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透镜作为最基本和最重要的光学元件之一,已被广泛的应用于光学及其相关领域。作为透镜重要参数之一,曲率半径对透镜的成像、位相变换等性能均有很大的影响。然而,曲率半径的测量一直是光学测量领域的难点。目前存在的曲率半径测量方法种类繁多,其测量原理也不尽相同,但是随着高新技术的发展,人们更注重于寻求实验装置简单、成本低、抗环境干扰能力强的曲率半径测量方法。
本文提出了一种结构简单、成本低、抗干扰能力强的曲率半径测量方法,即基于体散斑相位恢复的曲率半径测量方法。该方法利用随机幅度掩膜板调制经被测透镜透射的理想激光的波前以获得任意体散斑场,进而通过记录系列同轴散斑强度场分布,并基于瑞利一索莫菲衍射传播理论的相位恢复算法获得被测透镜的相位分布,进而获得被测透镜的曲率半径。
本文的具体研究内容和工作如下:
首先,在分析光波传播理论的基础上,确定使用瑞利-索莫菲衍射,并推导出其卷积形式和离散形式,为相位恢复测量提供了依据,便于后续仿真工作的进行。
其次,讨论了比较经典的几种相位恢复算法。针对目前相位恢复方法的缺点和不足之处,引出了体散斑相位恢复方法。然后通过仿真对体散斑相位恢复算法进行了深入分析,给出了具体的算法原理和流程图,研究了散斑记录强度次数、迭代次数、初始相位和散斑大小等参数对算法的影响,并用误差均方差之和(SSE)对其收敛性作了评价。大约在使用20次记录强度和13-15次迭代后,误差约为0.6%。
再次,搭建了曲率半径测量的实验平台,给出了实验过程,并分析了各种因素对测量结果的影响。实验结果表明,该方法的测量误差约为0.55%。
最后,总结了全文,并探讨了论文今后需要进一步研究的几个方面。