CN113203485A - 一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法，该装置包括依次设置的激光器、扩束器、待测平板、会聚透镜、分光镜、反射镜一和反射镜二以及图像采集装置，该装置不需要移动图像采集装置即可实现不同离焦量的两幅衍射光斑的同时采集，充分利用了图像采集装置有效区域。波前重建方法利用轴向相位差法重建，根据功率谱密度计算得出最佳离焦位置，然后调整反射镜位置实现最佳离焦位置衍射光斑采集。轴向相位差结合负反馈调节方法实现相位恢复方法快速收敛，待测平板的复振幅快速估计。

Description

一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量和成像技术领域，尤其涉及一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法。

背景技术

相位恢复算法在天文学、波前探测、超分辨、x射线衍射等领域有着重要的应用。该方法结合目标支持度信息，从测量的强度模式中提取相位信息。迭代相位恢复算法是最实用的相位恢复方法，它利用瞳孔与焦平面或近焦平面之间的关系进行傅里叶变换，迭代估计瞳孔复波前。

根据被测光强的个数，相位恢复方法分为单幅图像相位恢复和多幅图像相位恢复。单图像相位恢复方法，如误差减小算法、混合输入输出算法等，这些方法广泛应用于定量相位成像、显微成像等领域以前提议的。在这里，多图像相位检索方法被称为轴向相位差相位恢复。与Ptychography迭上代引擎相比，轴向相位差相位恢复方法具有更简单的实验装置，适用于一般的图像重建和波前测量。轴向相位差相位恢复方法已成功地应用于波前测量、自适应光学等领域。

然而，对于经典的轴向相位差相位恢复，可以得出这样的结论：它在某种意义上是误差减小算法的扩展，因为对于每个测量平面和期望平面之间的轴向相位差相位恢复迭代，期望平面仅在支持区域中更新，而期望平面的其余部分不变。误差减小算法相当于最速下降梯度搜索算法，这是最弱的非线性优化算法。传统的轴向相位差相位恢复对波前测量具有良好的稳定性，而对图像重建的精度和收敛速度不高。然而，混合输入-输出是一种具有反馈约束的复振幅恢复算法，其性能优于误差减小算法，其目标是用单一的强度测量进行重建。

另外，传统的轴向相位恢复算法无法同时采集多幅衍射光斑图，并且传统的混合输入-输出算法只适用于单强度相位成像，而单图像混合输入输出算法可能会超出全局最优解，无法准确重建相位。多幅图像的相位恢复由于其稳定性高而得到广泛的研究，多幅图像的灰度模式改善了算法的约束。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法，该装置使用分光镜实现了两幅图的同时采集，重建方法将混合输入输出算法与轴向多图算法结合提高了收敛效率。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置，该装置包括激光器、扩束器、待测平板、会聚透镜、分光镜、反射镜一、反射镜二和图像采集装置，所述扩束器、待测平板、会聚透镜、分光镜依次设置在所述激光器的出射光路上，所述反射镜一和反射镜二分别位于所述分光镜的两个相互垂直的出射光路上，所述反射镜一和反射镜二与所述分光镜的距离不同，且分别相对于其所在出射光路倾斜布置；所述图像采集装置位于能够同时采集反射镜一、反射镜二的反射光的位置上，用于同时获取两幅不同离焦位置的衍射光斑。

进一步地，所述反射镜一的倾斜程度为：所述反射镜一与其入射光路的夹角为80°。

进一步地，所述反射镜二的倾斜程度为：所述反射镜二与其入射光路的夹角为80°。

一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的方法，该方法基于波前重建装置来实现，该方法具体包括如下步骤：

S1：所述激光器产生光波，所述光波经过所述扩束器扩束、所述待测平板透射、所述分光镜分光成两个垂直的光束后，两个垂直的光束分别经所述反射镜一和反射镜二反光后，由所述图像采集装置同时获取两幅不同离焦位置的衍射光斑；

S2：根据功率谱密度计算两个不同频段范围的衍射光斑的最佳离焦位置，然后将所述的反射镜一和反射镜二分别移动到各自的最佳离焦位置，使用所述的图像采集装置采集含有待测平板信息的衍射光斑；

S3：对采集到的衍射光斑进行分割处理，获取两幅在各自最佳离焦位置上的衍射光斑；

S4：采用轴向相位差相位恢复方法，对S3处理得到的衍射光斑进行相位恢复，获得待测平板的复振幅。

进一步地，所述的S4通过如下子步骤实现：

S4.1：分别设置支持域D、所述两幅衍射光斑对应的离焦量Δf₁，Δf₂、负反馈权重系数β、待测平板重建的迭代总数N、波前检测的初始迭代计数j＝1、待测平板重建初始估计值g¹(x,y)，其中，(x,y)为所述待测平板的坐标；

S4.2：由所述的待测平板位置衍射计算至第k个衍射光斑位置处，获得计算的衍射复振幅

其中，

式中，

代表衍射计算算子，g_k(x,y)表示待测平板第k个衍射光斑位置处的波前重建估计值；φ(x,y,Δf_k)是离焦项

这里的i²＝-1，

是(x,y)的归一化坐标，Δf_k是离焦量；k＝1,2。

S4.3：使用采集到的衍射光斑替换计算得到的复振幅的模，然后逆傅里叶变换衍射计算至待测平板，得到估计的待测平板复振幅g^wj(x,y)，具体如下式：

代表逆衍射计算算子；

S4.4：对估计的待测平板复振幅进行支持域D约束处理

S4.5：如果k＝1，那么令k＝2，否则，k＝1；如果j<N，j＝j+1，并返回S4.2，否则结束迭代，获得满足衍射光斑约束的复振幅估计值；

S4.6：对S4.5获得的复振幅估计值的振幅和相位分别使用去噪算法处理，移除噪声影响，并截取支持域之内的复振幅值得到真实的待测平板复振幅。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的波前重建装置通过一个图像采集装置能够同时采集两幅不同离焦位置的衍射光斑，规避了采用多个图像采集装置引入的采集装置位置误差，同时整个装置结构紧凑，提高装置的灵活度，即使在空间有限的情况下通过一个图像采集装置即可实现实时动态成像。

(2)本发明的波前重建方法根据功率谱密度计算得出最佳离焦位置，然后调整反射镜位置实现最佳离焦位置衍射光斑采集，提高了算法的收敛速度；多图像相位恢复算法结合负反馈调节方法实现相位恢复方法快速收敛，且克服了传统相位恢复方法中的孪生像问题。

附图说明

图1为本发明的波前重建装置的装置示意图；

图2为本发明的波前重建方法的流程图；

图3为采用本发明的波前重建方法以及传统的没有负反馈调节的多图相位恢复方法的恢复的相位和振幅图，其中，(a1)和(a2)为本发明所提方法的恢复的相位和振幅图，(b1)和(b2)为没有负反馈调节的多图相位恢复方法的恢复的相位和振幅图，(c1)和(c2)为真实图的相位和振幅。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置，包括激光器1、扩束器2、待测平板3、会聚透镜4、分光镜5、反射镜一6、反射镜二7和图像采集装置8，扩束器2、待测平板3、会聚透镜4、分光镜5依次平行设置在激光器1的出射光路上，且扩束器2、待测平板3、会聚透镜4、分光镜5共光轴。反射镜一6和反射镜二7分别位于分光镜5的两个相互垂直的出射光路上，反射镜一6和反射镜二7与分光镜5的距离不同，反射镜一6和反射镜二7分别相对于其所在出射光路倾斜布置；图像采集装置8位于能够同时采集反射镜一6、反射镜二7的反射光的位置上，用于同时获取两幅不同离焦位置的衍射光斑。

优选地，反射镜一6和反射镜二7的倾斜程度为：它们各自与各自入射光路的夹角为80°。

如图2所示，本发明的通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的方法，包括如下步骤：

S1：所述激光器产生光波，所述光波经过所述扩束器扩束、所述待测平板透射、所述分光镜分光成两个垂直的光束后，两个垂直的光束分别经所述反射镜一和反射镜二反光后，由所述图像采集装置同时获取两幅不同离焦位置的衍射光斑；

S2：根据功率谱密度计算两个不同频段范围的衍射光斑的最佳离焦位置，然后将所述的反射镜一和反射镜二分别移动到各自的最佳离焦位置，使用所述的图像采集装置采集含有待测平板信息的衍射光斑；

S3：对采集到的衍射光斑进行分割处理，获取两幅在各自最佳离焦位置上的衍射光斑；

S4：采用轴向相位差相位恢复方法，对S3处理得到的衍射光斑进行相位恢复，获得待测平板的复振幅，所述的S4通过如下子步骤实现：

S4.1：分别设置支持域D、所述两幅衍射光斑对应的离焦量Δf₁，Δf₂、负反馈权重系数β、待测平板重建的迭代总数N、波前检测的初始迭代计数j＝1、待测平板重建初始估计值g¹(x,y)，其中，(x,y)为所述待测平板的坐标；

S4.2：由所述的待测平板位置衍射计算至第k个衍射光斑位置处，获得计算的衍射复振幅

其中，

式中，

代表衍射计算算子，g_k(x,y)表示待测平板第k个衍射光斑位置处的波前重建估计值；φ(x,y,Δf_k)是离焦项

这里的i²＝-1，

是(x,y)的归一化坐标，Δf_k是离焦量；k＝1,2。

S4.3：使用采集到的衍射光斑替换计算得到的复振幅的模，然后逆傅里叶变换衍射计算至待测平板，得到估计的待测平板复振幅g^wj(x,y)，具体如下式：

代表逆衍射计算算子；

S4.4：对估计的待测平板复振幅进行支持域D约束处理

S4.5：如果k＝1，那么令k＝2，否则，k＝1；如果j<N，j＝j+1，并返回S4.2，否则结束迭代，获得满足衍射光斑约束的复振幅估计值；

S4.6：对S4.5获得的复振幅估计值的振幅和相位分别使用去噪算法处理，移除噪声影响，并截取支持域之内的复振幅值得到真实的待测平板复振幅。

下面给出本发明的方法的一个具体实施例，对该方法的技术效果进行说明。

该实施例中，会聚透镜焦距选择s＝500mm，z₁,z₂＝[-10,-15]mm，支持域D＝20mm，图像重建的迭代总数N＝500。

在该实施例中，采集两幅离焦衍射图像进行波前的相位和振幅重建，选用的衍射计算模型为快速傅里叶变换模型，图3为本发明所提方法的恢复结果图。图3(a1)和(a2)为本发明所提方法的恢复的相位和振幅图，图3(b1)和(b2)为没有负反馈调节的多图相位恢复方法的恢复的相位和振幅图，图3(c1)和(c2)为真实图的相位和振幅，从图中可以看出本发明提出的方法能够准确恢复波前的振幅和相位，恢复结果与真实值形貌轮廓一致，重建精度优于负反馈调节的多图相位恢复方法。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置，其特征在于，该装置包括激光器、扩束器、待测平板、会聚透镜、分光镜、反射镜一、反射镜二和图像采集装置，所述扩束器、待测平板、会聚透镜、分光镜依次设置在所述激光器的出射光路上，所述反射镜一和反射镜二分别位于所述分光镜的两个相互垂直的出射光路上，所述反射镜一和反射镜二与所述分光镜的距离不同，且分别相对于其所在出射光路倾斜布置；所述图像采集装置位于能够同时采集反射镜一、反射镜二的反射光的位置上，用于同时获取两幅不同离焦位置的衍射光斑。

2.根据权利要求1所述的通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置，其特征在于，所述反射镜一的倾斜程度为：所述反射镜一与其入射光路的夹角为80°。

3.根据权利要求1所述的通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置，其特征在于，所述反射镜二的倾斜程度为：所述反射镜二与其入射光路的夹角为80°。

4.一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的波前重建装置来实现，该方法具体包括如下步骤：

S1：所述激光器产生光波，所述光波经过所述扩束器扩束、所述待测平板透射、所述分光镜分光成两个垂直的光束后，两个垂直的光束分别经所述反射镜一和反射镜二反光后，由所述图像采集装置同时获取两幅不同离焦位置的衍射光斑；

S2：根据功率谱密度计算两个不同频段范围的衍射光斑的最佳离焦位置，然后将所述的反射镜一和反射镜二分别移动到各自的最佳离焦位置，使用所述的图像采集装置采集含有待测平板信息的衍射光斑。

S3：对采集到的衍射光斑进行分割处理，获取两幅在各自最佳离焦位置上的衍射光斑；

S4：采用轴向相位差相位恢复方法，对S3处理得到的衍射光斑进行相位恢复，获得待测平板的复振幅。

5.根据权利要求4所述的通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的方法，其特征在于，所述的S4通过如下子步骤实现：

S4.1：分别设置支持域D、所述两幅衍射光斑对应的离焦量Δf₁，Δf₂、负反馈权重系数β、待测平板重建的迭代总数N、波前检测的初始迭代计数j＝1、待测平板重建初始估计值g¹(x,y)，其中，(x,y)为所述待测平板的坐标；

S4.2：由所述的待测平板位置衍射计算至第k个衍射光斑位置处，获得计算的衍射复振幅

其中，

式中，

代表衍射计算算子，g_k(x,y)表示待测平板第k个衍射光斑位置处的波前重建估计值；φ(x,y,Δf_k)是离焦项

这里的i²＝-1，

是(x,y)的归一化坐标，Δf_k是离焦量；k＝1,2。

S4.3：使用采集到的衍射光斑替换计算得到的复振幅的模，然后逆傅里叶变换衍射计算至待测平板，得到估计的待测平板复振幅g^wj(x,y)，具体如下式：

代表逆衍射计算算子；

S4.4：对估计的待测平板复振幅进行支持域D约束处理

S4.5：如果k＝1，那么令k＝2，否则，k＝1；如果j<N，j＝j+1，并返回S4.2，否则结束迭代，获得满足衍射光斑约束的复振幅估计值；

S4.6：对S4.5获得的复振幅估计值的振幅和相位分别使用去噪算法处理，移除噪声影响，并截取支持域之内的复振幅值得到真实的待测平板复振幅。

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