[发明专利]一种基于交叉迭代自动对焦的波前检测方法

说明书

本发明公开了一种基于交叉迭代自动对焦的波前检测方法。该方法利用解析梯度公式对离焦距离优化实现了离焦位置的自动确定，并利用交叉迭代方法克服了波前的不精确造成的离焦位置确定不准确的问题和离焦位置不确定造成的波前重建不精确的问题，通过对同一个目标函数分别对离焦距离、波前振幅和相位进行优化，实现了离焦位置和波前误差的精确重建。本发明实现了多图大离焦误差的精确确定，无需额外构建目标函数即可实现在不确定离焦位置的情况下，波前实现精确重建。

技术领域

本发明涉及光学测量和成像技术领域，尤其涉及一种基于交叉迭代自动对焦的波前检测方法。

背景技术

计算成像极大地改变了传统成像所见即所得的模式，通过计算机的后期处理，克服了传统成像系统成像不完善的弊病，而且降低了成像系统的尺寸和重量。相干衍射成像是计算成像的一种实现方式。相干衍射成像是基于迭代方法的定量相位成像方式；使用图像传感器在焦面或者离焦面采集衍射图像；使用傅里叶变换和逆傅里叶变换反复迭代计算得到待测波前或图像的振幅和相位；迭代过程中对振幅或者支持域的处理类似于向采集面或者待测面做映射，当强度采集面的条件与待测面的条件都满足时，波前重建完成。相干衍射成像又一般称之为相位恢复。相位恢复是一种使用衍射强度基于傅里叶变换和逆傅里叶变换实现波前相位重建的方法，它装置十分简单，在最简单的情况下，基于相位恢复的相位恢复波前检测装置只需要光源、待测元件和一个图像传感器即可实现波前重建。相位恢复根据使用的衍射光斑采集的位置不同，又可以分为横向相位差法(子孔径拼接)和轴向相位差法，由于轴向相位差法操作简单，而且对于一般的成像系统都可满足要求，因此被广泛应用于光学成像，检测，自适应光学等等方面。轴向相位差法是在焦面和离焦面采集多幅图，然后在相位恢复算法中依次使用不同位置采集的光强图，并反复迭代，直到算法收敛，实现波前重建。

然而，轴向相位差法对于离焦位置的测定非常敏感，尤其对于不同离焦面的之间的相对位置非常敏感，一般情况下选择高精度的精密导轨移动图像传感器采集衍射光斑，造成了整套装置的价格非常昂贵，而且在某些应用情况下，如在位检测，难以安放精密导轨，这样就造成了离焦位置非常难以确定。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于交叉迭代自动对焦的波前检测方法，以解决轴向相位差法中离焦位置不准造成的波前重建误差，并降低整套装置的成本，用算法代替昂贵的精密位移装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于交叉迭代自动对焦的波前检测方法，在激光器的出射光路上依次布置有扩束器、待测平板、会聚透镜、图像传感器，该方法包括如下步骤：

S1：移动所述图像传感器，在不同的离焦距离采集n幅含有所述的待测平板波前误差的离焦光斑；

S2：分别设置所述会聚透镜的焦距s、口径D、每一幅离焦光斑的名义离焦位置z_k、离焦位置优化步长step_z、相位优化步长step_phase、振幅优化步长step_amp、波前检测的迭代总数N、离焦优化迭代总数N_z、迭代判断阈值M、波前检测的初始迭代计数i＝1、待测波前初始估计值g¹(x,y)，其中，(x,y)为所述待测平板的坐标；

S3：使用所述离焦光斑与待测波前的估计值的衍射传播计算值U_k构建优化目标函数

其中，u,v是离焦光斑位置处的坐标，I_k是在离焦位置z_k处采集的离焦光斑，U_k是待测波前在离焦位置z_k处的衍射积分；W_k(u,v)是权重分布，用来移除图像传感器上信噪比低的像素点和坏点；