一种大视场波前测量装置及方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及波前测试技术领域，特别地，涉及一种大视场波前测量装置及方法、设备及介质。

背景技术

最早的Hartmann波前传感器主要通过在成像靶面前面布置一个具有很多小孔的Hartmann平板实现。光束在透过Hartmann平板后会形成很多小光束。受到变折射率场扰动影响后光束在靶面上的位置会发生变化。根据惠更斯(Huygens)原理结合Hartmann平板与靶面之间的距离便可以得到对应小孔处波前的空间梯度，选取合适的积分方法完成波前重构。Shack-Hartmann(S-H)波前传感器通过利用微透镜阵列代替了早期的Hartmann平板，透过微透镜的光束会聚焦在成像靶面上，通过类似Hartmann波前传感器的方法实现波前信息捕获。微透镜的运用使得S-H波前传感器的聚光效率更高，在微光条件下也可以比较好地使用。其次成像靶面上光斑的尺寸更小，确定光束偏斜角度更为精确。

考虑到波前传感器的使用对等直光束的依赖，而等直光束多依赖于光学透镜和凹面镜实现，针对大视场波前的测量则需要大尺度的光学透镜或者凹面镜，不仅使得测试的成本显著提高，同时更大视场的波前测量实现难度同样很大。

发明内容

本发明一方面提供了一种大视场波前测量装置，以解决现有大视场波前的测量需要大尺度的光学透镜或者凹面镜导致测试的成本显著提高、难以实现更大视场的波前测量的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种大视场波前测量装置，包括设置有成像靶面的图像传感器，所述成像靶面的前方安装设置有掩膜板，所述掩膜板上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板距成像靶面的距离满足关系：

进一步地，所述微型通光孔在掩膜板上行列式规则分布。

进一步地，所述微型通光孔在掩膜板上无规则随机分布。

进一步地，所述掩膜板上的微型通光孔的分布密度满足孔隙比0.4～0.6，且各微型通光孔相互之间不重叠。

进一步地，所述成像靶面为CCD传感器或者CMOS传感器。

本发明另一方面还提供了一种大视场波前测量方法，基于所述的大视场波前测量装置，包括步骤：

分别在有/无光学畸变场的情况下获得的一对点阵图；

在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M个和N个大小一致的质询窗，得到M×N质询窗阵列；

进行互相关计算处理，获得相应的质询窗位置对应的光学畸变导致的光线偏移(Δx,Δy)；

结合光线偏移(Δx,Δy)和掩膜板距成像靶面之间的距离L，计算对应x和y方向的光线偏折角：

根据惠更斯原理，获得波前传播方向总是沿当地波前曲面的法线方向：

通过积分方法，利用(2)式所获得的波前传播方向进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作。

进一步地，设置质询窗时，单个质询窗内光斑数量在20个以上。

进一步地，所述积分方法包括Southwell积分算法、梯度积分算法。

本发明另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的大视场波前测量方法。

本发明另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的大视场波前测量方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明的大视场波前测量装置及方法，利用成像靶面前安装具有高密度微型通光孔的掩膜板，替代波前测试技术中的多种Hartmann掩膜板，提供了基于普通汇聚镜头实现大视场波前测量技术思路。因此，本发明可利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现大视场波前测量，测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板，结合互相关计算方法，突破了传统波前测试对于准直光线的依赖，可根据所采用的普通镜头视场角的不同，实现大视场波前测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，造价低廉。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的一种大视场波前测量装置示意图。

图2是本发明另一优选实施例的微型通光孔在掩膜板上行列式规则分布时的示意图。

图3本发明另一优选实施例的微型通光孔在掩膜板上无规则随机分布时的示意图。

图4是本发明另一优选实施例的一种大视场波前测量方法流程示意图。

图5是本发明另一优选实施例的Southwell积分算法的积分网格示意图。

图6是本发明优选实施例的电子设备实体示意框图。

图中：1、成像靶面；2、掩膜板；3、光学畸变场。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种大视场波前测量装置，包括设置有成像靶面1的图像传感器，所述成像靶面1的前方安装设置有掩膜板2，所述掩膜板2上按预设的分布密度均匀设置有复数个微型通光孔，微型通光孔的直径d>10λ，且直径d与掩膜板2距成像靶面1的距离满足关系：

考虑到当微型通光孔径d小于或者等于光线波长λ时会出现比较明显的衍射现象，影响光斑在成像靶面1上的有效成像。为减小衍射现象的影响，这里要求d>10λ。同时，考虑到掩膜板2距成像靶面1的距离L＞＞d

本实施例的大视场波前测量装置，利用成像靶面1前安装具有高密度微型通光孔的掩膜板2，替代波前测试技术中的多种Hartmann掩膜板，提供了基于普通汇聚镜头实现大视场波前测量技术思路。因此，本发明可利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现大视场波前测量，测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板2，结合互相关计算方法，突破了传统波前测试对于准直光线的依赖，可根据所采用的普通镜头视场角的不同，实现大视场波前测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，造价低廉。

具有无畸变波前的光线在穿过光学畸变场3之后会出现比较明显的波前畸变。在经过等效镜头组后穿过包含有大量微型通光孔的掩膜板2后，变成大量的光束照射到成像靶面1上，形成光斑图像。

如图2所示，在本发明的优选实施例中，所述微型通光孔在掩膜板2上行列式规则分布。

如图3所示，在本发明的优选实施例中，所述微型通光孔在掩膜板2上无规则随机分布。

在本发明的优选实施例中，所述掩膜板2上的微型通光孔的分布密度满足孔隙比0.4～0.6，且各微型通光孔相互之间不重叠。

本实施例中，微型通光孔分布相对比较密集，但相互之间没有重叠，以保证互相关计算单个质询窗内光斑数量在20个以上，从而保证互相关计算获取的位移数据可以达到亚像素精度。

在本发明的优选实施例中，所述成像靶面1为CCD传感器或者CMOS传感器。

如图4所示，本发明另一优选实施例中还提供了一种大视场波前测量方法，基于所述的大视场波前测量装置，包括步骤：

S1、分别在有/无光学畸变场3的情况下获得的一对点阵图；

S2、在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M个和N个大小一致的质询窗，得到M×N质询窗阵列；

S3、进行互相关计算处理，获得相应的质询窗位置对应的光学畸变导致的光线偏移(Δx,Δy)；

S4、结合光线偏移(Δx,Δy)和掩膜板2距成像靶面1之间的距离L，计算对应x和y方向的光线偏折角：

S5、根据惠更斯原理，获得波前传播方向总是沿当地波前曲面的法线方向：

S6、通过积分方法，利用(2)式所获得的波前传播方向进行波前重构，获取对应的光程OPL结果，完成波前测量工作。

本实施例利用普通汇聚镜头成像特点，在低成本情况下，实现大视场波前测量，测量时通过设计带有设定密度的微型通光孔的掩膜板2，结合互相关计算方法，突破了传统波前测试对于准直光线的依赖，可根据所采用的普通镜头视场角的不同，实现大视场波前测量，无需要额外的大尺寸凹面镜或透镜，造价低廉。

需要指出的是，本实施例步骤S3中获取的位移数据并不是单个光斑的偏移结果，而是质询窗内大量光斑位移结构的共同表征量，虽然质询窗内包括有大量光斑，但是因为使用的质询窗尺寸非常小，依旧可以获得相对比较高的空间分辨率，本实施例中，之所以获取的位移数据并不是单个光斑的偏移结果，而是质询窗内大量光斑位移结构的共同表征量，其好处是增加了测试子孔径内灰度分布的复杂性，提升位移计算的精度。

在本发明的优选实施例中，设置质询窗时，单个质询窗内光斑数量在20个以上，从而保证互相关计算获取的位移数据可以达到亚像素精度。

在本发明的优选实施例中，所述积分方法包括Southwell积分算法、梯度积分算法，式(2)中的负号主要根据光路布置决定，可以利用小孔成像原理解释。这里，我们以Southwell方法使用为例，说明获取光程OPL的基本过程。

如图5所示为Southwell积分算法的积分网格图，h为x方向的网格间距，l为y方向的网格间距。

沿x方向，相邻两点的OPL有如下关系式：

沿y方向，相邻两点的OPL有如下关系式：

利用式(3)和式(4)我们可以构建任意一点(i,j)处OPL与其周围四个点((i,j-1),(i,j+1),(i-1,j),(i+1,j))之间的相互关系。通过对式(3)和式(4)进行积分，并对求得的四个值进行加权平均处理以得到OPL(i,j)：

式(5)中，ω表示各点的权重，考虑到边界的特殊性，则存在的点对应权重为1，不存在的点对应权重为0，以合理表示每一点的信息。计算过程中，按照式(5)对整个区域计算完毕后，进入下一步迭代。这里，可以根据相邻两步之间的相对差值确定需要迭代的次数，当然，也可以根据相关条件进行人为设定阈值条件，直至获取满意的计算结果为止。总体而言，Southwell积分算法对初值条件的敏感度较低，即使给出的初值条件和真实情况相差比较远，只要迭代次数足够多，也可以得到相对比较好的计算结果。若初值条件与实际情况比较接近，那么经历较少的迭代次数就可以得到比较好的结果。这里，我们将初值设置为零，针对标准平凸透镜的波前重构结果验证了这一设置的可靠性。

如图6所示，在本发明的优选实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的大视场波前测量方法。

具体地，在本发明的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的大视场波前测量方法。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例方法所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。