分布表示为：

23、s37、将逆向传播至透镜阵列平面的光束继续逆向传播，得到到达透镜阵列的光束复振幅分布表示为gn'，γ为自选系数，ψ*为ψ的共轭：

24、

25、s38、将到达透镜阵列的光束继续逆向传播l1至被测物平面得到的光束复振幅分布表示为：

26、s39、对被测物平面的波前分布进行更新，更新后的波前分布为en+1，同时作为下一次迭代的初始值：

27、en+1＝enc+η(en'-en)(1-c)

28、重复上述步骤直到en与en'之间的误差满足待测物的精度要求为止；

29、其中en为波前分布，l1为待测物体至透镜阵列的距离，l2为透镜阵列至ccd相机的距离，n表示第n次迭代，表示正向传输，表示反向传输，c为样本平面孔径函数，η为自选系数。

30、进一步地，如果被检测物的数量级尺寸小于ccd靶面时，将被测物直接置于透镜阵列前进行检测，经过迭代计算后的复振幅即为被测物复振幅信息。

31、进一步地，如果被检测物的数量级尺寸大于ccd靶面时，先更换扩束镜，再在被测物体样本与透镜阵列之间放置傅里叶透镜；

32、所述的扩束镜满足扩束后的光束尺寸大于被检测物的数量级尺寸，所述的傅里叶透镜满足缩束后的缩小光斑尺寸至透镜阵列大小，将透镜阵列和ccd相机置于光路中进行信息采集，经过迭代计算后的复振幅即为被测物复振幅信息。

33、进一步地，将被检测物紧贴傅里叶透镜放置，傅里叶透镜、透镜阵列和ccd相机之间的位置距离满足缩束成像关系，确保经过傅里叶透镜的光斑能够被采集到。

34、进一步地，存在和不存在被测物分别采集一次并使用上述迭代算法，两次运算结果之差即为消除系统误差的被测物复振幅信息。

35、另一方面，本发明提出了一种基于计算成像的哈特曼传感器检测系统，包括激光光源、准直器、扩束镜、透镜阵列、傅里叶透镜和ccd相机，该系统用于实现基于计算成像的哈特曼传感器检测方法。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

37、1、本发明提出将透镜阵列的相位分布先行标定并作为先验信息，用以增加被测物的特征量，同时使用计算成像方法恢复被测物相位信息，在不增加任何光学元件的基础上，将哈特曼传感器的空间分辨率大幅提升，实现了较高分辨率波前探测以及光学元件面形检测，可以实现对从细胞到大尺寸光学元件更宽尺度范围的被测物检测，实现了更大尺度上的测量，本发明具有大范围使用的潜力。

38、2、本发明将透镜阵列作为光场调制器件，在不增加任何光学元件的前提下对透镜阵列进行标定，将透镜复振幅分布代入迭代计算中，利用透镜阵列中子透镜的强调制作用，使得迭代可以加速收敛至全局最优解，具有简化内部构件的数量，降低复杂操作的便利效果，比现有技术中使用gs迭代收敛更快且相位检测精度更高。

39、3、本发明提出通过计算成像方法实现被测物检测的方法，将透镜阵列作为光场调制器件，在不增加任何光学元件的前提下对透镜阵列进行标定，可以不再受透镜阵列自身条件的限制，可以达到与使用的ccd相机一致的分辨率，保证了较高的分辨率。