[发明专利]一种基于相干光成像精确计算的光学成像系统像差校正方法

说明书

本发明公开了一种基于相干光成像精确计算的光学成像系统像差校正方法，该像差校正方法使用相干光成像精确计算理论进行光学成像系统的像光场精确计算，光路中使用空间光调制器对实际光学成像系统进行校正。通过精确计算成像系统像光场的理想相位分布，与实际数字全息成像系统采集到的实际相位分布相减，得到像差相位。对像差相位进行处理后加载到实际成像系统中的空间光调制器上，实现对成像系统的像差进行校正，本发明不会改变待校正光学系统的结构，也没有复杂的光路设置和拟合计算，仅使用空间光调制器改变入射光场的相位分布，就可以达到校正像差的目的。

技术领域

本发明涉及衍射计算和数字全息检测技术领域，特别是涉及一种基于相干光成像精确计算的光学成像系统像差校正方法。

背景技术

相干光成像精确计算理论是用于精确计算相干光照明下光学系统的像光场复振幅的理论，传统的相干光成像理论是基于线性系统理论和一定的近似得到的，这种做法将成像系统视为了一个无像差的线性空间不变系统，然而实际的成像系统并不是线性空间不变系统，所以传统的相干光成像计算方法在计算过程中对于光学成像系统像光场复振幅的计算存在一定的误差；相干光成像精确计算理论的提出很好的解决这一问题，它可以精确计算数字全息成像系统的像光场复振幅分布。

随着光学成像系统的不断发展，人们对光学成像系统像差的校正方法的精度要求也越来越高；数字全息技术因为其可以记录下光场的复振幅和高检测精度的优点，所以在光学成像系统像差的校正上有很好的应用前景。现在常见的使用数字全息技术对光学成像系统进行像差校正的方法，大致可分为数据拟合和实验处理的方法，数据拟合方法是通过计算机直接对再现像的相位进行处理，常见的数据拟合方法有最小二乘法拟合和Zernike多项式拟合等，而实验处理方法是在全息图的记录过程中采取不同的实验手段来实现，常见有双曝光法和采用远心光学结构。通过多项式拟合的方法需要高阶的多项式来保证拟合的准确性，而纯粹依靠实验的方法对实验环境的要求较高。本发明提出方法不需要进行大量数据拟合计算，也不需要复杂的实验手段，降低了实验要求，对光学系统结构没有影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相干光成像精确计算的光学成像系统像差校正方法，目的是在数字全息技术和相干光成像精确计算的基础上对光学成像系统的像差进行校正，具体包括以下步骤：

(1)将中空间光调制器上通电并加载一副全黑的灰度图，保持初始物光没有额外加入相位，通过对采集到的全息图进行重建，得到数字全息成像系统的实际相位情况

(2)测量数字全息成像系统记录全息图像过程中的实际参数，主要包括激光波长，成像物体到CCD相机的距离，其他参数可根据物像关系得出；

(3)按照实际参数，对该成像系统的相干光成像过程进行仿真，得到的无像差情况下像平面光场复振幅U_c(x，y)，具体计算公式如下：

上式中j为虚数单位，波矢k＝2π/λ，λ为波长，d_i为像距，F^-1{·}代表傅立叶逆变换，F{·}代表傅立叶变换，像的横向放大率

A＝d_i/d_o，d_o为物距，U₀(x，y)为物平面光场复振幅，U_c(x，y)为像平面光场复振幅，P(x，y)为光瞳函数，x和y为像光场的空间坐标，f_x和f_y为像光场的频域坐标；

(4)由复振幅U_c(x，y)得到无像差的理想相位

上式中代表计算得到的理想相位，Im(·)代表取虚部，Re(·)代表取实部；

(5)用计算得出的理想相位与实际全息图再现像的实际相位相减，得到由系统像差带来的像差相位