一种波前信息的检测方法、装置以及系统
技术领域
本发明涉及光波波前检测领域，特别是涉及一种波前信息的检测方法、装置以及系统。
背景技术
天文望远镜(Astronomical Telescope)是观测天体的重要工具，随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。而随着人类对宇宙不断的深入探究，天文望远镜的口径也在逐渐增大，以有效提高对临近目标的分辨能力，同时还以平方规律提升望远镜的集光能力，可有效提升暗弱目标成像信噪比、拓展极限探测能力，最终实现对更加深远的宇宙的探索。大口径大视场望远镜在近二十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。
对于天文望远镜的探测星体的精准度和天文望远镜中的透镜面形存在至关重要的联系，因此在使用天文望远镜之前，必须准确测得天文望远镜所使用的透镜面形。
目前获得大口径的透镜面形的方式一般是通过向透镜表面入射特定光波，根据该特定光波经过透镜镜面出射前后波前的变化，获得透镜的面形信息。相应地，检测特定光波经过透镜镜面出射后的波前信息，直接关系到透镜面形检测的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种波前信息的检测方法、装置以及系统，提高了光波波前相位检测的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种波前信息的检测方法，待测光波依次经过主透镜、微透镜阵列并在感光探测器上成像，其中，所述微透镜阵列位于所述主透镜的焦平面上，所述感光探测器位于所述微透镜阵列的焦平面上；所述检测方法包括：
采集所述待测光波在所述感光探测器上成像的焦面光强分布；
利用四维光场理论和所述焦面光强分布，获得所述待测光波在离焦平面的离焦光强分布；
对所述离焦光强分布进行运算分析，获得所述待测光波的波前信息。
可选地，利用四维光场理论和所述焦面光强分布，获得所述待测光波在离焦平面的离焦光强分布，包括：
根据离焦光强分布公式：
可选地，利用四维光场理论和所述焦面光强分布，获得所述待测光波在离焦平面的离焦光强分布，包括：
对所述焦面光强分布进行数学再聚焦，获得所述待测光波对应的焦前光强分布和焦后光强分布；
相应地，对所述离焦光强分布进行运算分析，获得所述待测光波的波前信息，包括：
根据波前相位公式：
可选地，所述待测光波以扩散光束的形式入射至所述主透镜；
对所述离焦光强分布进行运算分析，获得所述待测光波的波前信息，包括：
根据所述离焦光强分布，获得所述离焦平面上各个离焦星点像的参量指标，所述参量指标包括周长、椭圆长轴方向、二阶矩、熵以及相关度；
根据所述参量指标获得所述波前信息。
可选地，根据所述参量指标获得所述波前信息，包括：
预先采用最小二乘法对离焦星点像的参量指标和波前信息之间的对应关系进行线性拟合，获得参量指标和波前信息之间的拟合关系函数；
根据所述拟合关系函数和所述待测光波对应的离焦星点像的参量指标，确定所述待测光波的波前信息。
可选地，根据所述参量指标获得所述波前信息，包括：
根据预先通过神经网络训练获得的离焦星点像的参量指标和波前信息之间的对应关系，结合所述待测光波对应的离焦星点像的参量指标，确定所述待测光波的波前信息。
可选地，对所述离焦光强分布进行运算分析，获得所述待测光波的波前信息，包括：
根据预先通过神经网络训练获得的离焦光强分布和波前信息之间的对应关系，结合所述待测光波对应的离焦光强分布，获得所述待测光波的波前信息。
本申请还提供了一种波前信息的检测装置，待测光波依次经过主透镜、微透镜阵列并在感光探测器上成像，其中，所述微透镜阵列位于所述主透镜的焦平面上，所述感光探测器位于所述微透镜阵列的焦平面上；所述检测装置包括：
采集光强模块，用于采集所述待测光波在所述感光探测器上成像的焦面光强分布；
离焦光强模块，用于利用四维光场理论，根据所述焦面光强分布，获得所述待测光波在离焦平面的离焦光强分布；
波前相位模块，用于对所述离焦光强分布进行运算分析，获得所述待测光波的波前信息。
可选地，所述离焦光强模块，具体用于根据离焦光强分布公式：
本申请还提供一种波前信息的检测系统，包括，主透镜、微透镜阵列、感光探测器以及和所述感光探测器相连接的处理器；
其中，所述微透镜阵列位于所述主透镜的焦平面上，所述感光探测器位于所述微透镜阵列的焦平面上，所述感光探测器用于检测依次经过所述主透镜、所述微透镜阵列并在所述感光探测器所在平面成像的焦面光强分布；
所述处理器用于根据所述焦面光强分布，执行实现如上任一项所述的波前信息的检测方法的操作步骤。
本发明所提供的波前信息的检测方法，待测光波依次经过主透镜、微透镜阵列并在感光探测器上成像，其中，微透镜阵列位于主透镜的焦平面上，感光探测器位于微透镜阵列的焦平面上；检测方法包括：采集待测光波在感光探测器上成像的焦面光强分布；利用四维光场理论和焦面光强分布，获得待测光波在离焦平面的离焦光强分布；对离焦光强分布进行运算分析，获得待测光波的波前信息。
本申请中在对待测光波的波前信息进行检测时，获得该待测光波依次经过主透镜和微透镜阵列后在微透镜阵列的焦平面上成像的焦面光强分布，并基于四维光场理论获得离焦平面光强分布，相对于直接移动感光探测器位于离焦平面探测获得离焦光强分布而言，本申请中能够有效避免移动感光探测器至离焦平面时，产生移动位置误差，使得实际感光探测器的实际离焦距离和理论离焦距离之间存在误差，进而导致获得的离焦光强分布和理论离焦距离之间不对应的问题。因此本申请中能够确定特定离焦距离对应的更准确的离焦光强分布，进而基于该离焦光强分布获得更准确的波前信息，为更准确的测量天文望远镜中透镜镜面面形提供支持，有利于天文望远镜的精准测量。
本申请还提供了一种波前信息的检测装置以及系统，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的波前信息的检测方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的波前信息检测的光路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的微透镜阵列输出光线的光路示意图；
图4为本申请实施例提供的另一波前信息的检测光路示意图；
图5为本发明实施例提供的波前信息的检测装置的结构框图。
具体实施方式
锁距离焦探测器是目前业界用于检测光波波前的一种曲率传感器，其工作原理是利用错位摆放的感光探测器，分别在光学成像焦平面的焦前和焦后测得焦前焦后图像，并基于焦前焦后图像分析获得波前信息，但是这种测量光波波前的方式，需要对两个焦前焦后放置的离焦距离进行测量或设定，但离焦距离在测量或实际设定感光探测器时往往存在误差，使得确定出的离焦距离和真实的离焦距离之间存在偏差，相应地，感光探测器采集到的离焦平面的光强分布，也并不对应于测量或设定的离焦距离，进而导致基于焦前焦后图像分析获得的光波波前信息不准确的问题。
为此，本申请中提供了一种能够更准确的测定光波波前信息的技术方案，下面将以具体实施例进行详细说明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，图1为本申请实施例所提供的波前信息的检测方法的流程示意图，图2为本申请实施例提供的波前信息检测的光路结构示意图。如图2所示，在对待测光波进行波前信息检测时，可以将待测光波依次经过主透镜1、微透镜阵列2，并在感光探测器3上成像，其中，微透镜阵列2位于主透镜1的焦平面上，而感光探测器3则位于微透镜阵列2的焦平面上。
相应地，该待测光波的检测方法可以包括：
S11：采集待测光波在感光探测器上成像的焦面光强分布。
S12：利用四维光场理论和焦面光强分布，获得待测光波在离焦平面的离焦光强分布。
需要说明的是，本实施例中的离焦平面是指距离微透镜阵列2的焦平面预定距离的平面，离焦光强分布即是待测光波依次透过主透镜1和微透镜阵列2，在该离焦平面上成像的光强分布。
可选地，在根据焦面光强分布获得离焦光强分布的过程可以包括：
根据离焦光强分布公式：
利用四维光场理论，记录相对于微透镜阵列2的焦平面的两个平行离焦平面上两点来记录光线的空间位置和方向信息可以同时获得波前的入射点与入射角度，进而通过对四维光场的积分，获得在不同焦距的光强分布。
S13：对离焦光强分布进行运算分析，获得待测光波的波前信息。
需要说明的是，四维光场理论是一种利用数学重建的方式，根据焦平面上光场光强分布演算获得特定离焦距离的离焦平面的光强分布信息的光学理论。因此，本实施例中仅仅只需要在微透镜阵列2的焦平面上设置一个感光探测器3，利用该感光探测器3检测获得焦平面上的光强分布，通过数学演算重建的方式获得离焦平面上光强分布，即离焦光强分布，因为离焦平面和焦平面之间的距离是根据实际测量情况设定的，且对应的离焦平面上并不真实存在感光探测器3，离焦距离对应的离焦光强分布是通过数学演算的方式确定，进而使得离焦距离和离焦光强之间准确对应无误差。
而直接在离焦平面设置感光探测器3，因为感光探测器3和焦平面之间的离焦距离存在误差，进而导致感光探测器3测得的光强分布也并不是理论上的离焦距离对应的准确的光强分布，进而导致依据感光探测器3测得的光强分布和存在误差的理论离焦距离确定的波前信息也是不准确的。
因此，本申请中采用四维光场理论确定的离焦光强分布和对应的离焦距离能够更为准确的对应，从而依照离焦光强分布和对应的离焦距离能够获得更准确的波前信息，提高光波波前检测的准确性，有利于大口径望远镜中透镜表面面形的检测。
对于待测光波而言，其入射至主透镜的形式可以存在多种，相应地，针对不同形式入射的待测光波，最终获得离焦光强分布的方式以及确定波前相位的方式也是存在区别的。
例如图2所示，待测光波以平行光的形式入射至主透镜1，因为主透镜1为凸透镜，因此待测光波从主透镜1以汇聚光线的形式出射至微透镜阵列2，显然该汇聚光束经过微透镜阵列2可以被调制为扩散光束，入射至焦平面上的。相应地，针对图2所示的光路而言，根据焦面光强分布获得离焦平面的离焦光强分布的可以包括：
对焦面光强分布进行数学再聚焦，获得待测光波对应的焦前光强分布和焦后光强分布。
如图2所示，焦前焦后分别是指沿光波传输方向达到焦平面之前的位置和光波到达焦平面之后继续前传播的位置，焦前光强分布和焦后光强分布也即分别表征焦前焦后和焦平面平行的两个离焦平面上的光强分布。
相应地，在获得焦前光强分布和焦后光强分布两个离焦光强分布之后，根据离焦光强分布确定波前信息的过程可以包括：
根据波前相位公式：
参考图3，图3为本申请实施例提供的微透镜阵列输出光线的光路示意图，图3中P0为微透镜阵列2的所在平面，P1为焦前离焦平面，P2为焦后离焦平面，F点即为微透镜阵列2的焦点。在近场电磁波的传输方程为：
其中，ρ为微透镜阵列的光瞳内M(x,y)点的向量坐标，I(ρ)为M(x,y)的光强度，Φ(ρ)为M(x,y)点波前相位，
对于自适应光学系统，一般离焦量(即离焦平面和焦平面的距离)仅为几个焦深，在离焦平面上形成的离焦星点像十分接近光瞳形状，由此可以认为：
在此情况下
其中，Δz为焦前离焦平面P1和焦后离焦平面P2共轭位置相对入瞳的距离，Δz＝f(f-l)/l (3)，f为微透镜阵列的焦距，l为光波在离焦平面和焦平面之间的光程。
又因为在离焦平面上形成的离焦星点像十分接近光瞳形状，可认为2I0＝I1(ρ)+I2(ρ)，因此
设
对式(4)两端同时进行傅里叶变换，可得：
由此，对式(5)进行傅里叶变换逆运算，即可获得波前相位：
其中，m和n为空间频率，Δz为离焦平面和焦平面在光轴方向上的距离，I1为所述焦前光强分布，I2为所述焦后光强分布，FFT为傅里叶变换，IFFT为逆傅里叶变换。
对于基于离焦平面的离焦光强分布也并不仅限于上述一种实施方式，如图4所示，图4为本申请实施例提供的另一波前信息的检测光路示意图，待测光波在入射至主透镜1之前先经过一个聚光透镜4形成汇聚光束，再通过设置在聚光透镜4上的光孔5后形成扩散光束入射至主透镜1，此时经过主透镜1入射至微透镜阵列2的待测光波即为平行光束。当然若是待测光波本身就是扩散光束，则无需经过光孔5和聚光透镜4的作用，可直接入射至主透镜1中。
相应地，当待测光波以扩散光束的形式入射至主透镜1，在感光探测器3上所成的像是一个个光斑，且微透镜阵列2中每个微型透镜对应一个光斑，对应地，在微透镜阵列2的离焦平面上即可形成多个椭圆的离焦星点像。
由此，在本申请的可选的实施例中，基于离焦光强分布获得波前信息的过程可以包括：
根据离焦光强分布，获得离焦平面上各个离焦星点像的参量指标，参量指标包括周长、二阶矩、熵以及相关度；
根据参量指标获得波前信息。
需要说明的是，本实施例中在确定离焦光强分布时，可以是基于焦面光强分布获得焦前光强分布和焦后光强分布中的任意一个离焦光强分布。
对于离焦平面上的各个离焦星点像均包括周长、椭圆长轴方向、二阶矩、熵、相关度等五个参量指标，而这五个参量指标则是由待测光波的波前相位决定的，也即是说这五个参量指标和波前相位存在相关性，因此，由参量指标可确定出波前相位。
在本申请的一种可选地实施例中，可以预先采用最小二乘法对离焦星点像的参量指标和波前信息之间的对应关系进行线性拟合，获得参量指标和波前信息之间的拟合关系函数；
根据所述拟合关系函数和所述待测光波对应的离焦星点像的参量指标，确定所述待测光波的波前信息。
可以对周长、椭圆长轴方向、二阶矩、熵、相关度等五个参量指标预先和波前相位之间的对应关系进行线性拟合，获得拟合关系函数，例如可以采用最小二乘法进行线性拟合，但也不排除其他的拟合方法。那么在实际的波前检测中基于该拟合关系函数和测得的参量指标即可获得待测光波的波前信息。
获得参量指标和波前相位之间对应关系的方式并不仅仅只有线性拟合这一种方式，在本申请的另一可选的实施例中，还可以基于神经网络训练，采集多个标准光波的离焦星点像的参量指标和波前信息作为训练样本，通过神经网络训练获得参量指标和波前信息之间的对应关系，由此，在实际测量待测光波的波前信息时，即可通过测得的参量指标和该对应关系获得。
基于上述任一实施例，在获得离焦平面的离焦光强分布之后，基于离焦光强分布获得待测光波的波前信息也并不仅限于上述实施例的方法，还可以预先根据神经网络训练获得离焦光强分布和波前信息之间的对应关系，在对待测光波的波前信息进行检测时，直接基于神经网络训练得到的对应关系和测量获得的离焦光强分布获得波前信息。
本申请中还存在其他类似基于离焦光强分布获得波前相位的方式，在此不一一列举。
下面对本发明实施例提供的波前信息的检测装置进行介绍，下文描述的波前信息的检测装置与上文描述的波前信息的检测方法可相互对应参照。
图5为本发明实施例提供的波前信息的检测装置的结构框图，待测光波依次经过主透镜、微透镜阵列并在感光探测器上成像，其中，所述微透镜阵列位于所述主透镜的焦平面上，所述感光探测器位于所述微透镜阵列的焦平面上；参照图5的波前信息的检测装置可以包括：
采集光强模块100，用于采集所述待测光波在所述感光探测器上成像的焦面光强分布；
离焦光强模块200，用于利用四维光场理论，根据所述焦面光强分布，获得所述待测光波在离焦平面的离焦光强分布；
波前相位模块300，用于对所述离焦光强分布进行运算分析，获得所述待测光波的波前信息。
可选地，所述离焦光强模块200，具体用于根据离焦光强分布公式：
可选地，离焦光强模块200用于对所述焦面光强分布进行数学再聚焦，获得所述待测光波对应的焦前光强分布和焦后光强分布；
相应地，波前相位模块300用于根据波前相位公式：
可选地，所述待测光波以扩散光束的形式入射至所述主透镜；波前相位模块300用于根据所述离焦光强分布，获得所述离焦平面上各个离焦星点像的参量指标，所述参量指标包括周长、椭圆长轴方向、二阶矩、熵以及相关度；根据所述参量指标获得所述波前信息。
可选地，波前相位模块300用于预先采用最小二乘法对离焦星点像的参量指标和波前信息之间的对应关系进行线性拟合，获得参量指标和波前信息之间的拟合关系函数；根据所述拟合关系函数和所述待测光波对应的离焦星点像的参量指标，确定所述待测光波的波前信息。
可选地，波前相位模块300用于根据预先通过神经网络训练获得的离焦星点像的参量指标和波前信息之间的对应关系，结合所述待测光波对应的离焦星点像的参量指标，确定所述待测光波的波前信息。
可选地，波前相位模块300用于根据预先通过神经网络训练获得的离焦光强分布和波前信息之间的对应关系，结合所述待测光波对应的离焦光强分布，获得所述待测光波的波前信息。
本实施例的波前信息的检测装置用于实现前述的波前信息的检测方法，因此波前信息的检测装置中的具体实施方式可见前文中的波前信息的检测方法的实施例部分，在此不再赘述。
本申请还提供了一种波前信息的检测系统，该检测系统包括：
主透镜、微透镜阵列、感光探测器以及和感光探测器相连接的处理器；
其中，微透镜阵列位于主透镜的焦平面上，感光探测器位于微透镜阵列的焦平面上，感光探测器用于检测依次经过主透镜、微透镜阵列并在感光探测器所在平面成像的焦面光强分布；
处理器用于根据焦面光强分布，执行实现如上任一项所述的波前信息的检测方法的操作步骤。
本申请中通过采用主透镜、微透镜阵列以及感光探测器形成光路检测待测光波依次经过主透镜和微透镜阵列在感光探测器上所成像的焦面光强分布，并根据该焦面光强分布基于四维光场理论进行数学再聚焦而获得更为准确的离焦光强分布，使得由该离焦光强分布获得的波前相位更为准确，有利于在大口径望远镜中透镜镜面准确测量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
