一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法技术

一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法，采用基于单帧远场图像的相位反演算法的基本结构，利用四象限二元相位元件在光束成像前调制相位分布，从而使光束在成像透镜焦面上形成独特的远场光斑，光电探测器获取光斑图像并作为相位反演的远场频域信号，在近场空域波前相位与远场频域光斑图像之间往复迭代，最终准确地反演入射光束的近场波前相位分布。本发明专利技术解决了多解问题，真正实现了利用单帧远场光斑图像信号的准确近场相位反演，无需分光元件或孔径分割器件，光能利用率高，加之探测精度理论上只受限于光电探测器分辨能力，因而有望用于弱信号波前探测、高精度波前探测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法
本专利技术属于波前传感
，涉及一种通过远场光斑图像反算入射光束波前相位的方法，尤其涉及一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法。
技术介绍
相位反演技术是波前传感技术的重要分支，其特点是直接利用光束的远场光斑图像信息，通过数学手段分析处理，反算推演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，如GS算法(参见GerchbergR.W,SaxtonW.O.Phasedeterminationfromimageanddiffractionplanepicturesintheelectronmicroscope[J].Optik,1971,34(3):275～284)、YG算法(参见YangGZ,GuBY,DongBZ.Theoryofamplitude-phaseretrievalinananylineartransformationsystemanditsapplications[J].InterJModernPhys,1993,B7:3153～3224)；发展比较成熟的基于两幅图像的相位反演技术，如曲率波前传感技术(参见F.Roddier.Curvaturesensingandcompensation:anewconceptinadaptiveoptics[J].AppliedOptics,1988,27(7):1233)、相位差法波前传感技术(参见GonsalvesRandChidlawR.Wavefrontsensingbyphaseretrieval[C].inApplicationsofDigitalImageProcessingIII,Proc.SPIE,1979,207)，此外还有基于多帧图像的相位反演方法等。基于单帧图像的相位反演技术光学实现结构非常简单，但其主要问题是存在多解，这对于致力于实现高精度光学检测的波前传感技术来说是无法接受的，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。当然，在保证相位求解稳定的前提下，所需的远场信息越少则越有利于实际的工程实现和应用。基于两幅图像的相位反演技术实现唯一解求解所需的附加图像最少，因而是目前主要的关注点和研究热点。而基于单帧图像的相位反演方法基本被波前传感领域所忽视，主要被用于衍射光学元件设计领域。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。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，突破以单帧远场光斑图像反演近场相位时长期存在的多解难题，在基于单帧远场图像相位反演的光学实现结构的基础上，提供一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法，以破坏波前像差模式的对称性为核心思想，通过引入非常简洁的二元相位调制，改变远场光斑的分布状态，从而能够实现近场波前相位与远场光斑分布的一一对应，最终实现基于单帧远场图像的准确近场相位反演。本专利技术的技术解决方案是：一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法，其光学实现结构主要由四象限二元相位掩膜、成像透镜、光电探测器构成，四象限二元相位掩膜位于成像透镜之前，调制入射光波的波前相位分布，光电探测器置于成像透镜焦平面，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Inear和对应的远场光斑图像强度分布Ifar，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值φnear为0，记四象限二元相位掩膜的附加相位分布为φmask；步骤2：经过四象限二元相位掩膜调制后的光波波前相位为φnear+φmask，以实际近场强度分布Inear平方根作为近场光波振幅，则有调制后近场光波复振幅为：步骤3：计算调制后光波在成像透镜焦面上光斑的复振幅分布，也即被成像透镜衍射传播至焦平面上的远场光波复振幅分布：式中Afar为计算远场光波振幅分布，φfar为计算的远场光波相位分布；步骤4：对比计算的远场光波振幅|Efar|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：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φnear即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于四象限二元相位调制的相位反演方法结束；若SSE大于设定的判定标准，则算法继续；步骤5：将远场实际的光强分布Ifar平方根作为远场光波振幅，有变换后远场光波复振幅为：利用变化后的远场光波复振幅Efar'，计算逆向衍射后对应成像透镜的近场，四象限二元相位掩膜后方的光波复振幅：式中Anear为计算近场光波振幅分布，φnear'为计算的近场调制后光波相位分布；步骤6：以新计算的近场入射(调制前)光波波前分布φnear'-φmask，更新算法的近场入射光波相位φnear，并再次结合实际近场强度分布Inear，将Inear的平方根作为近场光波振幅，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4满足判定标准，则基于四象限二元相位调制的相位反演方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。所述的四象限二元相位掩膜将通光孔径以直角坐标划分四象限，并在四个象限中引入不同的相位平移调制，其中对角线象限(如1、3象限，2、4象限)成组，组内两象限引入的相位平移相同，不同组之间引入的相位平移像差π/2，如1、3象限引入-π/4的相位平移，而2、4象限则是引入π/4的相位平移，或者1、3象限引入0的相位平移，而2、4象限则是引入π/2的相位平移。四象限二元相位掩膜可以作为相位调制片单独放置于成像透镜前，也可以直接刻蚀、贴附于成像透镜上或集成装配在成像透镜中。本专利技术与现有技术相比有如下优点：本专利技术所述方法与现有的基于多帧图像的相位反演技术相比，只需单帧远场光斑图像，光学实现结构简洁，稳定性好，无需分光结构，有利于提升探测性噪比，对弱光、微光条件下波前相位的反演探测十分有意义；本专利技术所述方法与现有的基于单帧图像的相位反演技术相比，在光学结构基本一致的情况下，解决了现有方法中的多解问题，从而能够避免现有算法中的缺陷，有望于应用于实际的波前传感系统。附图说明图1为本专利技术方法原理流程图；图2为本专利技术方法的光学实现结构图；图3为本专利技术实施例一中四象限二元相位掩膜结构示意图；图4为本专利技术实施例一中入射光波相位分布(a)和对应的调制后远场光斑分布(b)；图5为本专利技术实施例一中基于四象限二元相位调制的相位反演方法的波前复原结果，(a)为恢复波前、(b)为波前恢复残差、(c)为恢复像差系数对比、(d)为算法收敛曲线；图6为本专利技术实施例一中传统的基于单帧图像相位反演方法的波前复原结果，(a)为恢复波前、(b)为波前恢复残差、(c)为恢复像差系数对比、(d)为算法收敛曲线；具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法，其特征在于：光学实现结构包括四象限二元相位掩膜(1)、成像透镜(2)、光电探测器(3)，四象限二元相位掩膜(1)位于成像透镜(2)之前，调制入射光波的波前相位分布，光电探测器(3)置于成像透镜(2)焦平面，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Inear和对应的远场光斑图像强度分布Ifar，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值φnear为0，记四象限二元相位掩膜(1)的附加相位分布为φmask；步骤2：经过四象限二元相位掩膜(1)调制后的光波波前相位为φnear+φmask，以实际近场强度分布Inear平方根作为近场光波振幅，则有调制后近场光波复振幅为：Enear=Inear·ei(φnear+φmask);---(1)]]>步骤3：计算调制后光波在成像透镜(2)焦面上光斑的复振幅分布，也即被成像透镜(2)衍射传播至焦平面上的远场光波复振幅分布：Efar=Afar·eiφfar,---(2)]]>式中Afar为计算远场光波振幅分布，φfar为计算的远场光波相位分布；步骤4：对比计算的远场光波振幅|Efar|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=∫∫(|Efar|-Ifar)2∫∫|Efar|2,---(3)]]>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φnear即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于四象限二元相位调制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5：将远场实际光强分布Ifar平方根作为远场光波振幅，有变换后远场光波复振幅为：Efar′=Ifar·eiφfar;---(4)]]>利用变化后远场光波复振幅Efar'，计算逆向衍射后对应成像透镜(2)的近场，四象限二元相位掩膜(1)后方的光波复振幅：Enear′=Anear·eiφnear′,---(5)]]>式中Anear为计算近场光波振幅分布，φnear'为计算的近场调制后光波相位分布；步骤6：用新计算的近场入射(调制前)光波波前分布(φnear'‑φmask)，更新方法的近场入射光波相位φnear，并再次结合实际近场强度分布Inear，将Inear的平方根作为近场光波振幅，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4满足判定标准，则基于四象限二元相位调制的相位反演方法结束，输出反演的光束近场相位分布结果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法，其特征在于：光学实现结构包括四象限二元相位掩膜(1)、成像透镜(2)、光电探测器(3)，四象限二元相位掩膜(1)位于成像透镜(2)之前，调制入射光波的波前相位分布，光电探测器(3)置于成像透镜(2)焦平面，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Inear和对应的远场光斑图像强度分布Ifar，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值φnear为0，记四象限二元相位掩膜(1)的附加相位分布为φmask；步骤2：经过四象限二元相位掩膜(1)调制后的光波波前相位为φnear+φmask，以实际近场强度分布Inear平方根作为近场光波振幅，则有调制后近场光波复振幅为：步骤3：计算调制后光波在成像透镜(2)焦面上光斑的复振幅分布，也即被成像透镜(2)衍射传播至焦平面上的远场光波复振幅分布：式中Afar为计算远场光波振幅分布，φfar为计算的远场光波相位分布；步骤4：对比计算的远场光波振幅|Efar|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：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φnear即为实际的光束近场相位分布，作为相位反演结果输出，基于四象限二元相位调制的相位反...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，杨平，许冰，何星，刘文，董理治，傅筱莹，陈小君，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51