基于单帧焦面图像的波前相位反演方法研究

论文摘要

波前的相位反演技术是一种利用光束衍射场的二维强度分布信息来重构波面像差的一种方法。传统的基于单帧焦面图像的相位反演方法,具有结构简单,能量利用率高的优点。但此方法存在多解问题,即同一个远场光斑对应多个近场波前。目前精度较高的相位反演方法是相位差法。然而,此方法需要分光探测两幅或多幅远场图像,装置较复杂,其应用受到了一定限制。为了解决上述问题,本文利用二维空间调制技术来打破近场像差对称性,提出了一种基于Walsh函数二维离散相位调制的单帧焦面图像反演方法。该方法相较传统相位反演算法,减少了迭代次数,节省了算法运行时间,可准确复原待测像差。之后提出了一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法。此方法结构更加简单,利用二维微细加工工艺,在一个基片上的不同象限实现多个焦距的组合。CCD靶面可以同时探测到部分波前的焦面信息和离焦信息,通过此组合信息可以精确复原波前。论文的主要研究内容如下:研究了分别基于夫琅和费衍射和光波角谱传输法的透镜波前传输理论模型。通过对离散傅里叶变换的空域和频域进行理论推导,得到了统一物像空间坐标所需的采样点数。搭建实验平台验证了两种光学传输模型应用于透镜远场计算的准确性。提出了基于Walsh函数二维离散相位调制的单帧波前相位反演方法。理论分析了传统基于单帧焦面图像相位反演方法的多解问题。理论推导和仿真验证了基于Walsh函数的二维离散调制的远场光强分布。结果显示该方法可以打破近场波前像差的对称性,克服多解问题。对传统GS相位反演算法和基于Walsh函数相位片调制的波前复原算法进行多组波前的相位复原仿真。结果显示:传统算法复原像差时,容易收敛到局部极小值或伪解,而提出方法在仅仅几十次迭代后就可以较为精确地复原出待测波前信息。以四象限结构的Walsh函数调制片为例,对影响复原精度的系统参数进行研究。对基于四象限相位片调制的单帧波前复原方法进行精度分析和实验研究。首先对影响四象限调制波前反演方法的复原精度的因素进行了分析。针对信噪比较低的情况,提出了一种通过改变CCD的曝光时间对同一幅远场图像提取两次,再将两幅图像缝合的方法来获得被噪声掩盖的远场高频信息。介绍了四象限相位片的设计及制备方法,搭建了基于四象限调制的波前测量系统。实验结果显示,四象限调制波前探测器可以较为精确地检测波前像差。提出了一种结构更加简单的基于混合焦距菲涅尔波带片的波前复原技术,其部分焦面信息和离焦信息可以在同一幅远场光斑中得到体现,进而产生了具有特殊光强信息的远场光斑。对提出方法进行了仿真验证,结果显示此方法对单阶Zernike像差和随机组合像差都有良好的复原效果。对影响该方法测量精度的因素进行了分析,结果表明CCD的位数对像差复原效果的影响较为明显。并且分析了半导体工艺误差对混合焦距菲涅尔波带片成像质量的影响。提出在制作过程中需要严格控制好其线宽精度。

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摘要

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第一章绪论

1.1 常见波前传感技术

1.1.1 曲率波前传感技术

1.1.2 剪切干涉技术

1.1.3 四棱锥波前传感技术

1.1.4 点衍射波前传感技术

1.1.5 夏克-哈特曼传感技术

1.1.6 相位反演技术

1.1.6.1 相位反演方法的多解问题

1.1.6.2 相位差法

1.1.7 常见波前传感技术比较

1.2 基于单帧焦面图像的波前相位反演方法研究进展

1.2.1 传统相位差法的改进

1.2.2 单帧焦面图像的波前反演方法的研究进展

1.3 课题主要研究内容

第二章波前探测基础理论及实验研究

2.1 波前畸变

2.1.1 波前畸变的表征

2.1.1.1 波前畸变的Zernike多项式描述

2.1.1.2 波前畸变的Legendre多项式描述

2.2 波前传输理论

2.2.1 菲涅耳衍射和夫琅和费衍射

2.2.1.1 菲涅耳衍射

2.2.1.2 夫琅和费衍射

2.2.2 角谱传输理论

2.2.3 离散傅立叶变换

2.3 透镜的焦面光场计算模型和实验研究

2.3.1 透镜焦面光场的计算方法

2.3.1.1 傅里叶变换法

2.3.1.2 角谱传输法

2.3.2 透镜焦面光场的仿真及实验研究

2.4 本章小结

第三章基于WALSH函数调制的单帧远场波前复原及原理仿真

3.1 传统单帧相位反演方法的像差多解问题

3.2 二维WALSH函数离散像差调制

3.2.1 WALSH函数

3.2.2 WALSH函数的定义

3.2.3 基于WALSH函数的二维远场调制

3.2.4 基于WALSH函数二维离散调制的相位反演算法

3.3 数值仿真及分析

3.4 四象限调制波前复原方法的系统参数分析

3.5 本章小结

第四章基于四象限相位调制的波前探测精度与实验研究

4.1 波前探测离散数据分析

4.1.1 离散采样

4.1.2 CCD图像的中心标定

4.2 相位片调制波前探测器探测精度影响因素分析

4.2.1 CCD像素尺寸对检测精度的影响

4.2.2 CCD相机位数对波前复原精度的影响

4.2.3 CCD噪声对波前复原精度的影响

4.2.3.1 CCD噪声简介

4.2.3.2 CCD噪声对波前复原精度影响仿真研究

4.2.4 其他影响复原精度的因素

4.3 基于图像补偿的相位片调制波前探测器的去噪方法

4.3.1 原理介绍

4.3.2 仿真验证

4.3.2.1 单阶Zernike像差波前复原结果

4.3.2.2 随机65阶组合像差的波前复原结果

4.4 基于四象限相位片调制的单帧远场波前探测器实验研究

4.4.1 原理实验系统设计

4.4.2 实验系统搭建

4.4.3 四象限相位片制备

4.4.3.1 四象限相位片设计

4.4.3.2 四象限相位片制备

4.4.4 实验验证

4.4.4.1 单阶离焦像差的测试

4.4.4.2 组合像差的测试

4.5 本章小结

第五章基于混合焦距菲涅耳波带片的波前复原技术

5.1 基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演原理

5.2 仿真验证

5.2.1 单阶ZERNIKE像差波前复原结果

5.2.2 随机组合ZERNIKE多项式像差波前复原结果

5.3 基于HFZP的波前探测器探测精度影响因素分析

5.3.1 CCD像元尺寸的影响

5.3.2 CCD位数的影响

5.3.3 CCD噪声的影响

5.3.4 HFZP制备精度的影响

5.4 本章小结

第六章总结与后续工作展望

6.1 论文的主要研究内容

6.2 论文的主要创新点

6.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孔庆峰

导师: 许冰,杨平,刘永

关键词: 相位反演,像差,远场,泽尼克系数,相位片

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 电子科技大学

分类号: TP391.41;O436.1

DOI: 10.27005/d.cnki.gdzku.2019.000088

总页数: 124

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