基于衍射光学元件的多波前横向剪切干涉方法研究

基于衍射光学元件的多波前横向剪切干涉方法研究波前探测一直是光学领域的重要研究课题,多波前横向剪切干涉技术作为一种新型的波前探测手段,测量精度和动态范围比较高,是一种很有研究价值与实用意义的波前探测方法,在激光光束质量评价,光学系统成像质量检测、人眼像差测量和激光通信等自适应光学领域应用前景广泛。多波前横向剪切干涉技术基于国际象棋棋盘结构的衍射光学元件,将待测波前分成四支子波前,使其产生自相干涉,在一幅干涉图中包含了两个正交方向上的波前梯度信息,只需要进一步进行相位提取和波前重建便可以获得待测波前相位图像。多波前横向剪切干涉技术使用的剪切干涉设备结构简单、便于搭建波前相位探测系统,并且可以对多种波前目标进行探测,是一种性价比非常高的波前探测技术,值得研究者们继续深入研究。本文在对国内外关于多波前横向剪切干涉技术研究进展进行整理分析的基础上,进行了大量的原理仿真以及实验研究。

对多波前横向剪切干涉技术的干涉原理、波前重建以及干涉图去噪技术进行了详细的探讨和深刻的分析,并对其在静态及动态温度场的温度分布测量研究进行了充分的验证,具体开展了以下几样工作:1、通过衍射理论对多波前横向剪切干涉过程进行了数学建模,研究了多波前横向剪切干涉技术基本原理和实现途径,从夏克-哈特曼波前传感器的衍射光学模型出发,介绍了几种多波前剪切干涉技术的模型和干涉图像理论强度分布。并且根据棋盘型相位光栅的特性,采用标量衍射理论分析了二维相位光栅的衍射效率以及可能会产生误差的各种因素。2、介绍了多波前横向剪切干涉图的相位提取算法以及傅里叶变换法在相位提取中的应用。比较了不同种相位提取滤波器的特性,理论分析表明圆形光瞳下使用Gauss窗函数作为滤波器误差最小,而矩形光瞳下使用镶嵌圆柱滤波器窗函数造成的相位提取误差最小。

接下来介绍了干涉图条纹延拓技术,其中Gerchberg外插迭代法对于高载频量的干涉条纹有着较为优秀的延拓效果。3、分析了使用干涉图像中提取的波前梯度进行波前相位拟合的傅里叶积分法和Zernike法,介绍了两种方法的理论模型和适用范围,采用对波前梯度进行镜像反对称扩展的方法,消除了重建过程中由于傅里叶变换周期基函数特性与不连续边界特点发生冲突而导致的低频误差,并且进行了仿真实验来比较两种波前相位积分方法的优点和不足。4、在四波前

横向剪切干涉仪的工程应用中,分析了由于棋盘型相位光栅和探测器靶面不平行导致的装调误差,并且针对频谱图解算的标定问题,设计了一种基于移相迭代的四波前横向剪切干涉标定方法,用于精确定位干涉图频谱的一级中心,尽可能减小偏差,使得标定后残余斜率导致的波前均方根值小于1.5×10^-4。并在实验测试中获得了理想的结果。

我们使用标定后的剪切干涉仪与Phasics公司的SID-4波前传感器同时进行测量可变形镜产生的随机波前,测得波前RMS分别为0.74和0.76。本方法保证了计算结果的准确度和可靠性,可以满足高精度波前探测要求。5、针对于四波前横向剪切干涉测量过程中由于成像设备噪声,待测波前强度不足等原因导致的信噪比偏低的情况,结合噪声的模型,比较分析了不同去噪算法的特性,提出了一种基于非局域均值滤波的干涉图去噪算法,并且进行了干涉图去噪的仿真实验。仿真实验的最终结果证明,基于非局域均值滤波的干涉图去噪算法可以有效去除干涉图中的高斯白噪声,提高重建波前的信噪比,在对加入=0.01的高斯白噪声的

干涉图进行去噪处理后,峰值信噪比由原来的12.6提高到35.4,均方误差由原来的3.5降低到0.8,实验结果验证了基于非局域均值滤波去噪方法在相位成像领域的有效性,构建了基于四波前剪切干涉的定量相位成像实验平台,获得了小鼠肝癌细胞的相位图像。

6、对四波前横向剪切干涉技术的应用进行了一系列实验研究,验证了四波前横向剪切干涉技术的高帧频,高空间分辨率,高精度的特点,在温度场测量方面,设计了基于四波前横向剪切干涉的静态温度场测量实验和动态温度场测量实验,获得了最高帧频为60帧/秒,相位图像像素为512×512的温度场分布视频。实验证明通过四波前横向剪切干涉技术进行温度场测量可以达到±0.5℃的测量精度,在对于火焰参数分析等诸多领域具有重要研究意义。