基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法制造方法及图纸

一种基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法，本发明专利技术针对现有干涉测量技术在孪生像消除、极限分辨率、欠采样波前测量、多模态测量等方面的不足，提出一种基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法，从光场编码的角度，完全通过迭代计算实现对待测光场复振幅的精确测量，同时能够有效消除孪生像问题、具备多模态(多波长)重建能力、理论上能够达到衍射极限分辨率，能够广泛应用于相位成像、光学元件面型检测、偏振分布测量等，具备广泛的适用范围。适用范围。适用范围。

【技术实现步骤摘要】
基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法


[0001]本专利技术涉及波前相位恢复、波前检测及成像，特别是一种基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法。

技术介绍

[0002]为获得波前分布的完整信息，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，只能通过间接测量的方式实现，干涉测量和数字全息是极为重要的相位测量及成像技术，广泛应用于材料化学、生物医学、精密检测及制造等领域，但孪生像的消除问题是干涉测量技术所面临的关键问题，目前商业化的干涉仪通常采用四步相移法来消除孪生像，但这种方法结构复杂，需要精密相移系统，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，同时干涉法主要的数据来源为干涉条纹，因此常规干涉法必须满足采样要求，当采样间隔过大时，将难以实现相位测量。除此之外，相位恢复技术同样能够实现相位测量，其利用记录的强度信息，通过迭代计算可实现对相位信息的重建，理论上能够达到甚至超过衍射极限分辨率分辨率，具备欠采样下相位恢复、多模态相位恢复能力，这是干涉法难以比拟的，由于不需要参考光，理论上是一种优于干涉法的相位测量技术，但由于其收敛性要求较高，通常需要多幅衍射光斑或者严格的约束条件，虽然能够广泛应用于X射线和电子束成像领域，但在可见光波段的实用性优势并不明显，因此发展适用性强、无孪生像问题、计算速度快、理论上能够达到衍射极限分辨率、能够实现欠采样下相位测量、具备多模态测量能力的相位检测及成像技术，是基础研究和工业应用领域中的迫切需求。
专利
技术实现思路

[0003]本专利技术针对上述现有干涉测量技术在孪生像消除、极限分辨率、欠采样波前测量、多模态测量等方面的不足，提出一种基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法，从光场编码的角度，完全通过迭代计算实现对待测光场复振幅的精确测量，同时能够有效消除孪生像问题、具备多模态(多波长)重建能力、理论上能够达到衍射极限分辨率，能够广泛应用于相位成像、光学元件面型检测、偏振分布测量等，具备广泛的适用范围。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种基于波前调制的相位成像装置，其特点在于，包括：光源模块、光场分束模块、偏振控制模块、合束编码模块、光斑探测器和控制与数据处理模块；
[0006]所述的光源模块，用于输出相干光源；
[0007]所述的光场分束模块，用于将相干光源分为两束复振幅分布已知的光束，一束作为待测样品的照明光，一束作为波前调制光；
[0008]所述的偏振控制模块，用来控制照明光束和波前调制光束之间的偏振态，根据测量需求不同控制两束光偏振态为平行、垂直或0到90度之间的角度；
[0009]所述的合束编码模块，用于将经待测样品的出射光或反射光作为待测物光，以及
将待测物光与波前调制光进行空间重叠，形成编码光场，重叠区域位于光斑探测器；
[0010]所述的光斑探测器，用于接收待测物光光束，获得待测物光强度分布图，并输出至控制与数据处理模块；以及获得编码光场强度分布图；
[0011]所述的控制与数据处理模块，用于控制光斑探测器记录数据，并对待测物光强度分布图和编码光场强度分布图进行处理，重建待测样品的复振幅分布。
[0012]进一步，还包括成像模块，用于接收待测物光光束，使待测样品在光斑探测器上成像。
[0013]所述的相干光源是单波长相干光源、宽谱相干光源，或者是激光器簇，包含多个相同或不同波长的光源，相同光源或同一波长的激光是相干的，不同光源或不同波长之间非相干；所述的第一扩束器和第二扩束器将入射光扩束为平行光、球面波或者结构光。
[0014]所述的光源模块为相干光源，所述的光场分束模块由分束镜、第一反射镜、第一扩束器、第二扩束器组成，所述的偏振控制模块为第一偏振片，所述的合束编码模块通过控制分束镜和第一反射镜角度实现待测物光与波前调制光的空间重叠；所述的控制与数据处理模块为计算机；
[0015]所述的相干光源产生的光依次经过第一偏振片、分束镜后分为透射光和反射光，所述的透射光经过第一扩束器入射至光斑探测器，所述的反射光依次经过第一反射镜、第二扩束器、待测样品后，到达光斑探测器；所述的第一扩束器的出射光作为波前调制光，所述的第二扩束器的出射光作为待测物光；所述分束镜分出的透射光和反射光在光斑探测器靶面上进行波前编码，对应的干涉条纹不受限于采样要求,光斑探测器由计算机控制。
[0016]所述的光源模块为相干光源，所述的光场分束模块由分束镜、第一反射镜、第一扩束器、第二扩束器组成，所述的偏振控制模块由第二偏振片、第三偏振片组成，所述的合束编码模块通过控制分束镜和第一反射镜角度实现待测物光与波前调制光的空间重叠；所述的控制与数据处理模块为计算机；
[0017]所述的相干光源经过分束镜后分为透射光和反射光，所述的透射光依次经过第二偏振片和第一扩束器入射至光斑探测器，所述的反射光依次经过第一反射镜、第二扩束器、待测样品后到达光斑探测器；所述的第一扩束器的出射光作为波前调制光，所述的第二扩束器的出射光作为待测物光，光斑探测器同时记录包含两个偏振态的编码光场强度分布图，以及待测物光强度分布图，该光斑探测器由计算机控制。
[0018]所述的光源模块为相干光源，所述的光场分束模块由分束镜、第一反射镜、第一扩束器、第二扩束器组成，所述的偏振控制模块为第一偏振片，所述的合束编码模块通过控制分束镜和第一反射镜角度实现待测物光与波前调制光的空间重叠，所述的成像模块为透镜组；所述的控制与数据处理模块为计算机；
[0019]所述的相干光源依次经过第一偏振片和分束镜后分为透射光和反射光，所述的透射光经过第一扩束器入射至光斑探测器，所述的反射光依次经过第一反射镜、第二扩束器、待测样品和透镜组后，到达光斑探测器；所述的第一扩束器的出射光作为波前调制光，所述的透镜组的出射光作为待测物光；当待测样品为大口径元件时，透镜组对待测样品出射光进行缩束，当待测样品为微小样品时，透镜组对待测样品出射光进行放大，光斑探测器由计算机控制。
[0020]所述的光源模块为相干光源，所述的光场分束模块由光纤分束器、光纤准直器、透
反镜和准直透镜组成，所述的偏振控制模块通过相干光源及光纤分束器的偏振参数实现，所述的合束编码模块通过控制光纤准直器角度来实现，所述的成像模块为透镜组，反射型样品为反射式样品，所述的控制与数据处理模块为计算机；
[0021]所述的相干光源光纤耦合进光纤分束器后分为二束，一束经过光纤准直器准直为平行光或球面波后到达光斑探测器，另一束作为点光源经过透反镜反射后经过准直透镜变为平行光，照射到反射型样品上，经该反射型样品反射后，依次经准直透镜、透反镜和透镜组后入射到光斑探测器并成像，光斑探测器由计算机控制。
[0022]所述的光源模块为相干光源，所述的光场分束模块由分束镜、第一反射镜、第一扩束器和第二扩束器组成，所述的偏振控制模块时第一偏振片，所述的合束编码模块由第二反射镜和透反镜组成，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，包括：光源模块、光场分束模块、偏振控制模块、合束编码模块、光斑探测器和控制与数据处理模块；所述的光源模块，用于输出相干光源；所述的光场分束模块，用于将相干光源分为两束复振幅分布已知的光束，一束作为待测样品的照明光，一束作为波前调制光；所述的偏振控制模块，用来控制照明光束和波前调制光束之间的偏振态，根据测量需求不同控制两束光偏振态为平行、垂直或0到90度之间的角度；所述的合束编码模块，用于将经待测样品的出射光或反射光作为待测物光，以及将待测物光与波前调制光进行空间重叠，形成编码光场，重叠区域位于光斑探测器；所述的光斑探测器，用于接收待测物光光束，获得待测物光强度分布图，并输出至控制与数据处理模块；以及获得编码光场强度分布图；所述的控制与数据处理模块，用于控制光斑探测器记录数据，并对待测物光强度分布图和编码光场强度分布图进行处理，重建待测样品的复振幅分布。2.根据权利要求1所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，还包括成像模块，用于接收待测物光光束，使待测样品在光斑探测器上成像。3.根据权利要求1所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的相干光源(1)是单波长相干光源、宽谱相干光源，或者是激光器簇，包含多个相同或不同波长的光源，相同光源或同一波长的激光是相干的，不同光源或不同波长之间非相干；所述的第一扩束器(4)和第二扩束器(6)将入射光扩束为平行光、球面波或者结构光。4.根据权利要求1所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为相干光源(1)，所述的光场分束模块由分束镜(3)、第一反射镜(5)、第一扩束器(4)、第二扩束器(6)组成，所述的偏振控制模块为第一偏振片(2)，所述的合束编码模块通过控制分束镜(3)和第一反射镜(5)角度实现待测物光(25)与波前调制光(26)的空间重叠；所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的相干光源(1)产生的光依次经过第一偏振片(2)、分束镜(3)后分为透射光和反射光，所述的透射光经过第一扩束器(4)入射至光斑探测器(8)，所述的反射光依次经过第一反射镜(5)、第二扩束器(6)、待测样品(7)后，到达光斑探测器(8)；所述的第一扩束器(4)的出射光作为波前调制光(26)，所述的第二扩束器(6)的出射光作为待测物光(25)；所述分束镜(3)分出的透射光和反射光在光斑探测器(8)靶面上进行波前编码，对应的干涉条纹不受限于采样要求,光斑探测器(8)由计算机(29)控制。5.根据权利要求1所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为相干光源(1)，所述的光场分束模块由分束镜(3)、第一反射镜(5)、第一扩束器(4)、第二扩束器(6)组成，所述的偏振控制模块由第二偏振片(9)、第三偏振片(10)组成，所述的合束编码模块通过控制分束镜(3)和第一反射镜(5)角度实现待测物光(25)与波前调制光(26)的空间重叠；所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的相干光源(1)经过分束镜(3)后分为透射光和反射光，所述的透射光依次经过第二偏振片(9)和第一扩束器(4)入射至光斑探测器(8)，所述的反射光依次经过第一反射镜(5)、第二扩束器(6)、待测样品(7)后到达光斑探测器(8)；所述的第一扩束器(4)的出射光作为波前调制光(26)，所述的第二扩束器(6)的出射光作为待测物光(25)，光斑探测器(8)
同时记录包含两个偏振态的编码光场强度分布图，以及待测物光强度分布图，该光斑探测器(8)由计算机(29)控制。6.根据权利要求2所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为相干光源(1)，所述的光场分束模块由分束镜(3)、第一反射镜(5)、第一扩束器(4)、第二扩束器(6)组成，所述的偏振控制模块为第一偏振片(2)，所述的合束编码模块通过控制分束镜(3)和第一反射镜(5)角度实现待测物光(25)与波前调制光(26)的空间重叠，所述的成像模块为透镜组(11)；所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的相干光源(1)依次经过第一偏振片(2)和分束镜(3)后分为透射光和反射光，所述的透射光经过第一扩束器(4)入射至光斑探测器(8)，所述的反射光依次经过第一反射镜(5)、第二扩束器(6)、待测样品(7)和透镜组(11)后，到达光斑探测器(8)；所述的第一扩束器(4)的出射光作为波前调制光(26)，所述的透镜组(11)的出射光作为待测物光(25)；当待测样品(7)为大口径元件时，透镜组(11)对待测样品(7)出射光进行缩束，当待测样品(7)为微小样品时，透镜组(11)对待测样品(7)出射光进行放大，光斑探测器(8)由计算机(29)控制。7.根据权利要求2所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为相干光源(1)，所述的光场分束模块由光纤分束器(12)、光纤准直器(13)、透反镜(16)和准直透镜(15)组成，所述的偏振控制模块通过相干光源(1)及光纤分束器(12)的偏振参数实现，所述的合束编码模块通过控制光纤准直器(13)角度来实现，所述的成像模块为透镜组(11)，反射型样品(14)为反射式样品，所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的相干光源(1)经光纤耦合进光纤分束器(12)后分为二束，一束经过光纤准直器(13)准直为平行光或球面波后到达光斑探测器(8)，另一束作为点光源经过透反镜(16)反射后经过准直透镜(15)变为平行光，照射到反射型样品(14)上，经该反射型样品(14)反射后，依次经准直透镜(15)、透反镜(16)和透镜组(11)后入射到光斑探测器(8)并成像，光斑探测器(8)由计算机(29)控制。8.根据权利要求2所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为相干光源(1)，所述的光场分束模块由分束镜(3)、第一反射镜(5)、第一扩束器(4)和第二扩束器(6)组成，所述的偏振控制模块时第一偏振片(2)，所述的合束编码模块由第二反射镜(30)和透反镜(16)组成，所述的成像模块为透镜组(11)，待测样品(7)为透射式样品，所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的相干光源(1)依次经过第一偏振片(2)和分束镜(3)后分为透射光和反射光，所述的透射光依次经过第一扩束器(4)、第二反射镜(30)和透反镜(16)后，入射至光斑探测器(8)，所述的反射光依次经过第一反射镜(5)、第二扩束器(6)、待测样品(7)、透镜组(11)和透反镜(16)后，到达光斑探测器(8)；所述的第一扩束器(4)的出射光作为波前调制光(26)，所述的透镜组(11)的出射光作为待测物光(25)；当待测样品(7)为大口径元件时，透镜组(11)对待测样品(7)出射光进行缩束，当待测样品(7)为微小样品时，透镜组(11)对待测样品(7)出射光进行放大，光斑探测器(8)由计算机(29)控制。9.根据权利要求1所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为相干光源(1)，所述的光场分束模块由光纤分束器(12)、光纤准直器(13)和可变光阑(28)组成，所述的偏振控制模块通过相干光源(1)及光纤分束器(12)的偏振参数实现，所述的合
束编码模块通过控制光纤分束器(12)光纤输出头的角度来实现，所述的成像模块为透镜组(11)，待测样品(7)为透射式样品，所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的相干光源(1)经光纤耦合进光纤分束器(12)后分为二束，一束经过光纤准直器(13)准直为平行光或球面波后，依次经过可变光阑(28)、待测样品(7)后，作为待测物光(25)到达光斑探测器(8)，另一束作为点光源入射到光斑探测器(8)，并作为波前调制光(26)，光斑探测器(8)由计算机(29)控制。10.根据权利要求1所述的基于波前调制的相位成像装置，其特征在于，所述的光源模块为由第一单波长激光器(17)、第二单波长激光器(18)和光纤合束器(19)组成，所述的光源模块作为激光器簇，包括至少二台单波长激光器或者是包含多个波长的单台激光器，所述的光场分束模块由光纤分束器(12)、光纤准直器(13)、透反镜(16)和球面反射镜(20)组成，所述的偏振控制模块通过第一单波长激光器(17)、第二单波长激光器(18)和光纤合束器(19)的偏振参数实现，所述的合束编码模块通过控制光纤准直器(13)的出射角度来实现，所述的控制与数据处理模块为计算机(29)；所述的第一单波长激光器(17)、第二单波长激光器(18)...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘兴臣，刘诚，朱健强，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：