CN101726366B - 一种基于多针孔板的波前测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多针孔板的波前测量方法和装置。它将被测量物波照射到含有一个参考针孔和多个测量针孔的多针孔板上；用图像传感器记录透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射光场的强度分布图样；该夫琅和费衍射光场正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换；对所记录的强度分布图样做逆傅里叶变换，将该逆傅里叶变换图样中与多针孔板上各测量针孔的中心位置所对应的点的函数值提取出来，该函数值正比于被测物波在各测量针孔处的复振幅值；利用该复振幅值可在计算机中重现被成像物体。本发明提高了衍射成像速度，结构简单，调节方便，成本较低，适用于多种不同光源，可实现纯相位物体、复数物体或三维物体的实时波前传感和衍射成像。

Description

一种基于多针孔板的波前测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量入射光波波前或复振幅分布的装置，特别是一种利用多针孔板实现对入射光波波前或复振幅分布进行记录和重现的基于多针孔板的波前测量方法和装置。

背景技术

在自适应光学、光学精密测量、显微成像等应用领域，经常需要测量光波的波前或复振幅分布。尤其是在自适应光学系统中，为了实现对波前的动态控制，需要实时测量波前信息。目前，已经发展了多种测量光波的波前或复振幅分布的技术，如全息干涉测量技术、哈特曼波前传感技术、相位反演波前测量技术等。

全息干涉测量技术是利用被测光波和与之相干的参考波的干涉实现光波波前的记录，通过对干涉图样的分析实现光波波前的测量和重现。该技术需要使用分光装置产生所需要的相干参考波。虽然同轴全息干涉测量技术可以避免使用分光装置，但需要克服背景光和共轭项的影响。

哈特曼波前传感技术的基本原理是利用阵列微透镜把入射光波分割为若干子光波，然后利用二维阵列图像传感器(如CCD)测量各个子光波经微透镜的聚焦光斑的质心漂移量得到波前斜率，然后用各种波前复原算法得到被测光波的波前相位。哈特曼波前传感器结构简单，并且可以实现波前的实时动态测量。因此，该技术已经得到广泛应用。但是微透镜阵列的使用使哈特曼传感器的分辨率和应用领域受到限制。因为在有些波段中，如电子波、X光和极紫外光波段，制备所需要的微透镜阵列是非常困难的。

相位反演波前测量技术则是利用物波的衍射光场或像的强度分布实现光波波前或复振幅分布的测量。由于可以避免成像透镜孔径和像差对分辨率的限制，这种技术特别适用于像X射线、电子束这类缺乏或很难制备出高质量成像透镜的领域。相位反演波前测量技术的关键是怎样从一幅或多幅衍射强度图样中准确快速地将被测物波的振幅和相位信息恢复出来。目前，解决这一问题的一个主要途径是采用迭代算法。传统的迭代方法一般都需要较长的迭代时间，迭代结果存在不确定性；对被测物体也存在一些苛刻的限制条件，如物体要特殊固定、要求被测物体是纯振幅物体或纯相位物体，等等。

申请人在先申请的中国专利申请号“200910014336.2”中提供了一种基于多针孔板的相干衍射成像方法及其处理装置，它是让被测量波前先通过一个可旋转的多针孔板，然后再用图像传感器记录物波经过多针孔板后的夫琅和费衍射强度分布，最后借助计算机图像处理技术提取出被测物波波前的振幅和相位分布信息。该技术的一个不足之处是，为了实现二维波前的测量需要旋转多针孔板进行多次记录，影响了波前测量速度，不利于在自适应光学等需要对波前进行高速动态测量领域中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在申请号为“200910014336.2”的中国专利的基础上，提供一种不需要旋转针孔板进行多次记录就能实现二维波前测量的基于多针孔板的波前测量方法和装置。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：

一种基于多针孔板的波前测量方法，包括以下步骤：

第一步，将被测量物波照射到含有一个参考针孔和多个测量针孔的多针孔板上；

第二步，用图像传感器记录透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射光场的强度分布图样；记录平面上的衍射光场正比于多针孔板平面上透过多针孔板的物波的傅立叶变换；

第三步，对该衍射强度图样做逆傅里叶变换，将该逆傅里叶变换图样中与多针孔板上各测量针孔的中心位置所对应的点的函数值提取出来，该函数值正比于被测物波在各测量针孔处的复振幅值；利用该复振幅值可在计算机中重现物波波前和成像。

一种基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，它包括依次设置的多针孔板、图像传感器和处理装置，图像传感器与多孔板之间的距离Z满足夫琅和费衍射条件，即图像传感器记录平面上的光场分布正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换。

一种基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，它包括依次设置的多针孔板、傅立叶变换透镜、图像传感器和处理装置，所述图像传感器位于傅里叶变换透镜的后焦面上，即图像传感器记录平面上的光场分布正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换。

所述多针孔板是一块不透明薄板上设置一个参考针孔和若干测量针孔组成，所有测量针孔按照正三角形或称六方形二维周期点阵格式均匀排列，相邻测量针孔中心的间隔L等于或大于测量针孔直径D的2.5倍；参考针孔位于由相邻的三个测量针孔构成的一个正三角形的几何中心处。

所述多针孔板上的测量针孔排列成两个相互错位半个周期的正方形阵列，阵列周期T等于或大于针孔直径D的2倍；该两个正方形阵列分别位于参考针孔两侧，参考针孔中心与最近邻的测量针孔中心之间的距离等于阵列周期T的一半。

所述多针孔板上的参考针孔和测量针孔形状为圆形或正方形或其它形状。

本发明的原理是：被测量光波先经过多针孔板抽样，然后由图像传感器记录下透过多针孔板的光波的夫琅和费衍射的强度图样I_P。设透过多针孔板上第m个测量针孔的物波的复振幅值为其中A_m和

分别为透过第m个测量针孔的物波的振幅和相位，

为针孔板所在平面上的位置矢量(以参考针孔的中心为坐标原点)，

为第m个测量针孔中心的位置矢量，j为虚数，

为第m个测量针孔的孔径函数；在记录平面上得到的夫琅和费衍射光场的强度分布可表示为：

其中，I₀为积分常数，

为傅立叶变换算符，M为针孔板上测量针孔的数目，m＝0对应参考针孔，

为记录平面上的空间频率坐标。对该衍射强度图样做逆傅立叶变换得到被多针孔板抽样的光波波前的自相关函数

该自相关函数可以表示成以下形式(见Gong-Xiang Wei，Cheng-Shan Guo，et al.，Appl.Opt.48，5099，2009)，即

$g\left(\stackrel{\→}{r}\right)=C_0{A}_0^2\mathrm{\δ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)$

其中，A₀和

分别为透过参考针孔的物波的振幅和相位值，C₀为积分常数。由(2)式可见，该自相关函数可分成四项，其中第二项就是待测量的物波波前的抽样阵列。一般情况下，(2)式中的第二项和其他各项在空间上是相互重叠的，需要采用复杂的迭代算法才有可能将其提取出来。由于本发明中所采用的多针孔板上的抽样针孔的位置矢量满足以下条件

${\stackrel{\→}{r}}_m-{\stackrel{\→}{r}}_n\≠{\stackrel{\→}{r}}_k\mathrm{and}{\stackrel{\→}{r}}_m+{\stackrel{\→}{r}}_n\≠0,(m,n,k=\mathrm{1,2},...,M),---\left(3\right)$

使得(2)式中的第二项与其它各项在空间上是相互分离的。这样，只需一个简单的抽样函数 $P\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_m)$ 就可以将(2)式中的第二项直接提取出来，即

利用(4)式得到的被测物波波前的抽样阵列就可以在计算机中实现被测物体的数字成像或重现。

本发明相对于在先申请的中国专利200910014336.2避免了旋转和同步扫描装置，仅从一幅强度图样中就可以将待测波前恢复出来，其意义是可以实现复振幅物体的动态实时测量，在自适应光学领域和超快成像领域有重要应用价值。

本发明与现有技术相比有以下优点：利用本发明所公开的基于多针孔板的波前测量装置进行二维波前测量时不需要旋转多针孔板和进行多次测量，从而真正实现了二维波前的动态和实时测量。本发明所公开的基于多针孔板的波前测量装置完全避免了精密旋转和同步控制元件的使用，简化了记录过程，大大降低了系统成本。本发明所采用的多针孔板容易制备，可适用于像X射线、电子波这类难以使用传统的哈特曼波前传感器进行动态波前测量的领域。

附图说明

图1是本发明的波前测量方法的过程方框图；

图2是本发明的波前测量方法中的多针孔板的第一种设计实例的针孔分布示意图；

图3是本发明的多针孔板的第二种设计实例的针孔分布示意图；

图4是本发明的波前测量处理装置的第一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的波前测量处理装置的第二种实施方式的结构示意图；

图6a是采用本发明的波前测量方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例；

图6b是采用本发明的波前测量方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例；

图6c是采用本发明的波前测量方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例。

其中，1.多针孔板、2.参考针孔、3.测量针孔、4.图像传感器、5.计算机、6.傅里叶变换透镜。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明方法包括如下步骤：(1)首先用一个多针孔板1对被测量物波的波前进行抽样，该多针孔板1上的针孔由一个参考针孔2和若干个测量针孔3构成；(2)透过多针孔板1的物波继续传播，在远场(或通过一个傅里叶变换透镜后在透镜后焦面)形成夫琅和费衍射光场；(3)用一个二维图像传感器4(如CCD)记录透过多针孔板1的物波的夫琅和费衍射强度图样；(4)利用图像处理技术对该夫琅和费衍射强度图样作逆傅里叶变换得到透过多针孔板1的物波复振幅的相关函数图样；将该相关函数图样中与多针孔板1上各测量针孔3的中心位置所对应的点的函数值提取出来，就得到透过多针孔板1的物波复振幅在各测量针孔3处的相对振幅和位相值；利用该测量数据就可以在计算机中通过程序模拟光的衍射过程，重现被成像物体。

图2是本发明的多针孔板1的一种典型实施方式。该多针孔板1上的针孔由直径均为D的一个参考针孔2和多个测量针孔3构成，测量针孔3按照正三角形(或六方形)二维周期点阵格式均匀排列，相邻测量针孔3中心的间隔L等于或大于测量针孔3直径D的2.5倍；参考针孔2位于由相邻的三个测量针孔3构成的一个正三角形的几何中心处。参考针孔2和测量针孔3的形状可以是圆形或正方形或其它形状。

图3是本发明的方法中所述的多针孔板1的第二种实施方式。该多针孔板1上的测量针孔3排列成两个相互错位半个周期的正方形阵列，阵列周期T等于或大于针孔直径D的2倍；该两个正方形阵列分别位于参考针孔2两侧，参考针孔2中心与最近邻的测量针孔3中心之间的距离等于阵列周期T的一半。参考针孔2和测量针孔3的形状可以是圆形或正方形或其它形状。

图4是本发明的波前测量处理装置的一种典型实施方式。该装置包括多针孔板1、图像传感器4、计算机5。多针孔板1到图像传感器4的感光平面之间的距离Z保证满足夫琅和费衍射条件，使透过多针孔板1的物波在图像传感器感光平面上的衍射光场正比于该物波的傅里叶变换。图像传感器4由计算机5控制实现对衍射强度图像的数字记录。从所记录的衍射强度图样中提取物波的复振幅信息并成像由根据本发明方法设计的计算机程序完成。

图5是本发明的装置的第二种实施方式，比图4多了一个傅里叶变换透镜6，即在多针孔板1和图像传感器4之间放置傅里叶变换透镜6，图像传感器记录平面位于傅里叶变换透镜6的后焦面上。这样可以使装置紧凑，并且可以通过改变透镜6的焦距方便地放大或缩小传播到传感器记录平面上的夫琅和费衍射强度图样的大小。

图6a-图6c是采用本发明的波前测量方法和装置进行波前测量和相干衍射成像的一个实验结果实例。实验中，光源采用He-Ne激光，输出光波的波长为0.6328微米；被成像物体为字符“山”的缩微图片，如图6a所示；多针孔板采用图2所示的六方形阵列模式。针孔直径为50微米，相邻测量针孔的相距为400微米。实验装置采用图5所示的第二种实施方式，其中傅里叶变换透镜的焦距为240毫米，图像传感器为CCD数码相机，像素数为1300×1030，像素大小为6.7微米。图6b为用CCD记录的透过多针孔板的被测物波的夫琅和费衍射强度图样。图6c为利用图6b所示的强度图样在计算机中通过计算机程序得到的被测物体的波前重现像。

上述方法及实施例都是通过记录被测物波通过一个多针孔板后的夫琅和费衍射强度图样和通过对该图样的图像处理来达到重现物波的振幅和相位分布的目的。本发明的实施不局限于上述具体实施方案。只要是通过记录被测物波经过上述方法所述的多针孔板后的夫琅和费衍射强度图样来实现重现物波的振幅和相位分布目的的方法、装置与系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多针孔板的波前测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将被测量物波照射到含有一个参考针孔和多个测量针孔的多针孔板上；

第二步，用图像传感器记录透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射光场的强度分布图样；记录平面上的衍射光场正比于多针孔板平面上透过多针孔板的物波的傅立叶变换；

第三步，对该衍射强度分布图样做逆傅里叶变换，将该逆傅里叶变换图样中与多针孔板上各测量针孔的中心位置所对应的点的复振幅值提取出来，该复振幅值正比于被测物波在各测量针孔处的复振幅值；利用该复振幅值可在计算机中重现被成像物体。

2.一种权利要求1所述基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，其特征在于，它包括依次设置的多针孔板、图像传感器和计算机，图像传感器与多孔板之间的距离Z满足夫琅和费衍射条件，即图像传感器记录平面上的光场分布正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换。

3.一种权利要求1所述基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，其特征在于，它包括依次设置的多针孔板、傅立叶变换透镜、图像传感器和计算机，所述图像传感器位于傅里叶变换透镜的后焦面上，即图像传感器记录平面上的光场分布正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换。

4.如权利要求2或3所述的基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，其特征在于，所述多针孔板是一块不透明薄板上设置一个参考针孔和若干测量针孔组成，所有测量针孔按照正三角形或六方形二维周期点阵格式均匀排列，相邻测量针孔中心的间隔L等于或大于测量针孔直径D的2.5倍；参考针孔位于由相邻的三个测量针孔构成的一个正三角形的几何中心处。

5.如权利要求2或3所述的基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，其特征在于，所述多针孔板上的测量针孔排列成两个相互错位半个周期的正方形阵列，阵列周期T等于或大于针孔直径D的2倍；该两个正方形阵列分别位于参考针孔两侧，参考针孔中心与最近邻的测量针孔中心之间的距离等于阵列周期T的一半。

6.如权利要求2或3所述的基于多针孔板的波前测量方法的处理装置，其特征在于，所述多针孔板上的参考针孔和测量针孔形状为圆形或正方形或其它形状。

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