CN107255525B - 测量部分相干光空间关联结构的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量部分相干光空间关联结构的方法及系统，所述方法包括：待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录光源传输至傅里叶平面处的光强；待测光源不引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录光源传输至傅里叶平面处的光强；将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，即可得到光源平面的交叉谱密度函数，此时，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，即可得到光源的关联结构。本发明本发明可以同时得到待测光源空间关联结构完整的实部和虚部信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量部分相干光空间关联结构的方法及系统。
背景技术
激光拥有高相干性的同时，也会引入一些噪声，而低相干性的激光束在很多方面却有着独特的优越性，例如在核聚变中用来克服散斑效应、在大气通讯中增加信噪比等等。最经典的部分相干激光束是高斯-谢尔模光束，其空间关联结构符合高斯分布，在F.Gori等人早期的研究基础上，人们又提出了大量具有特殊空间关联结构的部分相干激光束的模型，例如，拉盖尔-高斯关联部分相干激光束、厄米-高斯关联部分相干激光束等等。和传统的高斯-谢尔模部分相干激光束相比，具有特殊关联的部分相干激光束有着各自独特的特性，例如拉盖尔-高斯关联部分相干激光束经过聚焦后会在焦平面附近形成光学囚笼；厄米-高斯关联的部分相干激光束在传输过程中会发生自分裂等等。
空间关联结构的测量研究可以追溯到1938年，泽尼克首次提出利用双孔干涉条纹的可见度定义两点的相干度(Zernike F.The concept of degree of coherence and itsapplication to optical problems[J].Physica,1938,5(8):785-795.)，在其后的几十年里，众多研究者都投入到寻找更为方便快捷的方法中去，以获得特定光束更为完整的关联结构信息，到目前为止，获取方法大致分为三种，干涉法、衍射法及四阶关联法。(1)干涉法：从杨氏干涉演化而来，在光路中放置双孔、多孔、双缝等装置获得干涉图样，再从干涉图样中分析得到所需的信息。为了一次测量以获得更多点之间的相干度，人们设计了多孔板和无重复二维阵列孔，以及可以被广泛运用在实验中的数字微镜面阵列。对于多色光，可以运用非平行双缝或在杨氏双孔后添加消色差透镜和衍射透镜的组合。(2)衍射法：在光路中引入一个具有特定透射率函数的障碍物，通过两次光强的拍摄，分析提取得到相干度的函数。(3)四阶关联法：主要是运用归一化四阶关联函数和相干度绝对值之间的关系，经过逐点扫描，得到相干度的曲线。
现有的测量光束空间关联结构的方法都有着各自的优点，但也仍然存在着一定的局限性，而这些局限性大致可以总结为以下几点：(1)实验过程复杂冗长，无法实现时效性；(2)实验后的处理过程复杂；(3)适用范围有限，例如只适用于单色光，或者无法同时获得关联结构的实部和虚部信息。因此，如何高效、实时、完整的获取光束空间关联结构的信息仍旧是一个重要的研究课题。上述的三类方法皆有各自的优势和不足，干涉法可以得到复相干度的实部和虚部，但是采样点有限，且采样越多，实验过程耗时越长；衍射法实验和处理过程简单，但是涉及零级近似，相干度越高误差越大；四阶关联的方法与干涉法有着类似的缺点，即实验耗时长，不具有实时测量的能力。
鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种测量部分相干光空间关联结构的方法及系统，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高效、快速测量部分相干光关联结构的测量部分相干光空间关联结构的方法及系统。
为达到上述目的，本发明测量部分相干光空间关联结构的方法，包括：
记录扰动光强：给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；
记录非扰动光强：不给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；
计算机将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换、筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构。
进一步地，记录扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框和在所述取景框内设置给待测光源的引入扰动的扰动结构；
记录非扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框；
记录扰动光强、非扰动光强时，待测光源的传输路径相同，均为经相位型空间光调制器反射后输出至多孔阵列；
其中，所述扰动结构的面积为取景框面积的0.05至0.15倍，取景框的相位赋值为π，取景框外的部分的相位赋值为0，扰动结构的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可。
进一步地，所述多孔阵列结构为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔的中心偏离二维周期阵列孔的中心设定距离，该设定距离介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为矩形透光孔的边长尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；
待测光源垂直入射至所述的多孔阵列结构的入光面。
进一步地，相位型空间光调制器到多孔阵列结构的距离z应满足z≥d*L/λ，其中d是二维阵列孔的周期间隔，L是取景框边界上间距最大的两点的距离大小，λ是输出待测光源的激光的波长。
进一步地，在多孔阵列和光强记录装置之间设置有一傅里叶透镜，该傅里叶透镜实现待测光源的傅里叶变换；
所述筛选阵列是由计算机在恢复关联结构的过程中产生的用于筛选数据的结构，所述筛选阵列由周期排列的二维阵列孔构成。
进一步地，光束的关联函数通过以下公式计算：
其中Γ0(r1,r0)指的是该光场的交叉谱密度，I(r1)指的是该处的光斑光强，I(r0)指的是r0处的光强值；
计算关联函数的步骤分为三步：
(1)拍摄源场光强I(r1,r1)
I(r0,r0)指的是r0处的光强，因此，令r1＝r0，即可得到I(r0,r0)。
(2)由傅里叶平面处的光强计算多孔阵列前的交叉谱密度Γ(ρmn,0)：
多孔阵列结构的透射率函数表示为参考孔和二维阵列孔位置处的δ函数的叠加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若将傅里叶平面的光强反傅里叶变换可以得到穿过多孔阵列后的光场：
F-1{I}＝Γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijΓ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+∑ijΓ(0,ρij)*δ(ρ+ρij)+∑mnΓ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)
筛选阵列的透射率函数与多孔阵列中周期重复的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，这个反傅里叶变换的结果经过筛选阵列的筛选并变换坐标便可以得到Γ(ρmn,0)。
(3)两次拍摄与反传输处理，得到Γ0(r1,r0)：
不添加和添加扰动两种情况下拍摄，光强反傅里叶变换和筛选后的结果分别为：
Γ(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
Γ′(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)[1+Cδ(r1-r0)][1+Cδ(r2-r0)]*h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
其中，h(r1,ρ1)是传输项，δ函数表示的是扰动项，两者结果相减可得：
ΔΓ(ρmn,0)＝Ch(r0,ρmn)(C*Γ0(r0,r0)h(r0,0)*+C∫Γ0(r0,r2)h(r2,0)*dr2)+C*h(r0,0)*∫Γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1
此时再进行反向传输，就可以得到Γ0(r1,r0)。
为达到上述发明目的，本发明测量部分相干光空间关联结构的系统，包括：待测光源依次经过的光强扰动添加单元、多孔阵列结构、傅里叶变换单元、光强记录装置以及计算机；
所述光强扰动添加单元，包括：扰动添加元件、扰动不添加元件，所述扰动添加元件，用于对待测光源添加扰动后输出至多孔阵列结构；扰动不添加元件，用于对待测光源不添加扰动，且以与添加扰动后的待测光源相同的路径输出至多孔阵列结构；待测光源的光轴垂直所述多孔阵列；
光强傅里叶变换单元，用于对经过多孔阵列结构处理的添加了扰动的待测光源进行傅里叶变换后输出至多孔阵列结构；对经过多孔阵列结构处理的不添加了扰动的待测光源进行傅里叶变换后输出多孔阵列结构；
光强记录装置，放置在傅里叶平面处，用于分别记录所述光强傅里叶变换单元输出的添加扰动、不添加无扰动两种情况下的光强；
所述拍照装置，用于分别记录经所述傅里叶变换单元处理后输出至傅里叶平面处的添加扰动后的待测光源、不添加扰动后的待测光源的光强；
所述计算机，用于将添加扰动、不添加无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构。
进一步地，所述光强扰动添加单元为相位型空间光调制器，扰动添加元件为在记录扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框和在所述取景框内设置给待测光源的引入扰动的扰动结构；其中，所述扰动结构的面积为取景框面积的0.05至0.15倍，取景框的相位赋值为π，取景框外的部分的相位赋值为0，扰动结构的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可；
扰动不添加元件为在记录非扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框；
其中，记录扰动光强、非扰动光强时，待测光源的传输路径相同，均为经相位型空间光调制器反射后输出至多孔阵列。
进一步地，所述多孔阵列结构为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔的中心偏离二维周期阵列孔的中心设定距离，该设定距离介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为矩形透光孔的边长尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；待测光源垂直入射至所述的多孔阵列结构的入光面；
其中，所述多孔阵列结构是通过透射式空间光调制器生成的；或所述多孔阵列结构为由激光刻蚀制作而成的光学板；
所述矩形透光孔的边长尺寸a不大于200μm；二维阵列孔的周期d不大于300μm。
进一步地，还包括分束镜，所述分束镜为半透半反镜，将待测光源输出的待测光源反射至光强扰动添加单元，所述分束镜还将光强扰动添加单元处理后的待测光源投射至多孔阵列结构；
所述傅里叶变换单元为设置在多孔阵列和光强记录装置之间的一傅里叶透镜，所述傅里叶透镜距离多孔阵列结构和光强记录装置的距离均等于所述傅里叶透镜的焦距，或傅里叶透镜距多孔阵列结构的距离小于等于1mm。
借由上述方案，本发明测量部分相干光空间关联结构的方法及系统至少具有以下优点：
本发明，高效、实时，数据处理过程简单，并可以同时得到待测光源空间关联结构完整的实部和虚部信息，具重要的科研及实际应用价值。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的测量拉盖尔-高斯关联部分相干激光束关联结构的示意图；
其中：1、激光器；2、扩束镜；3、透射式空间光调制器；4、光阑；5、聚焦透镜；6、旋转毛玻璃片；7、准直透镜；8、高斯滤波片；9、分束镜；10、反射式空间光调制器；11、透射式空间光调制器；12、傅里叶透镜；13、电荷耦合元件；14、计算机。
图2是本发明实施例2中提供的测量未知光源关联结构的示意图；
其中：21、待测未知光源；22、分束镜；23、反射式空间光调制器；24、多孔阵列；25、傅里叶透镜；26、电荷耦合元件；27、计算机。
图3是本发明两个实施例中皆涉及的两次拍摄中，反射式纯相位空间光调制器需要加载的结构，其中图3左是有扰动引入的取景框结构，图3右是无扰动引入的取景框结构。
图4是多孔阵列结构的中心细节部分。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例测量部分相干光空间关联结构的方法，以测量拉盖尔-高斯关联部分相干激光束为例，产生拉盖尔-高斯关联部分相干激光束作为待测光源；拍摄光源的光强；该光源分别经过加载和不加载扰动的反射式空间光调制器反射，传输至多孔阵列并由放置在傅里叶平面处的电荷耦合元件拍摄两次光强；计算机处理数据。所述方法具体包括：
给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录光源传输至傅里叶平面处的光强；
不给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录光源传输至傅里叶平面处的光强；
将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将筛选后的结果相减，并反传输至光源平面，即可得到光源平面的交叉谱密度函数，此时，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，即可得到光源的关联结构。
本实施例中，通过相位型空间光调制器来产生取景框和扰动结构，实现待测光源的引入扰动和不引入扰动，其中，取景框的尺寸与最终呈现的关联结果的范围大小一致，因此可根据实际应用中的需求设置取景框的大小，扰动的大小应远小于取景框的大小，为了起到扰动效果，扰动的尺寸也不宜过小，因此建议选择扰动结构尺寸为取景框尺寸的0.05至0.15倍；取景框的相位赋值为π，取景框外的部分为0，扰动的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可；对取景框和扰动的形状没有要求；由于扰动与取景框的相对位置和最终关联结构呈现的中心点与整个呈现范围的相对位置一致，因此扰动的位置应位于取景框的内部，并尽量靠近中心。
相位型空间光调制器到多孔阵列的距离应满足z≥d*L/λ，其中d是二维阵列孔的周期间隔，L是取景框的大小，λ是产生具有特殊关联结构的光源所用激光的波长。
本实施例中，多孔阵列结构垂直于经空间光调制器反射输出光束的光轴放置，所述多孔阵列结构由周期排列的二维阵列孔和一个参考孔构成，多孔阵列结构其余部分不透光；参考孔应位于二维周期阵列孔的中心并横向纵向各偏移预定距离，该预定距离应介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为孔的尺寸，应尽量小，但需要保证透光量，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；
所述筛选阵列由周期排列的二维阵列孔构成，其参数与多孔阵列的二维周期阵列孔一致。
本实施例中，在多孔阵列和电荷耦合元件之间放置一个傅里叶透镜，该傅里叶透镜实现傅里叶变换。该傅里叶透镜距离到达多孔阵列和电荷耦合元件的距离均等于其焦距，或将傅里叶透镜紧挨着多孔阵列结构放置。
实施例2
如图1所示，本实施例测量部分相干光空间关联结构的系统，包括：待测光源依次经过的光源扰动加载单元、多孔阵列结构、光强反傅里叶变换光学元件、拍照装置以及计算机；
所述光源扰动加载单元，包括对光源产生扰动反射的光学元件、对光源不产生扰动反射的光学元件；其中对光源产生扰动的反射光学元件，用于对待测光源引入扰动后反射输出至多孔阵列结构；对光源不产生扰动反射的光学元件，用于对待测光源不引入扰动，并以与引入扰动后的光源相同的路径反射射出至多孔阵列结构。
所述光强傅里叶变换光源元件，用于对经多孔阵列结构输出的引入了扰动光源、没引入扰动光源分别进行傅里叶变换后输出；
所述拍照装置，用于对经所述光强傅里叶变换光源元件输出的引入扰动光源、没引入扰动光源分别进行光强记录；
所述，用于对所述的引入了扰动光源、没引入扰动光源分别进行过滤筛选，输出筛选结果至计算机；
所述计算机，用于将筛选后的结果相减，并反传输至光源平面，即可得到光源平面的交叉谱密度函数，此时，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，即可得到光源的关联结构。
由激光器1产生的激光通过扩束镜2进行扩束，由空间光调制器3进行调制后，用光阑4取出一阶光斑，随后经过聚焦透镜5聚焦在旋转毛玻璃片6上，散射后的光斑经过准直透镜7准直并由高斯滤波片8整形，最后由分束镜9的反射面反射到光强记录单元的反射式空间光调制器上。
1、激光器：波长532nm；
2、扩束镜：对激光进行扩束；
3、透射式空间光调制器：用于加载产生拉盖尔-高斯关联部分相干激光束所需的全息图；
4、光阑：截取一阶光斑；
5、聚焦透镜：焦距100mm，将筛选出的光束聚焦在毛玻璃片上；
6、旋转毛玻璃片：对聚焦光束进行散射，由速度可调的电机控制；
7、准直透镜：焦距150mm，对旋转毛玻璃片6散射出的光束进行准直；
8、高斯滤波片：束腰1.2mm，对准直后的光束进行高斯振幅整形，由高斯滤波片出射的光束即为拉盖尔-高斯关联部分相干激光束；
9、分束镜：半透半反镜，将高斯滤波片8整形后的光束反射至光强记录单元中的反射式空间光调制器上。
拍摄源场光强的步骤为：用电荷耦合元件拍摄高斯滤波片之后产生的拉盖尔-高斯关联部分相干激光束的光强。
10、反射式空间光调制器：用于加载取景框和扰动结构，结构分布如图3。纯相位反射式空间光调制器，像素数1920×1080，像素大小8μm，放置在待测光源平面并垂直于光轴，用于加载扰动，同时设计一个取景框，该取景框的大小即为最后关联结构呈现的范围大小。该取景框的尺寸为1.92mm×1.92mm，扰动的尺寸为280μm×280μm，扰动的相位赋值为0.1π，扰动的放置位置为取景框的中心。本方法涉及两次光强拍摄，两次光强拍摄需使用不同的两个结构，即图3中的两个结构，一个为取景框和位于其中心的扰动点，另一个仅有取景框。该反射式空间光调制器到分束镜9的距离应尽量短。
11、透射式空间光调制器：用于加载多孔阵列结构，结构细节如图4。振幅型空间光调制器，像素数为1024×768，像素尺寸为18μm，垂直于光轴放置，与反射式空间光调制器10的距离为1700mm，加载的振幅结构由周期排列的二维阵列孔和一个参考孔构成，二维阵列孔的周期间距为270μm，孔的尺寸为54μm×54μm，参考孔位于二维周期阵列孔的中心并向x和y方向各偏移18μm，参考孔的尺寸和二维周期阵列孔的尺寸一致，为54μm×54μm。实际应用中，入射光应对准参考孔。
12、傅里叶透镜：焦距100mm，放置多孔阵列11之后，距离多孔阵列一倍焦距，用于实现光场的傅里叶变换。
13、电荷耦合元件：像素数为1296×964，像素大小3.75μm，放置在傅里叶透镜12的焦距处，用于拍摄傅里叶平面处的光强。
14、计算机：连接反射式空间光调制器10和电荷耦合元件13，同步控制着反射式空间光调制器的加载和电荷耦合元件的光强拍摄，并完成数据的处理。
记录光强：光源产生单元产生的拉盖尔-高斯关联部分相干激光束入射到反射式纯相位空间光调制器10上，由该反射式空间光调制器调制后的光束到达透射式空间光调制器11，最终由放置在傅里叶平面处的电荷耦合元件13记录光强。不加载扰动时，拍摄一次光强；加载扰动时，拍摄一次光强，但是两次拍摄的光路需要完全相同，改变的只是反射式空间光调制器3上的加载。两次光强记录的光路需要完全相同，改变的只是扰动结构的有无。
计算机处理数据步骤为：将傅里叶平面拍摄到的有扰动、无扰动两种情况下的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将筛选后的结果相减，并反传输至源平面，即可得到源平面的交叉谱密度函数，此时，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，即可得到光源的关联结构。
本实施例中，所述光源扰动加载单元为与计算机连接的相位型空间光调制器，通过计算机输出控制指令控制相位型空间光调制器来分别产生给待测光源引入扰动、不给待侧光源引入扰动的取景框和扰动结构，实现待测光源的引入扰动和不引入扰动，其中，扰动结构尺寸为取景框尺寸的0.05至0.15倍；取景框的相位赋值为π，取景框外的部分为0，扰动的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可。
本实施例中，所述多孔阵列结构垂直于经空间光调制器反射输出光束的光轴放置，所述多孔阵列结构由周期排列的二维阵列孔和一个参考孔构成，多孔阵列结构其余部分不透光；参考孔应位于二维周期阵列孔的中心并横向纵向各偏移预定距离，该预定距离应介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为孔的尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L。
本实施例中，筛选阵列：由计算机产生，用于筛选数据，其分布与实验用的多孔阵列接近，他们的唯一区别就是筛选阵列没有位于中心的参考点，其他参数与多孔阵列的二维周期阵列小孔一致，周期间距为270μm，孔的尺寸为54μm×54μm。
所述多孔阵列结构为与计算机连接的透射式空间光调制器，通过计算机输出控制指令控制透射式空间光调制器来产生多孔阵列结构；或所述多孔阵列结构为由激光刻蚀制作而成。
所述光源扰动加载单元和多孔阵列结构之间设有将光源反射至所述光源扰动加载单元的分束镜。
所述光强傅里叶变换光源元件为设置在多孔阵列和拍照装置之间的一傅里叶透镜；所述傅里叶透镜距离多孔阵列结构和拍摄装置的距离均等于所述傅里叶透镜的焦距，或将傅里叶透镜距多孔阵列结构的距离小于等于1mm；
所述筛选阵列是由计算机在恢复关联结构的过程中产生的用于筛选数据的结构，所述筛选阵列由周期排列的二维阵列孔构成，其参数与多孔阵列的二维周期阵列孔一致。
实施例3
本实施例测量部分相干光空间关联结构的方法，以测量未知光源构为例。
测量未知光源的关联结构的步骤：拍摄待测未知光源的光强；该待测光源分别经过加载和不加载扰动的反射式空间光调制器反射，传输至多孔阵列并由放置在傅里叶平面处的电荷耦合元件拍摄两次光强；计算机处理数据。
一、拍摄源场光强的步骤为：用电荷耦合元件拍摄待测未知光源21的光强。
二、记录光强：
待测光源入射到反射式纯相位空间光调制器23上，由该反射式空间光调制器调制后的光束到达多孔阵列板24，最终由放置在傅里叶平面处的电荷耦合元件26记录光强。
21、待测光源；
22、分束镜：半透半反镜，将待测光源反射至反射式空间光调制器上。
23、反射式空间光调制器：用于加载取景框和扰动结构，结构分布如图3。纯相位反射式空间光调制器，像素数1920×1080，像素大小8μm，放置在待测光源平面并垂直于光轴，用于加载扰动，同时设计一个取景框，该取景框的大小即为最后关联结构呈现的范围大小。该取景框的尺寸为2mm×2mm，扰动的尺寸为200μm×200μm，扰动的相位赋值为0.6π，扰动的放置位置为取景框的中心。本方法涉及两次光强拍摄，两次光强拍摄需使用不同的两个结构，即图3中的两个结构，一个为取景框和位于其中心的扰动点，另一个仅有取景框。该反射式空间光调制器到分束镜22的距离应尽量短。
24、多孔阵列板：由激光刻蚀制成，结构细节如图4，黑色部分不透光，白色部分为透光小孔，透光小孔由周期排列的二维阵列孔和一个参考孔构成，二维阵列孔的周期间距为300μm，孔的尺寸为60μm×60μm，参考孔位于二维周期阵列孔的中心并向x和y方向各偏移40μm，参考孔的尺寸和二维周期阵列孔的尺寸一致，为40μm×40μm。多孔阵列板应垂直于光轴放置，与反射式空间光调制器3的距离为2000mm，入射光应对准参考孔。
25、傅里叶透镜：焦距250mm，紧挨着放置在多孔阵列板4之后，用于实现光场的傅里叶变换。
26、电荷耦合元件：像素数为2448×2050，像素大小3.45μm，放置在傅里叶透镜5的焦距处，用于拍摄傅里叶平面处的光强。
27、计算机：连接反射式空间光调制器23和电荷耦合元件26，同步控制着反射式空间光调制器的加载和电荷耦合元件的光强拍摄，并同时完成数据的处理。
光强记录的步骤为：不加载扰动时，拍摄一次光强；加载扰动时，拍摄一次光强，但是两次拍摄的光路需要完全相同，改变的只是反射式空间光调制器3上的加载。
计算机处理数据步骤为：将傅里叶平面拍摄到的有扰动、无扰动两种情况下的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将筛选后的结果相减，并反传输至源平面，即可得到源平面的交叉谱密度函数，此时，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，即可得到光源的关联结构。
筛选阵列：由计算机产生，用于筛选数据的阵列，其分布与实验用的多孔阵列接近，他们的唯一区别就是筛选阵列没有位于中心的参考点，其他参数与多孔阵列的二维周期阵列小孔一致，周期间距为300μm，孔的尺寸为60μm×60μm。
上述各实施例中，将电荷耦合元件放置在待测光源平面拍摄光强，若无法直接放置在待测平面，利用4f系统拍摄源场光强。
上述各实施例中，光束的关联函数通过以下公式计算：
其中Γ0(r1,r0)指的是该光场的交叉谱密度，I(r1)指的是该处的光斑光强，I(r0)指的是r0处的光强值；
计算关联函数的步骤分为三步：
(1)拍摄源场光强I(r1,r1)
I(r0,r0)指的是r0处的光强，因此，令r1＝r0，即可得到I(r0,r0)。
(2)由傅里叶平面处的光强计算多孔阵列前的交叉谱密度Γ(ρmn,0)：
因为多孔阵列的小孔足够小，所以其透射率函数可以表示为参考孔和二维阵列孔位置处的δ函数的叠加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若将傅里叶平面的光强反傅里叶变换可以得到穿过多孔阵列后的光场：
F-1{I}＝Γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijΓ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+∑ijΓ(0,ρij)*δ(ρ+ρij)+∑mnΓ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)
筛选阵列的透射率函数与多孔阵列中周期重复的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，这个反傅里叶变换的结果经过筛选阵列的筛选并变换坐标便可以得到Γ(ρmn,0)。
(3)设计两次拍摄与反传输处理，得到Γ0(r1,r0)：
因为是部分相干光，若直接进行反传输并不能得到源场的交叉谱密度。因此，设计了不添加和添加扰动两种情况下拍摄，光强反傅里叶变换和筛选后的结果分别为：
Γ(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
Γ′(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)[1+Cδ(r1-r0)][1+Cδ(r2-r0)]*h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
其中，h(r1,ρ1)是传输项，δ函数表示的是扰动项，两者结果相减可得：
ΔΓ(ρmn,0)＝Ch(r0,ρmn)(C*Γ0(r0,r0)h(r0,0)*+C∫Γ0(r0,r2)h(r2,0)*dr2)+C*h(r0,0)*∫Γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1
此时再进行反向传输，就可以得到Γ0(r1,r0)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，包括：
记录扰动光强：给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；
记录非扰动光强：不给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；
计算机将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换、筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构；
光束的关联结构函数通过以下公式计算：
其中Γ0(r1,r0)指的是该光场的交叉谱密度，I(r1)指的是该处的光斑光强，I(r0)指的是r0处的光强值；
计算关联结构函数的步骤分为三步：
(1)拍摄源场光强I(r1,r1)
I(r0,r0)指的是r0处的光强，因此，令r1＝r0，即可得到I(r0,r0)；
(2)由傅里叶平面处的光强计算多孔阵列前的交叉谱密度Γ(ρmn,0)：
多孔阵列结构的透射率函数表示为参考孔和二维阵列孔位置处的δ函数的叠加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若将傅里叶平面的光强反傅里叶变换可以得到穿过多孔阵列后的光场：
F-1{I}＝Γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijΓ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+
∑ijΓ(0,ρij)*δ(ρ+ρij)+∑mnΓ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)
筛选阵列的透射率函数与多孔阵列中周期重复的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，这个反傅里叶变换的结果经过筛选阵列的筛选并变换坐标便可以得到Γ(ρmn,0)；
(3)两次拍摄与反传输处理，得到Γ0(r1,r0)：
不添加和添加扰动两种情况下拍摄，光强反傅里叶变换和筛选后的结果分别为：
Γ(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
Γ′(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)[1+Cδ(r1-r0)][1+Cδ
(r2-r0)]*h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
其中，h(r1,ρ1)是传输项，δ函数表示的是扰动项，两者结果相减可得：
ΔΓ(ρmn,0)＝Ch(r0,ρmn)(C*Γ0(r0,r0)h(r0,0)*+C∫Γ
0(r0,r2)h(r2,0)*dr2)+C*h(r0,0)*∫Γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1
此时再进行反向传输，就可以得到Γ0(r1,r0)。
2.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，记录扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框和在所述取景框内设置给待测光源的引入扰动的扰动结构；
记录非扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框；
记录扰动光强、非扰动光强时，待测光源的传输路径相同，均为经相位型空间光调制器反射后输出至多孔阵列；
其中，所述扰动结构的面积为取景框面积的0.05至0.15倍，取景框的相位赋值为π，取景框外的部分的相位赋值为0，扰动结构的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可。
3.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，所述多孔阵列结构为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔的中心偏离二维周期阵列孔的中心设定距离，该设定距离介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为矩形透光孔的边长尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；
待测光源垂直入射至所述的多孔阵列结构的入光面。
4.根据权利要求3所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，相位型空间光调制器到多孔阵列结构的距离z应满足λz≥d*L/λ，其中d是二维阵列孔的周期间隔，L是取景框边界上间距最大的两点的距离大小，λ是输出待测光源的激光的波长。
5.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，在多孔阵列和光强记录装置之间设置有一傅里叶透镜，该傅里叶透镜实现待测光源的傅里叶变换。
6.一种测量部分相干光空间关联结构的系统，其特征在于，包括：待测光源依次经过的光强扰动添加单元、多孔阵列结构、傅里叶变换单元、光强记录装置以及计算机；
所述光强扰动添加单元，包括：扰动添加元件、扰动不添加元件，所述扰动添加元件，用于对待测光源添加扰动后输出至多孔阵列结构；扰动不添加元件，用于对待测光源不添加扰动，且以与添加扰动后的待测光源相同的路径输出至多孔阵列结构；待测光源的光轴垂直所述多孔阵列；
光强傅里叶变换单元，用于对经过多孔阵列结构处理的添加了扰动的待测光源进行傅里叶变换后输出至多孔阵列结构；对经过多孔阵列结构处理的不添加了扰动的待测光源进行傅里叶变换后输出多孔阵列结构；
光强记录装置，放置在傅里叶平面处，用于分别记录所述光强傅里叶变换单元输出的添加扰动、不添加无扰动两种情况下的光强；
拍照装置，用于分别记录经所述傅里叶变换单元处理后输出至傅里叶平面处的添加扰动后的待测光源、不添加扰动后的待测光源的光强；
所述计算机，用于将添加扰动、不添加无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构；
光束的关联结构函数通过以下公式计算：
其中Γ0(r1,r0)指的是该光场的交叉谱密度，I(r1)指的是该处的光斑光强，I(r0)指的是r0处的光强值；
计算关联结构函数的步骤分为三步：
(1)拍摄源场光强I(r1,r1)
I(r0,r0)指的是r0处的光强，因此，令r1＝r0，即可得到I(r0,r0)；
(2)由傅里叶平面处的光强计算多孔阵列前的交叉谱密度Γ(ρmn,0)：
多孔阵列结构的透射率函数表示为参考孔和二维阵列孔位置处的δ函数的叠加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若将傅里叶平面的光强反傅里叶变换可以得到穿过多孔阵列后的光场：
F-1{I}＝Γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijΓ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+
∑ijΓ(0,ρij)*δ(ρ+ρij)+∑mnΓ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)
筛选阵列的透射率函数与多孔阵列中周期重复的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，这个反傅里叶变换的结果经过筛选阵列的筛选并变换坐标便可以得到Γ(ρmn,0)；
(3)两次拍摄与反传输处理，得到Γ0(r1,r0)：
不添加和添加扰动两种情况下拍摄，光强反傅里叶变换和筛选后的结果分别为：
Γ(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
Γ′(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)[1+Cδ(r1-r0)][1+Cδ
(r2-r0)]*h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2
其中，h(r1,ρ1)是传输项，δ函数表示的是扰动项，两者结果相减可得：
ΔΓ(ρmn,0)＝Ch(r0,ρmn)(C*Γ0(r0,r0)h(r0,0)*+C∫Γ
0(r0,r2)h(r2,0)*dr2)+C*h(r0,0)*∫Γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1
此时再进行反向传输，就可以得到Γ0(r1,r0)。
7.根据权利要求6所述的测量部分相干光空间关联结构的系统，其特征在于，所述光强扰动添加单元为相位型空间光调制器，扰动添加元件为在记录扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框和在所述取景框内设置给待测光源的引入扰动的扰动结构；其中，所述扰动结构的面积为取景框面积的0.05至0.15倍，取景框的相位赋值为π，取景框外的部分的相位赋值为0，扰动结构的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可；
扰动不添加元件为在记录非扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框；
其中，记录扰动光强、非扰动光强时，待测光源的传输路径相同，均为经相位型空间光调制器反射后输出至多孔阵列。
8.根据权利要求7所述的测量部分相干光空间关联结构的系统，其特征在于，所述多孔阵列结构为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔的中心偏离二维周期阵列孔的中心设定距离，该设定距离介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为矩形透光孔的边长尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；待测光源垂直入射至所述的多孔阵列结构的入光面；
其中，所述多孔阵列结构是通过透射式空间光调制器生成的；或所述多孔阵列结构为由激光刻蚀制作而成的光学板；
所述矩形透光孔的边长尺寸a不大于200μm；二维阵列孔的周期d不大于300μm。
9.根据权利要求7所述的测量部分相干光空间关联结构的系统，其特征在于，还包括分束镜，所述分束镜为半透半反镜，将待测光源输出的待测光源反射至光强扰动添加单元，所述分束镜还将光强扰动添加单元处理后的待测光源投射至多孔阵列结构；
所述傅里叶变换单元为设置在多孔阵列和光强记录装置之间的一傅里叶透镜，所述傅里叶透镜距离多孔阵列结构和光强记录装置的距离均等于所述傅里叶透镜的焦距，或傅里叶透镜距多孔阵列结构的距离小于等于1mm。
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Inventor after: Zhao Chengliang Inventor after: Lu Xingyuan Inventor after: Zhu Xinlei Inventor after: Zeng Jun Inventor after: Cai Yangjian Inventor before: Zhao Chengliang Inventor before: Zeng Jun Inventor before: Lu Xingyuan Inventor before: Zhu Xinlei Inventor before: Liu Leixin Inventor before: Cai Yangjian |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |