CN108332866B - 基于振幅调制的波前在线快速重建装置和重建方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于振幅调制的波前在线快速重建装置和重建方法，装置包括：沿待测光束传播方向依次经过可变光阑、振幅型波前调制板、光斑探测器，该光斑探测器的输出端与计算机相连，所述振幅型波前调制板由二元随机调制区、全反射区、光栅定位区组成，可实现对波前的随机调制和光路参数的修正，利用单幅衍射光斑通过匹配的迭代算法就可以实现待测波前复函数的快速重建，且适用于不同波长，不需要额外标定，可用于可见光、X射线和电子束等不同光源的波前动态在线测量、光学元件离线检测和样品成像，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及波前相位恢复、波前测量及成像，特别是一种基于振幅调制的波前在线快速重建装置和重建方法。
背景技术
为获得波前的完整信息，不仅需要得到振幅分布，还需要完整的相位信息，但不同于强度信息，波前相位信息无法通过探测器直接测量，只能通过简介测量的方式实现，目前干涉法，如干涉仪、数字全息及剪切干涉仪等，是常用的相位测量方法之一，在光学计量和成像等领域具有广泛的应用前景，但是由于需要参考光，结构较为复杂，对环境稳定性要求较高，随着测量口径的增加，成本随指数增加，且核心技术被国外所垄断，在波前在线测量领域也应用受限。此外哈特曼传感器也是一种常用的波前测量方式，但受限于微透镜阵列的加工精度和探测器分辨率的影响，其测量精度较低，仅能满足一些对精度要求不高的场合。除此之外，相位恢复算法也是一种有效的波前测量方法，它利用记录的强度信息，通过迭代计算，可以恢复出强度分布对应的相位信息，并且由于仅涉及到衍射过程，不需要参考光，因此理论上能够达到衍射极限精度，特别地，由于对于透镜质量要求不高，因此在高质量透镜难以加工的X射线和电子束成像领域具有广泛应用。但相位恢复算法目前面临的关键问题是如何保证迭代过程的收敛性，收敛速度也是相干衍射成像技术的发展瓶颈。Ptychography这一类算法通过记录多幅衍射光斑的方式很好地解决了收敛问题，通过将待测样品在垂直于光轴平面内平移，并在每个位置处分别记录对应的衍射光斑，通过多光斑引入的数据冗余提升收敛速度，目前在光学计量、显微成像、荧光成像、时间波形测量等领域得到了广泛应用，但由于需要多次扫描并记录多幅衍射光斑，因此很难实现脉冲光束的在线测量，因此在对测量或者曝光时间有特殊要求的场合，很难得到广泛应用，例如在高功率激光驱动器中，需要对驱动器输出波前的近场强度、近场相位和远场强度进行测量，但由于是脉冲光束，因此只能记录单幅衍射光斑，难以利用Ptychography类方法实现波前在线测量。此外，虽然Ptychography类算法在X射线和电子束领域已经具有广泛应用，但是对于一些特殊样品，如非染色的生物样品切片，由于X射线和电子束对于样品具有破坏作用，不能进行过多的平移和曝光，因此亟需利用单次曝光实现波前快速重建的装置和方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术在单次曝光波前在线测量和成像领域的缺点，提出一种波前在线快速重建装置和重建方法，只需要一片振幅型波前调制板，就可以通过记录的单幅衍射光斑实现波前快速重建，最终实现波前参数诊断和成像的目的，且振幅型调制板加工难度远远低于相位型，目前的加工精度足以不需要重新标定，同一个装置适用于不同波长，在可见激光、X射线和电子束成像、光学计量等领域都具有广泛的应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于振幅调制的波前在线测量及成像的装置，包括：沿待测光传播方向依次放置的可变光阑、振幅型波前调制板和光斑探测器，以及与该光斑探测器相连的计算机，所述的可变光阑可根据待测光束直径大小来调节通光口径，其特征在于，所述的振幅型波前调制板划分有至少一个二元振幅调制区、一个反射区和一个光栅定位区，所述的二元振幅调制区位于所述的振幅型波前调制板的中心位置处，由透光区域和不透光区域组成，所述的反射区位于所述的振幅型波前调制板的边缘位置处，可将待测光返回，所述的光栅定位区为二元黑白光栅，且位于所述的振幅型波前调制板的边缘位置处，待测光经过振幅型波前调制板调制后，利用光斑探测器记录其衍射光斑强度分布，并由计算机保存并计算恢复得到待测波前的复振幅分布。
所述的反射区用于校准振幅型波前调制板同光斑探测器靶面之间的俯仰角，所述的光栅定位区用于光栅空间位置定位。
利用所述的基于振幅调制的波前在线测量及成像的装置进行光束相位的测量方法，该方法包括以下步骤：
S1.光路调整：将一束细光束穿过可变光阑并垂直照射到光斑探测器上，调整光斑探测器俯仰角，使其反射光再次穿过可变光阑，此时将振幅型波前调制板放置于可变光阑和光斑探测器之间，并使得细光束照射到振幅型波前调制板的反射区，调整振幅型波前调制板的俯仰角度使反射光也再次穿过可变光阑，此时平移细光束使其照射到振幅型波前调制板的光栅定位区，使其多级散射斑照射到光斑探测器上，并通过计算机记录对应光斑，得到多级散射斑的平均距离，同时根据光栅定位区中光栅参数，反向推导计算得到振幅型波前调制板与光斑探测器之间的实际距离，此时光路调整完毕；
S2.将待测光束引入到上述光路，同时调整可变光阑半径，使待测光束完全入射到振幅型波前调制板的二元振幅调制区，利用光斑探测器记录单幅衍射光斑分布I并被计算机保存，完成数据记录；
S3.通过迭代运算实现波前再现，具体如下：
对振幅型波前调制板入射光复振幅分布进行初始猜测得到初始照明光illu1，其中下标1代表第一次迭代，且初始照明光illu1为m行n列的矩阵，第k次迭代过程如下：
①计算振幅型波前调制板的出射光Fk，公式如下：
Fk＝illuk·H
其中，H为振幅型波前调制板的透过率函数，是m行n列的二元矩阵，用0值表示不透光区域，1值表示透光区域，相位延迟是常数，忽略不计；
通过标量衍射理论计算振幅型波前调制板的出射光Fk在光斑探测器对应的衍射光Dk，并计算强度误差Rk，公式如下：
其中，|Dk|表示Dk的振幅；
②利用记录的单幅衍射光斑分布I，计算修正后的衍射光D′k，公式如下：
其中，
为Dk的相位；
将修正后的衍射光D′k逆传播到幅型波前调制器件所在平面得到振幅型波前调制板件的更新后的出射光复振幅分布F′k；
③按照如下公式对振幅型波前调制板件照明光illuk进行更新，得到振幅型波前调制板件新的照明光illu′k
即振幅型波前调制板不透光区域保持不变，透光区域替换为F′k所对应的值；
④逆传播新的照明光illu′k到可变光阑所在平面，得到可变光阑的出射光Gk，计算修正后的出射光G′k，公式如下：
G′k＝illu′·K
其中，K为可变光阑的孔函数；
⑤正向传播修正后的出射光G′k到振幅型波前调制板所在面，得到振幅型波前调制板新的照明光illu″k，并作为下一次迭代的初始值illuk+1；
⑥重复步骤①到⑤直到强度误差Rk小于0.01，停止迭代过程，最终得到illu，即为待测波前的复振幅分布，根据标量衍射理论，计算待测波前在任意平面的分布，最终实现波前参数在线测量和成像。
本发明的技术效果：
1)本装置结构简单，波前调制核心器件为振幅型，易于加工且现有加工精度较高，不需要进行标定过程，振幅型波前调制板同时自带参数(如俯仰角、同探测器靶面距离等)校准功能。
2)同一个装置可测量不同波长的待测光，且不需要参考光和平移台，成本远低于现有相位恢复方法，应用范围广泛，不仅可以用于光学元件检测、波前动态测量，还可以应用于X射线和电子束成像领域。
3)本发明提出的恢复算法属于相干衍射成像领域常规方法，其理论上的精度能够达到衍射极限，因此具有较高的重建精度，虽然只需要记录单幅衍射光斑，但是同样具有较快收敛速度。
附图说明
图1是本发明基于振幅调制的波前在线测量和成像装置的结构示意图。
图2是振幅型波前调制板的结构之一示意图。
图3是振幅型波前调制板的结构实施例1示意图。
图4是振幅型波前调制板的结构实施例2示意图。
图5是振幅型波前调制板的结构实施例3示意图。
图6是振幅型波前调制板的结构实施例4示意图。
图7是振幅型波前调制板的结构实施例5示意图。
图8是振幅型波前调制板的结构实施例6示意图。
图9是振幅型波前调制板的结构实施例7示意图。
图中：1-可变光阑，2-振幅型波前调制板，3-光斑探测器，4-计算机，5-二元振幅调制区，6-全反射区，7-光栅定位区，8-二维光栅定位区，9-一维光栅定位区。
具体实施方式
先请参阅图1和图2，由图可见，本发明基于振幅调制的波前在线快速重建装置，其特点在于，包括：沿待测光传播方向依次放置的可变光阑)、振幅型波前调制板2和光斑探测器3，该光斑探测器3的输出端与计算机4相连，所述的振幅型波前调制板2划分有至少一个二元振幅调制区5、一个反射区6和一个光栅定位区7，所述的二元振幅调制区5位于所述的振幅型波前调制板2的中心位置，由透光区域和不透光区域组成，所述的反射区6位于所述的振幅型波前调制板2的边缘位置，可将待测光返回，所述的光栅定位区7为二元黑白光栅，且位于所述的振幅型波前调制板2的边缘位置，待测光经过振幅型波前调制板2调制后，所述的光斑探测器3记录其衍射光斑强度分布送所述的计算机4，所述的计算机4计算恢复待测波前的复振幅分布。
所述的反射区6用于校准振幅型波前调制板2同光斑探测器3靶面之间的俯仰角，所述的光栅定位区7用于光栅空间位置定位。
本发明的实施例的不同在于实施的振幅型波前调制板2的结构不同。
实施例1
振幅型波前调制板2采用如图3所示的结构，以2微米步长将二元振幅调制区5划分成一个二维棋盘结构，每个子单元格随机选择为透光或者不透光，整体透光区域与不透光区域比例为1:1，光栅定位区7选择为二维光栅定位区8，其为周期2微米的二元黑白光栅，分别位于二元振幅调制区5的左右两侧，而全反射区6位于二元振幅调制区5上下两侧。
实施例2
振幅型波前调制板采用如图4所示的结构，以40微米步长将二元振幅调制区5划分成一个二维棋盘结构，每个子单元格随机选择为透过或者不透光，整体透光区域与不透光区域比例为4:1，一维光栅定位区9为周期1微米的二元振幅光栅，分别位于二元振幅调制区5上下两侧，而全反射区6位于二元振幅调制区5左右两侧。
实施例3
振幅型波前调制板采用如图5所示的结构，以10纳米步长将二元振幅调制区5划分成一个二维棋盘结构，每个子单元格随机选择为透过或者不透光，整体透光区域与不透光区域比例为1:4，光栅定位区7包含二维光栅定位区8和一维光栅定位区9，对应周期为1纳米，分别位于二元振幅调制区5的三个边界，而全反射区6位于二元振幅调制区5一侧。
实施例4
振幅型波前调制板采用如图6所示的结构，二元振幅调制区5采用图6所示的随机分布结构，白色区域为透光部分，黑色区域为不透光部分，两者比例为1:1，全反射区6位于左下角和右上角，同时包含二维光栅定位区8和一维光栅定位区9，对应的光栅周期都为0.5微米。同时位于左上角和右下角。
实施例5
振幅型波前调制板采用如图7所示的结构，二元振幅调制区5由二元振幅波带片和最小单元7微米×7微米的二元随机振幅板(透光与不透光比例为1:1，为棋盘结构)组合而成，二元振幅调制区5分布为波带片和随机板两者分布的乘积，不仅可以对待测波前进行振幅调制，而且可起到类似透镜作用，可对待测波前进行会聚(发散)功能，全反射区6和一维光栅定位区9分别位于两边，一维光栅定位区9对应的光栅周期为10微米。
实施例6
振幅型波前调制板采用如图8所示的结构，二元振幅调制区5以1微米步长将二元振幅调制区5划分成一个二维棋盘结构，每个子单元格随机选择为透过或者不透光，但是从中心位置处到边界，随机先择透光的概率逐步提升，中心区域透光与不透光的比例为1:1，而离重心最远处，透光与不透光的比例提高到4:1，全反射区6和二维光栅定位区8分别位于两边，二维光栅定位区8对应的光栅周期为3微米。
实施例7
振幅型波前调制板采用如图9所示的结构，二元振幅调制区5由二元振幅波带片和最小单元1毫米×1毫米的二元随机振幅板(透光与不透光比例为1:1，为棋盘结构)组合而成，同时还包含全反射区6和二维光栅定位区8，二维光栅定位区8对应的光栅周期为500微米。
利用上述基于振幅调制的基于振幅调制的波前在线快速重建装置进行光束相位重建方法，得到振幅型波前调制板2前方距离L处的波前复振幅分布，该方法包括以下步骤：
1)光路调整：将一束细光束穿过所述的可变光阑1并垂直照射到光斑探测器3上，调整光斑探测器3俯仰角，使其反射光再次穿过可变光阑1，将所述的振幅型波前调制板2放置于可变光阑1和光斑探测器3之间，并使所述的细光束照射到振幅型波前调制板2的反射区6，调整振幅型波前调制板2的俯仰角使反射光也再次穿过可变光阑1，此时平移细光束使其照射到振幅型波前调制板2的光栅定位区7，使光栅定位区7的多级散射斑照射到光斑探测器3上，并通过计算机4记录对应光斑，得到多级散射斑的平均距离，同时根据光栅定位区7的光栅参数，反向推导计算得到振幅型波前调制板2与光斑探测器3之间的实际距离，光路调整完毕；
2)将待测光束引入到上述光路，同时调整所述的可变光阑1的半径，使待测光束完全入射到振幅型波前调制板2的二元振幅调制区5，所述的光斑探测器3记录单幅衍射光斑分布I送所述的计算机4保存，完成数据记录；
3)所述的计算机4通过迭代运算实现波前再现，具体如下：
对振幅型波前调制板2照明光illu1进行初始猜测，得到m行n列的全1常数矩阵或者m行n列0-1之间均匀分布的随机矩阵，其中下标1代表第一次迭代，第k次迭代过程如下：
①按下列公式计算振幅型波前调制板(2)的出射光Fk：
Fk＝illuk·H
其中，H为振幅型波前调制板(2)的透过率函数，是m行n列的二元矩阵，用0值表示不透光区域，1值表示透光区域的透过率，相位延迟是常数，忽略不计；
通过标量衍射理论计算振幅型波前调制板(2)的出射光Fk在光斑探测器(3)对应的衍射光强度为Dk，按下列公式计算强度误差Rk：
其中，|Dk|表示Dk的振幅；
②利用记录的单幅衍射光斑分布I，按下列公式计算修正后的衍射光D′k，公式如下：
其中，
为Dk的相位；
将修正后的衍射光D′k逆传播到幅型波前调制器件(2)所在平面得到振幅型波前调制板件(2)的更新后的出射光复振幅分布F′k；
③按照如下公式对振幅型波前调制板件(2)照明光illuk进行更新，得到振幅型波前调制板件(2)新的照明光illu′k：
即振幅型波前调制板(2)不透光区域保持不变，透光区域替换为F′k所对应的值；
④逆传播新的照明光illu′k到可变光阑(1)所在平面，得到可变光阑(1)的出射光Gk，按下列公式计算修正后的出射光G′k：
G′k＝illu′·K
其中，K为可变光阑(1)的孔函数；
⑤正向传播修正后的出射光G′k到振幅型波前调制板(2)所在面，得到振幅型波前调制板(2)新的照明光illu″k，并作为下一次迭代的初始值illuk+1；
⑥重复步骤①到⑤直到强度误差Rk小于0.01，停止迭代过程，最终得到振幅型波前调制板2的照明光分布illu，根据标量衍射理论，将振幅型波前调制板2的照明光分布illu逆方向传播距离L，得到波前复振幅分布U，即为待测平面内的波前复振幅分布，最终实现成像或测量的目的。
Claims (3)
1.一种基于振幅调制的波前在线快速重建装置，其特征在于，包括：沿待测光传播方向依次放置的可变光阑(1)、振幅型波前调制板(2)和光斑探测器(3)，该光斑探测器(3)的输出端与计算机(4)相连，所述的振幅型波前调制板(2)划分有至少一个二元振幅调制区(5)、一个反射区(6)和一个光栅定位区(7)，所述的二元振幅调制区(5)位于所述的振幅型波前调制板(2)的中心位置，由透光区域和不透光区域组成，所述的反射区(6)位于所述的振幅型波前调制板(2)的边缘位置，可将待测光返回，所述的光栅定位区(7)为二元黑白光栅，且位于所述的振幅型波前调制板(2)的边缘位置，待测光经过振幅型波前调制板(2)调制后，所述的光斑探测器(3)记录其衍射光斑强度分布送所述的计算机(4)，所述的计算机(4)计算恢复待测波前的复振幅分布。
2.根据权利要求1所述的基于振幅调制的波前在线快速重建装置，其特征在于，所述的反射区(6)用于校准振幅型波前调制板(2)同光斑探测器(3)靶面之间的俯仰角，所述的光栅定位区(7)用于光栅空间位置定位。
3.一种利用权利要求1所述的基于振幅调制的波前在线快速重建装置进行光束相位重建的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)光路调整：将一束细光束穿过所述的可变光阑(1)并垂直照射到光斑探测器(3)上，调整光斑探测器(3)俯仰角，使其反射光再次穿过可变光阑(1)，将所述的振幅型波前调制板(2)放置于可变光阑(1)和光斑探测器(3)之间，并使所述的细光束照射到振幅型波前调制板(2)的反射区(6)，调整振幅型波前调制板(2)的俯仰角使反射光也再次穿过可变光阑(1)，此时平移细光束使其照射到振幅型波前调制板(2)的光栅定位区(7)，使光栅定位区(7)的多级散射斑照射到光斑探测器(3)上，并通过计算机(4)记录对应光斑，得到多级散射斑的平均距离，同时根据光栅定位区(7)的光栅参数，反向推导计算得到振幅型波前调制板(2)与光斑探测器(3)之间的实际距离，光路调整完毕；
2)将待测光束引入到上述光路，同时调整所述的可变光阑(1)半径，使待测光束完全入射到振幅型波前调制板(2)的二元振幅调制区(5)，所述的光斑探测器(3)记录单幅衍射光斑分布I送所述的计算机(4)保存，完成数据记录；
3)通过迭代运算实现波前再现，具体如下：
对振幅型波前调制板(2)入射光复振幅分布进行初始猜测得到初始照明光illu1，其中下标1代表第一次迭代，初始照明光illu1为m行n列的矩阵，第k次迭代过程如下：
①按下列公式计算振幅型波前调制板(2)的出射光Fk：
Fk＝illuk·H
其中，H为振幅型波前调制板(2)的透过率函数，是m行n列的二元矩阵，用0值表示不透光区域，1值表示透光区域的透过率，相位延迟是常数，忽略不计；
通过标量衍射理论计算振幅型波前调制板(2)的出射光Fk在光斑探测器(3)对应的衍射光强度为Dk，按下列公式计算强度误差Rk：
其中，|Dk|表示Dk的振幅；
②利用记录的单幅衍射光斑分布I，按下列公式计算修正后的衍射光Dk′，公式如下：
其中，
为Dk的相位；
将修正后的衍射光D′k逆传播到振幅型波前调制板(2)所在平面得到振幅型波前调制板(2)的更新后的出射光复振幅分布F′k；
③按照如下公式对振幅型波前调制板(2)照明光illuk进行更新，得到振幅型波前调制板(2)新的照明光illu′k：
即振幅型波前调制板(2)不透光区域保持不变，透光区域替换为F′k所对应的值；
④逆传播新的照明光illu′k到可变光阑(1)所在平面，得到可变光阑(1)的出射光Gk，按下列公式计算修正后的出射光G′k：
G′k＝illu′·K
其中，K为可变光阑(1)的孔函数；
⑤正向传播修正后的出射光G′k到振幅型波前调制板(2)所在面，得到振幅型波前调制板(2)新的照明光illu″k，并作为下一次迭代的初始值illuk+1；
⑥重复步骤①到⑤直到强度误差Rk小于0.01，停止迭代过程，最终得到illu，即为待测波前的复振幅分布，根据标量衍射理论，计算待测波前在任意平面的分布，最终实现波前参数在线测量和成像。
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