基于相位恢復(fù)的4f鏡面檢測成像系統(tǒng)及其方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種基于相位恢復(fù)的4f鏡面檢測成像系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)包括激光器，減光鏡，顯微物鏡，針孔，被測鏡面，4f成像單元，計(jì)算機(jī)。4f成像單元包括透鏡1，空間光調(diào)制器，透鏡2，CCD相機(jī)。激光器發(fā)射出來的光經(jīng)減光鏡，顯微物鏡和針孔后照射到被測鏡面上。4f成像單元中的CCD相機(jī)采集多次光波調(diào)制圖像，送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行稀疏約束相位恢復(fù)處理。本發(fā)明專利技術(shù)的方法在采集到被測鏡面處的光波強(qiáng)度圖像的基礎(chǔ)上，利用稀疏約束相位恢復(fù)方法得到被測鏡面處光波的相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測鏡面的誤差檢測。本發(fā)明專利技術(shù)具有精度高，穩(wěn)定性好，操作簡單和對(duì)噪聲魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于圖像處理
，更進(jìn)一步涉及光學(xué)測量與圖像處理
中。本專利技術(shù)基于光學(xué)空間光調(diào)制4f成像系統(tǒng)與相位恢復(fù)算法聯(lián)合進(jìn)行鏡面誤差檢測，在對(duì)被測鏡面進(jìn)行光學(xué)成像后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)鏡面的誤差檢測。
技術(shù)介紹
隨著各種光學(xué)鏡面在空間光學(xué)、航空和軍事等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，已有的基于光波衍射和傅里葉光學(xué)的圖像測量技術(shù)和光學(xué)鏡面檢測的技術(shù)主要是基于光的衍射原理，利用光學(xué)成像系統(tǒng)獲取通過鏡面的光波的強(qiáng)度圖像然后根據(jù)傅里葉光學(xué)的相關(guān)原理采用一定的相位恢復(fù)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)鏡面的檢測。 在利用光波衍射和傅里葉光學(xué)進(jìn)行鏡面誤差檢測的方法中，Gregory R. Brady,M. Guizar-Sicairos 和 J.R.Fienup 在“Optical wavefront measurement usingphase retrieval with transverse translation diversity，，， OPTICS EXPRESS 17，624-639(2009)中提出了基于相位恢復(fù)的鏡面誤差檢測方法，該方法的實(shí)質(zhì)是通過移動(dòng)CCD相機(jī)在出射光波波面的焦點(diǎn)附近采集多幅光強(qiáng)信息來重構(gòu)出入射光波的相位信息從而檢測鏡面的面型誤差。該種方法存在的不足是需要通過移動(dòng)CCD相機(jī)來采集被測鏡面處光波的強(qiáng)度，而這其中移動(dòng)CCD的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來測量精度的下降并影響最終結(jié)果的穩(wěn)定性。中國人民解放軍國防科技大學(xué)申請(qǐng)的專利“一種大型鏡面大誤差范圍相位恢復(fù)檢測裝置與方法”(申請(qǐng)?zhí)?00810030812. 5，申請(qǐng)公布號(hào)CN 101266138A)公開了一種鏡面誤差檢測裝置與方法。該方法主要針對(duì)的是大型鏡面和大誤差范圍的檢測裝置與方法，該專利存在的兩點(diǎn)不足一是仍然沒有擺脫通過移動(dòng)CCD相機(jī)來采集多幅被測鏡面處光波的光強(qiáng)圖像來重構(gòu)被測鏡面處光波的相位，最終檢測鏡面的面型誤差的方法；二是在采用逐步濾波的相位恢復(fù)算法重構(gòu)被測鏡面處光波的相位時(shí)沒有利用被測鏡面處光波的強(qiáng)度和相位的稀疏性，這必然會(huì)降低所重構(gòu)相位對(duì)環(huán)境噪聲魯棒性的下降，從而影響最終的測量精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測鏡面的相位恢復(fù)，使得對(duì)被測鏡面的誤差檢測更加準(zhǔn)確，操作更加簡單。本專利技術(shù)的具體思路是在現(xiàn)有相位恢復(fù)鏡面檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用空間光調(diào)制器對(duì)被測鏡面處的光波進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，同時(shí)利用4f成像單元對(duì)被測鏡面處的光波進(jìn)行多次采樣，然后利用計(jì)算機(jī)對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏約束的相位恢復(fù)，更加準(zhǔn)確的恢復(fù)出被測鏡面處光波的相位，從而實(shí)現(xiàn)精度更高，操作更簡單的鏡面檢測。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，基于相位恢復(fù)的4f鏡面檢測成像系統(tǒng)，包括激光器，減光鏡，顯微物鏡，針孔，被測鏡面，4f成像單元，計(jì)算機(jī)。激光器平行設(shè)置在減光鏡之后，顯微物鏡位于減光鏡平行的方向上，針孔平行的置于顯微物鏡的焦距處，激光器，減光鏡，顯微物鏡和針孔的中心置于同一條直線上。被測鏡面設(shè)置在與針孔平行的方向上，4f成像單元中的透鏡I和透鏡2的焦距相等，被測鏡面置于透鏡I的前焦平面處，透鏡I、空間光調(diào)制器、透鏡2和CXD相機(jī)之間的距離為透鏡I的焦距，4f成像單元中各個(gè)器件的中心和前面的裝置的中心置于同一條直線上。計(jì)算機(jī)與空間光調(diào)制器和CXD相機(jī)相連接。激光器，用于產(chǎn)生波長為532nm的光波。減光器，用于對(duì)激光器產(chǎn)生的光波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來避免CCD的飽和。顯微物鏡和針孔，顯微物鏡用于將激光器產(chǎn)生的光縮小到針孔所具有的大小。針孔用于對(duì)發(fā)射過來的光進(jìn)行濾波和調(diào)制。4f成像單元中的透鏡I和透鏡2對(duì)光波進(jìn)行光學(xué)傅里葉變換，4f成像單元中的空 間光調(diào)制器對(duì)所經(jīng)過的光波進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，4f成像單元中的CCD相機(jī)根據(jù)用戶要求的信噪比對(duì)被測鏡面處的光波進(jìn)行多次采集，采集被測鏡面處光波的強(qiáng)度圖像。計(jì)算機(jī)，用于將每次采樣所使用的不同隨機(jī)相位調(diào)制函數(shù)，通過數(shù)據(jù)線加載到空間光調(diào)制器上，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行相位恢復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，基于相位恢復(fù)的4f鏡面檢測成像方法，其具體步驟如下(I)加載空間光調(diào)制函數(shù)計(jì)算機(jī)將隨機(jī)相位調(diào)制函數(shù)通過數(shù)據(jù)線加載到空間光調(diào)制器上。(2)獲取光波強(qiáng)度圖像CXD相機(jī)采集被測鏡面處的光波強(qiáng)度圖像。(3)相位恢復(fù)采用相位恢復(fù)方法，計(jì)算機(jī)對(duì)CCD相機(jī)傳輸?shù)膹?qiáng)度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相位恢復(fù)，獲得被測鏡面處光波的相位。(4)稀疏約束相位恢復(fù)4a)采用稀疏表示公式，對(duì)步驟(3)得到的被測鏡面處光波的強(qiáng)度和相位進(jìn)行稀疏表不。4b)采用稀疏約束相位恢復(fù)公式，得到恢復(fù)后的被測鏡面處光波的相位。(5)輸出結(jié)果輸出步驟(4)中稀疏約束相位恢復(fù)的結(jié)果。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)第一，本專利技術(shù)利用了帶有空間光調(diào)制器的4f成像單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測鏡面處光波的多次調(diào)制采樣，克服了現(xiàn)有技術(shù)通過移動(dòng)CCD相機(jī)來采集多幅被測鏡面處光波強(qiáng)度的穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，使得本專利技術(shù)具有良好地穩(wěn)定性和易操作性。第二，本專利技術(shù)采用了隨機(jī)相位調(diào)制模式的空間光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測鏡面處光波的隨機(jī)相位調(diào)制，克服了現(xiàn)有技術(shù)直接通過移動(dòng)CCD相機(jī)采集多幅被測鏡面處光波強(qiáng)度的精度低的缺點(diǎn)，使得本專利技術(shù)提聞了檢測的精度。第三，本專利技術(shù)利用了被測鏡面處光波的強(qiáng)度和相位的稀疏性，通過解稀疏約束的相位恢復(fù)問題來重構(gòu)出被測鏡面處光波的相位，克服了現(xiàn)有技術(shù)采用逐步濾波的相位恢復(fù)方法重構(gòu)被測鏡面處光波相位的誤差大的缺點(diǎn)，使得本專利技術(shù)可以得到更加準(zhǔn)確的被測鏡面處的光波相位。第四，本專利技術(shù)采用了隨機(jī)相位調(diào)制模式的空間光調(diào)制器，聯(lián)合稀疏約束的相位恢復(fù)問題來重構(gòu)出被測鏡面處光波的相位，克服了現(xiàn)有技術(shù)通過移動(dòng)CCD相機(jī)采集多幅被測鏡面處光波強(qiáng)度和逐步濾波的相位恢復(fù)方法重構(gòu)被測鏡面處光波相位的精度低、對(duì)環(huán)境噪聲的魯棒性差的缺點(diǎn)，使得本專利技術(shù)可以得到精度高、對(duì)噪聲魯棒性好的鏡面檢測結(jié)果。附圖說明圖I為本專利技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為4f成像單元的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本專利技術(shù)方法的流程圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1，對(duì)本專利技術(shù)的系統(tǒng)做進(jìn)一步描述。本專利技術(shù)基于相位恢復(fù)的4f鏡面檢測成像系統(tǒng)，包括激光器，減光鏡，顯微物鏡，針孔，被測鏡面，4f成像單元，計(jì)算機(jī)。參照附圖2，4f成像單元包括透鏡1，空間光調(diào)制器，透鏡2，CXD相機(jī)。激光器平行設(shè)置在減光鏡之后，激光器發(fā)射出來的光經(jīng)減光鏡調(diào)制來避免CCD相機(jī)過飽和現(xiàn)象，顯微物鏡位于減光鏡平行的方向上，針孔平行的置于顯微物鏡的焦距處，激光器，減光鏡，顯微物鏡和針孔的中心置于同一條直線上。被測鏡面設(shè)置在與針孔平行的方向上，保證從針孔發(fā)射出來的光鋪滿整個(gè)被測鏡面，4f成像單元中的透鏡I和透鏡2的焦距相等，被測鏡面置于透鏡I的前焦平面處也就是4f成像單元中透鏡I的物平面處。透鏡I、空間光調(diào)制器、透鏡2和CCD相機(jī)之間的距離為透鏡I的焦距，4f成像單元中各個(gè)器件的中心和前面的裝置的中心置于同一條直線上。計(jì)算機(jī)與空間光調(diào)制器和CXD相機(jī)相連接，通過它們各自所帶的軟件或裝置與計(jì)算機(jī)直接實(shí)現(xiàn)通信。其中激光器，用于產(chǎn)生波長為532nm的光波，所選的激光器要盡量保證發(fā)射出來的光的平滑性從而減小它對(duì)最終檢測結(jié)果的影響。減光器，用于對(duì)激光器產(chǎn)生的光波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來避免CCD的飽和。顯微物鏡和針孔，顯微物鏡用于將激光器產(chǎn)生的光縮小到針孔所具有的大小；本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于相位恢復(fù)的4f鏡面檢測成像系統(tǒng)，包括激光器，減光鏡，顯微物鏡，針孔，被測鏡面，其特征在于，所述激光器平行設(shè)置在減光鏡之后，顯微物鏡位于減光鏡平行的方向上，針孔平行的置于顯微物鏡的焦距處，激光器，減光鏡，顯微物鏡和針孔的中心置于同一條直線上；所述被測鏡面設(shè)置在與針孔平行的方向上，4f成像單元中的透鏡1和透鏡2的焦距相等，被測鏡面置于透鏡1的前焦平面處，透鏡1、空間光調(diào)制器、透鏡2和CCD相機(jī)之間的距離為透鏡1的焦距，4f成像單元中各個(gè)器件的中心和前面的裝置的中心置于同一條直線上；計(jì)算機(jī)與空間光調(diào)制器和CCD相機(jī)相連接；所述激光器，用于產(chǎn)生波長為532nm的光波；所述減光器，用于對(duì)激光器產(chǎn)生的光波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來避免CCD的飽和；所述顯微物鏡和針孔，顯微物鏡用于將激光器產(chǎn)生的光縮小到針孔所具有的大小；針孔用于對(duì)發(fā)射過來的光進(jìn)行濾波和調(diào)制；所述4f成像單元中的透鏡1和透鏡2對(duì)光波進(jìn)行光學(xué)傅里葉變換，4f成像單元中的空間光調(diào)制器對(duì)所經(jīng)過的光波進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，4f成像單元中的CCD相機(jī)根據(jù)用戶要求的信噪比對(duì)被測鏡面處的光波進(jìn)行多次采集，采集被測鏡面處光波的強(qiáng)度圖像；所述計(jì)算機(jī)，用于將每次采樣所使用的不同隨機(jī)相位調(diào)制函數(shù)，通過數(shù)據(jù)線加載到空間光調(diào)制器上，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行相位恢復(fù)。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：石光明，劉陽，劉丹華，高大化，王立志，李國，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：