[发明专利]一种基于切比雪夫衍射积分的自聚焦激光波前在位实时监测方法

说明书

本发明公开了一种基于切比雪夫衍射积分的自聚焦激光波前在位实时监测方法，应用于衍射光斑采集的场景，在激光波前的出射光路上设置测量相机，所述的测量相机设置在三维精密移动平台上，通过相机实时采集的衍射光斑，通过一幅衍射光斑重建波前实现波前实时监测，采集到的衍射光斑与估计的相位组合成复振幅，复振幅通过使用切比雪夫模态分解，结合快速相位恢复波前检测技术，实现波前的实时重建。本发明提出的基于切比雪夫模态衍射积分的激光波前在位实时监测方法，无需额外复杂的检测装置即可实现高精度的波前实时监测。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种基于切比雪夫衍射积分的自聚焦激光波前在位实时监测方法。

背景技术

相位恢复由于其简单的实验装置、较低的实验环境要求、可与干涉法相当的检测精度，在天文探测、自适应光学中得到了广泛应用。相位恢复技术是从缺失相位的衍射光斑中重建波前相位，根据重建相位的方式不同，它可以分为迭代式和优化两种方式。

如公开号为CN112629678A的中国专利文献公开了一种通用形状无衍射迭代计算的快速相位恢复方法，该方法通过将待测波前使用数值正交多项式模式分解，然后对每一项数值正交多项式基于快速傅里叶变换计算衍射基函数，然后在衍射面之间利用矩阵运算迭代求解系数梯度，实现了高速通用形状的波前检测。

公开号为CN110470245A的中国专利文献公开了一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复方法，该方法使用由菲涅尔波带片调制的衍射光强分布进行恢复，能够实现对待测波前更宽频段的重建。

此外，还有用于显微成像的TIE(Transport of Intensity Equation)技术。经典相位恢复波前检测技术主要用于天文空间系统监测中，从最初的单图GS、ER算法到后来的相位差法等。光学元件波前检测不同于空间天文探测，光学元件波前检测对于精度以及频段范围要求更高，因此对相位恢复技术提出了更高的要求。这里将经典的相位恢复波前检测技术根据用图多少分为单图相位恢复技术和多图相位恢复技术。

轴向相位差法等使用多图方法无法实现波前在位实时监测，而激光波前在位实时监测又十分重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于切比雪夫衍射积分的自聚焦激光波前在位实时监测方法，以解决激光波前在位实时监测的难题。

一种基于切比雪夫衍射积分的自聚焦激光波前在位实时监测方法，应用于衍射光斑采集的场景，在激光波前的出射光路上设置测量相机，所述的测量相机设置在三维精密移动平台上，该方法包括以下步骤：

S1：在衍射距离z的位置处采集1幅含有激光波前误差的衍射光斑；

S2：分别设置待测光波前口径D，优化步长为h_i，衍射距离优化步长为h_z，迭代总数T，初始i＝1，设置初始多项式系数n，m是切比雪夫多项式x方向和y方向的索引，设置初始猜测衍射距离z₀；

S3：设置图像传感器像素大小d_n及像素数M₀×N₀，对采集到的衍射光斑进行裁剪、归一化处理，获取维度为M×M的有效光斑部分

S4：计算前N项在不同衍射距离的切比雪夫模态衍射积分和并构建模态衍射矩阵C，并计算C的逆矩阵

S5：计算衍射面复振幅波前G＝β^TC；

S6：将波前G中的振幅替换为真实采集到振幅值，即有效光斑图转换的一维列向量I的平方根；

S7：矩阵运算求解梯度

S8：更新系数矩阵β＝β+h_iΔβ；