一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于波前傳感技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像反算入射光束波前相 位的方法，尤其設(shè)及一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相位反演技術(shù)是波前傳感技術(shù)的重要分支，其特點(diǎn)是直接利用光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑 圖像信息，通過(guò)數(shù)學(xué)手段分析處理，反算推演出光束的近場(chǎng)波前相位分布信息。相位反演 技術(shù)按照遠(yuǎn)場(chǎng)信息輸入條件，可W分為經(jīng)典的基于單帖圖像的相位反演技術(shù)，如GS算法 (參見(jiàn) Gerchberg R. W, Saxton W. 0. Phase determination from image and diffraction plane pictures in the electron microscope[J]. Optik, 1971, 34(3):275 ?284)、YG 算法（參見(jiàn) Yang G Z, Gu B Y, Dong B Z. Theory of amplitude-phase retrieval in an any linear transformation system and its applications[J]. Inter J Modern Phys，1993，B7:3153?3224);發(fā)展比較成熟的基于兩幅圖像的相位反演技術(shù)，如曲率波 前傳感技術(shù)（參見(jiàn) F. Roddier. Curvature sensing and compensation:a new concept in adaptive optics[J]. Applied Optics, 1988, 27 (7): 1233)、相位差法波前傳感技術(shù) (參見(jiàn) Gonsalves R and Chidlaw R. Wavefront sensing by phase retrieval [C]. in Applications of Digital Image Processing III, Proc.SPIE, 1979, 207)，此外還有基于 多帖圖像的相位反演方法等。
[0003] 基于單帖圖像的相位反演技術(shù)光學(xué)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但其主要問(wèn)題是存在多 解，該對(duì)于致力于實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)檢測(cè)的波前傳感技術(shù)來(lái)說(shuō)是無(wú)法接受的，因而基于更多 遠(yuǎn)場(chǎng)信息的相位反演方法應(yīng)運(yùn)而生?；诙嗵麍D像的相位反演技術(shù)通過(guò)獲取更多的遠(yuǎn)場(chǎng)圖 像作為已知信息，增加相位反演限定條件，從而解決解的唯一性問(wèn)題。當(dāng)然，在保證相位求 解穩(wěn)定的前提下，所需的遠(yuǎn)場(chǎng)信息越少則越有利于實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。基于兩幅圖像 的相位反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)唯一解求解所需的附加圖像最少，因而是目前主要的關(guān)注點(diǎn)和研究熱 點(diǎn)。而基于單帖圖像的相位反演方法基本被波前傳感領(lǐng)域所忽視，主要被用于衍射光學(xué)元 件設(shè)計(jì)領(lǐng)域。然而，同時(shí)獲取多帖遠(yuǎn)場(chǎng)圖像意味著光學(xué)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的增加和可靠性的 降低。因此，若能通過(guò)新的技術(shù)手段和數(shù)學(xué)方法解決多解問(wèn)題，利用單帖遠(yuǎn)場(chǎng)圖像實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確 的相位反演，那么光學(xué)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)能夠十分簡(jiǎn)潔，并且無(wú)需分光元件，光能利用率和信號(hào)信噪 比高，是較為理想的相位反演實(shí)施方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，突破W單帖遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像反演 近場(chǎng)相位時(shí)長(zhǎng)期存在的多解難題，在基于單帖遠(yuǎn)場(chǎng)圖像相位反演的光學(xué)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 上，提供一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法，W破壞波前像差模式的對(duì)稱(chēng)性為 核屯、思想，通過(guò)引入非常簡(jiǎn)潔的二元相位調(diào)制，改變遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的分布狀態(tài)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)近 場(chǎng)波前相位與遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布的一一對(duì)應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)基于單帖遠(yuǎn)場(chǎng)圖像的準(zhǔn)確近場(chǎng)相位反 演。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法，其光 學(xué)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要由四象限二元相位掩膜、成像透鏡、光電探測(cè)器構(gòu)成，四象限二元相位掩膜 位于成像透鏡之前，調(diào)制入射光波的波前相位分布，光電探測(cè)器置于成像透鏡焦平面，用于 探測(cè)調(diào)制后光波所成的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，進(jìn)而通過(guò)W下步驟處理遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射 波前相位的反演：
[0006] 步驟1 ;已知入射光束近場(chǎng)強(qiáng)度分布1。。"和對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像強(qiáng)度分布I f"，并 設(shè)定相位反演方法中近場(chǎng)波前相位分布的初始值為0,記四象限二元相位掩膜的附加 相位分布為4 m。,k;
[0007] 步驟2 ;經(jīng)過(guò)四象限二元相位掩膜調(diào)制后的光波波前相位為W實(shí)際近 場(chǎng)強(qiáng)度分布1。。"平方根作為近場(chǎng)光波振幅，則有調(diào)制后近場(chǎng)光波復(fù)振幅為：
[000引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法，其特征在于；光學(xué)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括四 象限二元相位掩膜（1)、成像透鏡（2)、光電探測(cè)器（3)，四象限二元相位掩膜（1)位于成像 透鏡（2)之前，調(diào)制入射光波的波前相位分布，光電探測(cè)器（3)置于成像透鏡（2)焦平面， 用于探測(cè)調(diào)制后光波所成的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，進(jìn)而通過(guò)W下步驟處理遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì) 入射波前相位的反演： 步驟1 ;已知入射光束近場(chǎng)強(qiáng)度分布1。。"和對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像強(qiáng)度分布I f"，并設(shè)定 相位反演方法中近場(chǎng)波前相位分布的初始值為0,記四象限二元相位掩膜（1)的附加 相位分布為4 m。,k; 步驟2 ;經(jīng)過(guò)四象限二元相位掩膜（1)調(diào)制后的光波波前相位為W實(shí)際近 場(chǎng)強(qiáng)度分布1。。"平方根作為近場(chǎng)光波振幅，則有調(diào)制后近場(chǎng)光波復(fù)振幅為：
(1) 步驟3 ;計(jì)算調(diào)制后光波在成像透鏡（2)焦面上光斑的復(fù)振幅分布，也即被成像透鏡 (2)衍射傳播至焦平面上的遠(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅分布： E,,二 A機(jī).e'扣'"， (2) 式中Af"為計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)光波振幅分布，4 為計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)光波相位分布； 步驟4;對(duì)比計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)光波振幅|Ef"|和實(shí)際的遠(yuǎn)場(chǎng)光波振幅分布^/扁.，計(jì)算表征 兩者之間差異的評(píng)價(jià)指標(biāo)：
(3) 若SSE小于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，表明本次計(jì)算所用近場(chǎng)光波復(fù)振幅與實(shí)際入射光波擁有 一致的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，則當(dāng)前的近場(chǎng)波前4。。"即為實(shí)際的光束近場(chǎng)相位分布，作為相位反 演結(jié)果輸出，基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法結(jié)束；若SSE大于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)， 則方法繼續(xù)； 步驟5 ;將遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)際光強(qiáng)分布平方根作為遠(yuǎn)場(chǎng)光波振幅，有變換后遠(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅 為：
(4) 利用變化后遠(yuǎn)場(chǎng)光波復(fù)振幅Ef"'，計(jì)算逆向衍射后對(duì)應(yīng)成像透鏡（2)的近場(chǎng)，四象限 二元相位掩膜（1)后方的光波復(fù)振幅：
(5) 式中A。。。,為計(jì)算近場(chǎng)光波振幅分布，4為計(jì)算的近場(chǎng)調(diào)制后光波相位分布； 步驟6 ;用新計(jì)算的近場(chǎng)入射（調(diào)制前）光波波前分布（4。。。/-(1)。。心，更新方法的近 場(chǎng)入射光波相位4。。"，并再次結(jié)合實(shí)際近場(chǎng)強(qiáng)度分布1。。"，將1。。"的平方根作為近場(chǎng)光波 振幅，從而構(gòu)成新的近場(chǎng)調(diào)制后光波復(fù)振幅，重新進(jìn)入復(fù)原方法步驟2,開(kāi)始新一輪的迭代 計(jì)算，直至某次迭代復(fù)原運(yùn)算的步驟4滿(mǎn)足判定標(biāo)準(zhǔn)，則基于四象限二元相位調(diào)制的相位 反演方法結(jié)束，輸出反演的光束近場(chǎng)相位分布結(jié)果。


2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法，其特征在 于；所述的四象限二元相位掩膜將通光孔徑W直角坐標(biāo)劃分為四個(gè)象限，并在四個(gè)象限中 引入不同的相位平移調(diào)制，其中對(duì)角線(xiàn)象限1、3象限成組，2、4象限成組，組內(nèi)的兩象限引 入的相位平移保持一致，不同組之間引入的相位平移相差n /2,1、3象限引入-31 /4的相位 平移，而2、4象限則引入31 /4的相位平移，或者1、3象限引入0的相位平移，而2、4象限則 引入n/2的相位平移。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法，其特征 在于；所述的四象限二元相位掩膜作為相位調(diào)制片單獨(dú)放置于成像透鏡前，或直接刻蝕、貝占 附于成像透鏡上或集成裝配在成像透鏡中。
【專(zhuān)利摘要】一種基于四象限二元相位調(diào)制的相位反演方法，采用基于單幀遠(yuǎn)場(chǎng)圖像的相位反演算法的基本結(jié)構(gòu)，利用四象限二元相位元件在光束成像前調(diào)制相位分布，從而使光束在成像透鏡焦面上形成獨(dú)特的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，光電探測(cè)器獲取光斑圖像并作為相位反演的遠(yuǎn)場(chǎng)頻域信號(hào)，在近場(chǎng)空域波前相位與遠(yuǎn)場(chǎng)頻域光斑圖像之間往復(fù)迭代，最終準(zhǔn)確地反演入射光束的近場(chǎng)波前相位分布。本發(fā)明解決了多解問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)了利用單幀遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像信號(hào)的準(zhǔn)確近場(chǎng)相位反演，無(wú)需分光元件或孔徑分割器件，光能利用率高，加之探測(cè)精度理論上只受限于光電探測(cè)器分辨能力，因而有望用于弱信號(hào)波前探測(cè)、高精度波前探測(cè)等領(lǐng)域。
【IPC分類(lèi)】G01J9-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104596651
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510053083
【發(fā)明人】王帥, 楊平, 許冰, 何星, 劉 文, 董理治, 傅筱瑩, 陳小君
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年2月2日