CN106338823A - 一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，在远场同一位置可以同时采集到部分波前的焦面和离焦面信息，只需一帧图像，且基于菲涅耳波带片，元件简单，轻便，可实现基于单帧远场图像的准确相位反演计算，计算速度快、精度高。

Description

一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法

技术领域

本发明涉及一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，属于波前传感技术领域。

背景技术

相位反演技术是波前传感技术的重要分支，特点是直接利用采集到的光束远场光斑图像信息，通过衍射光学理论，反演推算出光束的近场波前相位分布信息。相位反演技术按照远场信息输入条件，可以分为经典的基于单帧图像的相位反演技术和基于多帧图像的相位反演技术。单帧图像的相位反演技术主要有GS算法、YG算法等；多帧图像的相位反演技术主要有曲率波前传感技术、相位差法波前传感技术等。

基于单帧图像的相位反演技术光学实现结构非常简单，但其主要缺欠是由于点扩散函数不唯一，波前复原存在多解性，因而基于更多远场信息的相位反演方法应运而生。基于多帧图像的相位反演技术通过获取更多的远场图像作为已知信息，增加相位反演限定条件，从而解决解的唯一性问题。然而，同时获取多帧远场图像意味着光学实现结构复杂度的增加和可靠性的降低。因此，若能通过新的技术手段和数学方法解决多解问题，利用单帧远场图像实现准确的相位反演，那么光学实现结构能够十分简洁，并且无需分光元件，光能利用率和信号信噪比高，是较为理想的相位反演实施方式。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，在远场同一位置可以同时采集到部分波前的焦面和离焦面信息，使得点扩散函数唯一，且基于菲涅耳波带片，元件简单，轻便，适合大孔径及超大孔径探测，可实现基于单帧远场图像的准确近场相位反演。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，通过在一个波带片中，集成了不同的焦距信息，对入射到波带片上的光场进行不同的调制，在远场可以同时探测到不同部分光波的焦面信息和离焦信息，且这部分信息进行了衍射叠加，形成了特殊的光斑形状，提高波前复原精度。光学实现结构包括：混合焦距菲涅耳波带片1、光电探测器2，混合焦距菲涅耳波带片用于产生混合焦面、离焦面光强信息，光电探测器用于探测调制后光波所成的远场光斑图像，进而通过以下步骤处理远场光斑图像，实现对入射波前相位的反演：

步骤1：已知入射光束近场强度分布I_near和对应的远场光斑图像强度分布I_far，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值为0。

步骤2：计算混合焦距菲涅耳波带片在焦面附近的远场复振幅分布：

式中A_far为计算远场光波振幅分布，为计算的远场光波相位分布；

步骤3：对比计算的远场光波振幅|E_far|和实际的远场光波振幅分布计算表征两者之间差异的评价指标：

$SSE=\∫\∫{\left(\right|E_{far}|-\sqrt{I_{far}})}^2/\∫\∫|E_{far}{|}^2$

若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场光波复振幅与实际入射光波拥有一致的远场光强分布，则当前的近场波前即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则方法继续；

步骤4：将远场实际光强分布I_far平方根作为远场光波振幅，变换后远场光波复振幅为：

利用变化后远场光波复振幅E′_far，计算逆向衍射后对应混合焦距菲涅耳波带片的近场光波复振幅：

式中A_near为计算近场光波振幅分布，为计算的近场调制后光波相位分布；

步骤5：将I_near的平方根作为近场光波振幅代替A_near，从而构成新的近场调制后光波复振幅，重新进入复原方法步骤2，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤3满足判定标准，则基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。

(三)有益效果

本发明一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法。简单易于实现，轻薄可靠，克服传统单帧反演方法的多解问题，复原精度、速度都有较大提高，对大孔径探测及单帧相位反演探测拥有重要意义。

附图说明

图1为混合焦距菲涅耳波带片结构示意图，其中，图1(a)为分成4部分的混合焦距菲涅耳波带片，图1(b)为分成8部分的混合焦距菲涅耳波带片；

图2为本发明方法原理流程图；

图3为本发明方法光路图；

图4为实施例中本发明方法远场光强分布图，其中，图4(a)为分成4部分的混合焦距菲涅耳波带片的远场光强分布，图4(b)为分成8部分的混合焦距菲涅耳波带片的远场光强分布；

图5为实施例中波前相位(a)为原始波前相位，图5(b)为本方法恢复波前相位，图5(c)传统单帧GS算法恢复波前相位；

图6为实施例中收敛曲线，其中，图6(a)为本方法收敛曲线，图6(b)为传统单帧GS算法收敛曲线；

图7为实施例中相位恢复残差，其中，图7(a)为本方法恢复残差，图7(b)为传统单帧GS算法恢复残差。

图中附图标记含义为：1为菲涅耳波带片，2为光电探测器件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，核心思想是在远场同一位置可以同时采集到部分波前的焦面和离焦面信息，使得点扩散函数唯一，且基于菲涅耳波带片，元件简单，轻便，适合大孔径及超大孔径探测，可实现基于单帧远场图像的准确近场相位反演。

实施例

在本发明的示例性实施例中，提供了一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法。下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1(a)所示为菲涅耳透镜示意图，此例中分4个部分，其中1、3象限设计焦距为1200mm，2、4象限设计焦距为1000mm(也可以多种焦距)。图3是系统光路图，实施例中待测的入射光波波前相位是由65阶Zernike多项式组成的随机波前(PV＝3.1852rad，rms＝0.6452rad)，如图5(a)所示。其通过菲涅耳波带片的远场光强分布如图4(a)所示。

步骤1：已知入射光束近场强度分布I_near和对应的远场光斑图像强度分布I_far，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值为0。

步骤2：计算混合焦距菲涅耳波带片在焦面附近的远场复振幅分布：

式中A_far为计算远场光波振幅分布，为计算的远场光波相位分布；

步骤3：对比计算的远场光波振幅|E_far|和实际的远场光波振幅分布计算表征两者之间差异的评价指标：

$SSE=\∫\∫{\left(\right|E_{far}|-\sqrt{I_{far}})}^2/\∫\∫|E_{far}{|}^2$

若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场光波复振幅与实际入射光波拥有一致的远场光强分布，则当前的近场波前即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则方法继续；

步骤4：将远场实际光强分布I_far平方根作为远场光波振幅，变换后远场光波复振幅为：

利用变化后远场光波复振幅E′_far，计算逆向衍射后对应混合焦距菲涅耳波带片的近场光波复振幅：

式中A_near为计算近场光波振幅分布，为计算的近场调制后光波相位分布；

步骤5：将I_near的平方根作为近场光波振幅代替A_near，从而构成新的近场调制后光波复振幅，重新进入复原方法步骤2，开始新一轮的迭代计算，直至50次迭代复原运算后满足步骤3判定标准，则基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。

将传统单帧GS算法迭代200次后仍远达不到步骤3判定标准，所以同样迭代50次，与本发明方法进行对比。图5(a)为初始随机波前(PV＝3.1852rad，rms＝0.6452rad)，图5(b)为本发明方法复原波前(PV＝3.1942rad，rms＝0.6403rad)，图5(c)为传统GS单帧算法复原波前(PV＝3.3376rad，rms＝0.6381rad)，可以看出本发明方法波前复原细节、精度都较传统方法有较大提高。图6(a)为本发明方法的收敛曲线，图6(b)为传统GS单帧算法的收敛曲线，可以看到本发明方法相对于传统方法，收敛更快，且不容易停滞。图7(a)为本发明方法的相位复原残差，图6(b)为传统GS单帧算法的相位复原残差，相同迭代次数下，本发明方法相较传统方法精度提高近20倍。

本实施例中，基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，核心思想是在远场同一位置可以同时采集到部分波前的焦面和离焦面信息，使得点扩散函数唯一，能对单帧远场图像进行准确的相位反演。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法有了清楚的认识。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，其特征在于：该方法利用的光学实现结构包括：混合焦距菲涅耳波带片(1)、光电探测器(2)，混合焦距菲涅耳波带片用于产生混合焦面、离焦面光强信息，光电探测器用于探测调制后光波所成的远场光斑图像，进而通过以下步骤处理远场光斑图像，实现对入射波前相位的反演：

步骤1：已知入射光束近场强度分布I_near和对应的远场光斑图像强度分布I_far，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值为0；

步骤2：计算混合焦距菲涅耳波带片在焦面附近的远场复振幅分布：

式中A_far为计算远场光波振幅分布，为计算的远场光波相位分布；

步骤3：对比计算的远场光波振幅|E_far|和实际的远场光波振幅分布计算表征两者之间差异的评价指标：

$SSE=\∫\∫{\left(\right|E_{far}|-\sqrt{I_{far}})}^2/\∫\∫|E_{far}{|}^2$

若SSE小于设定的判定标准，表明本次计算所用近场光波复振幅与实际入射光波拥有一致的远场光强分布，则当前的近场波前即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则方法继续；

步骤4：将远场实际光强分布I_far平方根作为远场光波振幅，变换后远场光波复振幅为：

利用变化后远场光波复振幅E′_far，计算逆向衍射后对应混合焦距菲涅耳波带片的近场光波复振幅：

式中A_near为计算近场光波振幅分布，为计算的近场调制后光波相位分布；

步骤5：将I_near的平方根作为近场光波振幅代替A_near，从而构成新的近场调制后光波复振幅，重新进入复原方法步骤2，开始新一轮的迭代计算，直至某次迭代复原运算的步骤3满足判定标准，则基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，其特征在于：菲涅耳波带片可以为相位型，也可以为振幅型，也可以为两者的混合结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，其特征在于：混合焦距菲涅耳波带片可以按中心为原点，向外辐射出多个扇形区域，相邻区域对应的菲涅耳波带片焦距不同，相同扇形区域也可以有不同的焦距分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合焦距菲涅耳波带片的相位反演方法，其特征在于：除了应用混合焦距菲涅耳波带片，还可以使用混合焦距菲涅耳透镜或其他具有混合焦距结构的透镜或混合焦距光子筛。