CN108760056A - 一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法及系统。所述测量方法包括：建立光学测量系统，光学测量系统包括：激光器、光学衰减组、衰减片、相机、电动位移台；电动位移台控制相机移动到z₁位置，通过相机采集z₁位置的D₁面光斑图像，获得第一光斑图像；电动位移台控制相机移动到能够明显看出光斑大小变化的z₂位置，通过相机采集所述z₂位置的D₂面光斑图像，获得第二光斑图像；计算激光的实际波前倾斜；根据实际波前倾斜、所述目标函数和第二光斑图像计算第一光斑图像的复振幅。本发明采用的测量方法采样分辨率高、动态范围大，并且能够对激光复振幅进行精确的测量。

Description

一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法及系统

技术领域

本发明涉及激光复振幅测量领域，特别是涉及一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法及系统。

背景技术

通过激光强度信息重构激光的位相，从而实现激光复振幅的测量。现有技术中的关于激光复振幅的测量方法：夏克-哈特曼波前传感器虽然可以对激光光束进行单次采样来测量激光复振幅，但是，动态范围小、灵敏度低，重构出来的位相以透镜的个数为分辨率，采样分辨率低；传统的干涉检测法从干涉条纹信息里计算出位相分布，但由于需要物光和参考光进行叠加，系统结构复杂，且要求参考光具有较高的时间相干性和空间相干性，对干涉条纹的分辨率以及实验仪器的清洁程度要求高，使得干涉法的应用存在许多缺陷；经典位相恢复GS算法虽然可以由两个或多个强度测量数据进行迭代计算恢复位相，但是GS算法中的约束条件将实际光学系统和算法计算有机结合在一起会为算法引入误差，误差的存在会导致重构位相失败，并且GS算法的收敛速度随着迭代次数的增加而大幅减小，甚至会出现停滞不前的现象，导致激光的复振幅的测量精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高激光复振幅测量精度的基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法，所述测量方法包括：

光学测量系统包括：激光器、光学衰减组、衰减片、相机、电动位移台；

所述电动位移台控制所述相机移动到z₁位置，通过所述相机采集所述z₁位置的D₁面光斑图像，获得第一光斑图像；

所述电动位移台控制所述相机移动到能够明显看出光斑大小变化的z₂位置，通过所述相机采集所述z₂位置的D₂面光斑图像，获得第二光斑图像；

通过计算机分别对第一光斑图像和第二光斑图像进行计算获得第一光斑图像和第二光斑图像的强度矩阵I₁，I₂；

构造所述第一光斑图像复振幅的目标函数；

计算激光的实际波前倾斜；

根据所述实际波前倾斜、所述目标函数和所述第二光斑图像计算所述第一光斑图像的复振幅。

可选的，所述构造所述第一光斑图像复振幅的目标函数具体包括：

激光光束沿光轴z方向传播，传播至z₁位置获得D₁面光斑图像；

所述D₁面光斑图像通过角谱传播正向传播Δz的距离拟合出D₂面光斑图像；

所述D₂面光斑图像进行振幅替换后，反向传播Δz的距离拟合出所述D₁面光斑图像；

将所述D₁面光斑图像的强度矩阵I′₁和所述D₁面光斑图像的真实强度矩阵I₁做差获得目标函数

其中，ω为权重函数，α和β表示建模和测量数据之间的增益的偏差的标量。

可选的，所述计算激光的实际波前倾斜具体包括：

计算所述D₁面光斑图像和所述D₂面光斑图像，获取所述D₁面光斑图像和所述D₂面光斑图像的光斑质心坐标分别为(x₁,y₁)和(x₂,y₂)；

激光x方向的实际波前倾斜

激光y方向的实际波前倾斜

其中，x₂-x₁表示两个光斑质心x方向的偏移，y₂-y₁表示两个光斑质心y方向的偏移，z为相机工作距。

可选的，所述根据所述实际波前倾斜、所述目标函数和所述第二光斑图像计算所述第一光斑图像的复振幅具体包括：

计算机分别对第一光斑图像和第二光斑图像进行计算获得第一光斑图像和第二光斑图像的强度矩阵I₁，I₂；

设定所述D₁面光斑图像的振幅初始值设定位相初始值，所述位相初始值包括多项式和多项式系数，其中多项式采用37项Fringe Zernike多项式极坐标形式，Zernike多项式系数在0-1之间随机数任意给定；

将所述x方向的实际波前倾斜作为输入参数，获得第二项的Zernike多项式系数

将所述y方向的实际波前倾斜作为输入参数，获得第三项的Zernike多项式系数

重构所述D₁面光斑图像的位相

给定迭代次数k初始值为0，通过输入振幅初始值和位相初始值计算所述D₁面光斑图像的复振幅

所述D₁面光斑图像的复振幅U_k1通过正向角谱传播Δz的距离重构所述D₂面光斑图像的复振幅U_k2，获得所述D₂面光斑图像的振幅U′_k2，保持所述D₂面光斑图像的位相不变，以相机实际测得所述D₂面光斑图像的振幅替代振幅所述D₂面光斑图像新的复振幅

将所述D₂面光斑图像新的复振幅U′_k2反向角谱传播Δz的距离重构所述D₁面光斑图像的复振幅U′_k1，获得所述D₁面光斑图像的振幅所述D₁面光斑图像的强度矩阵所述相机实际测得所述D₁面光斑图像的真实强度矩阵I₁；

根据所述真实强度矩阵和强度矩阵构造目标函数；

判断目标函数的目标函数值是否≤ε，如果是，输出最佳的位相为最接近所述D₁面光斑图像真实值的位相，重构所述D₁面光斑图像的复振幅，获得所述激光的复振幅；

否则，根据所述相机实际测得所述D₁面光斑图像的振幅替代振幅

通过非线性优化CG算法计算搜索方向和步长，增加迭代次数k＝k+1获得新的Zernike表达式系数，将得到的新值赋值给Zernike表达式对应的各项系数得到所述D₁面光斑图像新的位相将所述D₁面光斑图像新的位相重新参与所述D₁面光斑图像的复振幅U_k1的重构。

为了实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量系统，所述系统包括：激光器、光学衰减组、衰减片、相机、电动位移台、计算机；

在同一条水平直线上依次放置所述激光器、所述光学衰减组、所述衰减片和所述相机；

所述激光器、所述光学衰减组、所述衰减片和所述相机的中心设置在同一高度；

所述电动位移台与所述计算机连接，将所述相机固定在所述电动位移台上，并且与所述计算机连接；

所述相机采集的图像信息发送至所述计算机。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量的方法及系统，本发明采用的测量方法采样分辨率高、动态范围大，在后续数据处理中采取非线性优化算法结合振幅替换，使得算法的收敛速度大幅提高，并且能够对激光复振幅进行精确的测量。测量系统的结构简单，结构紧凑，体积小，使用方便，不需要额外的配件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法流程图；

图2为本发明提供的基于相干衍射成像的激光复振幅测量系统的结构组成图；

图3为本发明提供的激光光束的传播图；

图4为本发明提供的计算激光实际波前倾斜原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够提高激光复振幅测量精度的基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法及系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法的流程图，所述测量方法包括：

建立光学测量系统，所述光学测量系统包括：激光器、光学衰减组、衰减片、相机、电动位移台；

步骤1.1：如图2所示，依次摆放激光器101、光学衰减组102、衰减片103、相机201，使它们在同一直线上，垂直水平线放置，且其中心在同一高度。

步骤1.2：打开激光器101和相机201，同时启动计算机104，使激光器101发射的激光依次通过光学衰减组102、衰减片103和相机201并成像301在相机201的中心。

步骤1.3：根据激光呈现在相机201上的光斑大小用电动位移台202调整相机201到激光器101的距离，以此来调节光斑大小，使光斑图像不要超过整个图像的三分之二，根据光斑亮暗调整相机曝光时间并同时调整衰减片103的大小，使光斑达到不饱和状态，使其灰度值的线性区间范围在0.5-0.8之间。

所述电动位移台202控制所述相机201移动到z₁位置，通过所述相机201采集所述z₁位置的D₁面光斑图像301，获得第一光斑图像；

所述电动位移台202控制所述相机201移动到能够明显看出光斑大小变化的z₂位置，通过所述相机201采集所述z₂位置的D₂面光斑图像302，获得第二光斑图像；

通过计算机分别对第一光斑图像和第二光斑图像进行计算获得第一光斑图像和第二光斑图像的强度矩阵I₁，I₂；

构造所述第一光斑图像301复振幅的目标函数；

计算激光的实际波前倾斜；

根据所述实际波前倾斜、所述目标函数和所述第二光斑图像计算所述第一光斑图像的复振幅。

所述构造所述第一光斑图像301复振幅的目标函数具体包括：

激光光束沿光轴z方向传播，传播至z₁位置获得D₁面光斑图像301；

所述D₁面光斑图像301通过角谱传播正向传播Δz的距离拟合出D₂面光斑图像302；

所述D₂面光斑图像302进行振幅替换后，反向传播Δz的距离拟合出所述D₁面光斑图像301；

将所述D₁面光斑图像301的强度矩阵I′₁和所述D₁面光斑图像301的真实强度矩阵I₁做差获得目标函数

其中，ω为权重函数，α和β表示建模和测量数据之间的增益的偏差的标量。

如图3所示，所述计算激光的实际波前倾斜具体包括：

计算所述D₁面光斑图像301和所述D₂面光斑图像302，获取所述D₁面光斑图像301和所述D₂面光斑图像302的光斑质心坐标分别为(x₁,y₁)和(x₂,y₂)；

激光x方向的实际波前倾斜

激光y方向的实际波前倾斜

其中，x₂-x₁表示两个光斑质心x方向的偏移，y₂-y₁表示两个光斑质心y方向的偏移，z为相机201工作距。

如图1和图2所示，所述根据所述实际波前倾斜、所述目标函数和所述第二光斑图像计算所述第一光斑图像的复振幅具体包括：

设定所述D₁面光斑图像301的振幅初始值设定位相初始值，所述位相初始值包括多项式和多项式系数，其中多项式采用37项Fringe Zernike多项式极坐标形式，Zernike多项式系数在0-1之间随机数任意给定；

将所述x方向的实际波前倾斜作为输入参数，获得第二项的Zernike多项式系数

将所述y方向的实际波前倾斜作为输入参数，获得第三项的Zernike多项式系数

重构所述D₁面光斑图像301的位相

给定迭代次数k初始值为0，通过输入振幅初始值和位相初始值计算所述D₁面光斑图像的复振幅

所述D₁面光斑图像的复振幅U_k1通过正向角谱传播Δz的距离重构所述D₂面光斑图像的复振幅U_k2，获得所述D₂面光斑图像的振幅U′_k2，保持所述D₂面光斑图像的位相不变，以相机实际测得所述D₂面光斑图像的振幅替代振幅所述D₂面光斑图像新的复振幅

将所述D₂面光斑图像新的复振幅U′_k2反向角谱传播Δz的距离重构所述D₁面光斑图像的复振幅U_k′₁，获得所述D₁面光斑图像301的振幅所述D₁面光斑图像301的强度矩阵所述相机实际测得所述D₁面光斑图像301的真实强度矩阵I₁；

根据所述真实强度矩阵和强度矩阵构造目标函数；

判断目标函数的目标函数值是否≤ε，如果是，输出最佳的位相为最接近所述D₁面光斑图像真实值的位相，重构所述D₁面光斑图像的复振幅，获得所述激光的复振幅；

否则，根据所述相机实际测得所述D₁面光斑图像的振幅替代振幅

通过非线性优化CG算法计算搜索方向和步长，增加迭代次数k＝k+1获得新的Zernike多项式系数，将得到的新值赋值给Zernike多项式对应的各项系数得到所述D₁面光斑图像新的位相将所述D₁面光斑图像新的位相重新参与所述D₁面光斑图像的复振幅U_k1的重构。

如图2所示，一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量系统，所述系统包括：激光器101、光学衰减组102、衰减片103、相机201、电动位移台202、计算机104；

在同一条水平直线上依次放置所述激光器101、所述光学衰减组102、所述衰减片103和所述相机201；

所述激光器101、所述光学衰减组102、所述衰减片103和所述相机201的中心设置在同一高度。

本发明相对于现有技术的有益效果：

本发明提出了一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法，该方法中没有传统的成像光学器件(例如透镜、反射镜和全息光学元件)，消除了光学器件所引入的像差，重构出来的位相即为真实的位相完整的复现，并且该方法采样分辨率高，相机的每个感光单元就是一个采样单元，重构出来的位相以感光单元为分辨率。该方法在后续数据计算中采取了非线性优化算法结合振幅替换，使算法的收敛速度大幅提高，不会出现停滞不前的情况，并且非线性优化算法中构造的目标函数可以包含误差或者噪声，能够对噪声或者坏点像素进行处理，从而更加精确地测量出激光的复振幅。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

所述光学测量系统包括：激光器、光学衰减组、衰减片、相机、电动位移台；

所述电动位移台控制所述相机移动到z₁位置，通过所述相机采集所述z₁位置的D₁面光斑图像，获得第一光斑图像；

所述电动位移台控制所述相机移动到能够明显看出光斑大小变化的z₂位置，通过所述相机采集所述z₂位置的D₂面光斑图像，获得第二光斑图像；

通过计算机分别对第一光斑图像和第二光斑图像进行计算获得第一光斑图像和第二光斑图像的强度矩阵I₁，I₂；

构造所述第一光斑图像复振幅的目标函数；

计算激光的实际波前倾斜；

根据所述实际波前倾斜、所述目标函数和所述第二光斑图像计算所述第一光斑图像的复振幅。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法，其特征在于，所述构造所述第一光斑图像复振幅的目标函数具体包括：

激光光束沿光轴z方向传播，传播至z₁位置获得D₁面光斑图像；

所述D₁面光斑图像通过角谱传播正向传播Δz的距离拟合出D₂面光斑图像；

所述D₂面光斑图像进行振幅替换后，反向传播Δz的距离拟合出所述D₁面光斑图像；

将所述D₁面光斑图像的强度矩阵I′₁和所述D₁面光斑图像的真实强度矩阵I₁做差获得目标函数

其中，ω为权重函数，α和β表示建模和测量数据之间的增益的偏差的标量。

3.根据权利要求1所述的一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法，其特征在于，所述计算激光的实际波前倾斜具体包括：

计算所述D₁面光斑图像和所述D₂面光斑图像，获取所述D₁面光斑图像和所述D₂面光斑图像的光斑质心坐标分别为(x₁,y₁)和(x₂,y₂)；

激光x方向的实际波前倾斜

激光y方向的实际波前倾斜

其中，x₂-x₁表示两个光斑质心x方向的偏移，y₂-y₁表示两个光斑质心y方向的偏移，z为相机工作距。

4.根据权利要求1所述的一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量方法，其特征在于，所述根据所述实际波前倾斜、所述目标函数和所述第二光斑图像计算所述第一光斑图像的复振幅具体包括：

计算机分别对第一光斑图像和第二光斑图像进行计算获得第一光斑图像和第二光斑图像的强度矩阵I₁，I₂；

设定所述D₁面光斑图像的振幅初始值设定位相初始值，所述位相初始值包括多项式和多项式系数，其中多项式采用37项Fringe Zernike多项式极坐标形式，Zernike多项式系数在0-1之间随机数任意给定；

将所述x方向的实际波前倾斜作为输入参数，获得第二项的Zernike多项式系数

将所述y方向的实际波前倾斜作为输入参数，获得第三项的Zernike多项式系数

重构所述D₁面光斑图像的位相

给定迭代次数k初始值为0，通过输入振幅初始值和位相初始值计算所述D₁面光斑图像的复振幅

所述D₁面光斑图像的复振幅U_k1通过正向角谱传播Δz的距离重构所述D₂面光斑图像的复振幅U_k2，获得所述D₂面光斑图像的振幅U′_k2，保持所述D₂面光斑图像的位相不变，以相机实际测得所述D₂面光斑图像的振幅替代振幅所述D₂面光斑图像新的复振幅

将所述D₂面光斑图像新的复振幅U′_k2反向角谱传播Δz的距离重构所述D₁面光斑图像的复振幅U′_k1，获得所述D₁面光斑图像的振幅所述D₁面光斑图像的强度矩阵所述相机实际测得所述D₁面光斑图像的真实强度矩阵I₁；

根据所述真实强度矩阵和强度矩阵构造目标函数；

判断目标函数的目标函数值是否≤ε，如果是，输出最佳的位相为最接近所述D₁面光斑图像真实值的位相，重构所述D₁面光斑图像的复振幅，获得所述激光的复振幅；

否则，根据所述相机实际测得所述D₁面光斑图像的振幅替代振幅

通过非线性优化CG算法计算搜索方向和步长，增加迭代次数k＝k+1获得新的Zernike表达式系数，将得到的新值赋值给Zernike表达式对应的各项系数得到所述D₁面光斑图像新的位相将所述D₁面光斑图像新的位相重新参与所述D₁面光斑图像的复振幅U_k1的重构。

5.一种基于相干衍射成像的激光复振幅测量系统，其特征在于，所述系统包括：激光器、光学衰减组、衰减片、相机、电动位移台、计算机；

在同一条水平直线上依次放置所述激光器、所述光学衰减组、所述衰减片和所述相机；

所述激光器、所述光学衰减组、所述衰减片和所述相机的中心设置在同一高度；

所述电动位移台与所述计算机连接，将所述相机固定在所述电动位移台上，并且与所述计算机连接；

所述相机采集的图像信息发送至所述计算机。