[發(fā)明專利]一種通過單次曝光實現(xiàn)軸向相位差波前重建的裝置及方法

有效

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• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113203485B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 白劍;趙磊;費文輝
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G02B27/42
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發(fā)明公開一種通過單次曝光實現(xiàn)軸向相位差波前重建的裝置及方法，該裝置包括依次設(shè)置的激光器、擴束器、待測平板、會聚透鏡、分光鏡、反射鏡一和反射鏡二以及圖像采集裝置，該裝置不需要移動圖像采集裝置即可實現(xiàn)不同離焦量的兩幅衍射光斑的同時采集，充分利用了圖像采集裝置有效區(qū)域。波前重建方法利用軸向相位差法重建，根據(jù)功率譜密度計算得出最佳離焦位置，然后調(diào)整反射鏡位置實現(xiàn)最佳離焦位置衍射光斑采集。軸向相位差結(jié)合負反饋調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)相位恢復(fù)方法快速收斂，待測平板的復(fù)振幅快速估計。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)測量和成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種通過單次曝光實現(xiàn)軸向相位差波前重建的裝置及方法。

背景技術(shù)

相位恢復(fù)算法在天文學(xué)、波前探測、超分辨、x射線衍射等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。該方法結(jié)合目標支持度信息，從測量的強度模式中提取相位信息。迭代相位恢復(fù)算法是最實用的相位恢復(fù)方法，它利用瞳孔與焦平面或近焦平面之間的關(guān)系進行傅里葉變換，迭代估計瞳孔復(fù)波前。

根據(jù)被測光強的個數(shù)，相位恢復(fù)方法分為單幅圖像相位恢復(fù)和多幅圖像相位恢復(fù)。單圖像相位恢復(fù)方法，如誤差減小算法、混合輸入輸出算法等，這些方法廣泛應(yīng)用于定量相位成像、顯微成像等領(lǐng)域以前提議的。在這里，多圖像相位檢索方法被稱為軸向相位差相位恢復(fù)。與Ptychography迭上代引擎相比，軸向相位差相位恢復(fù)方法具有更簡單的實驗裝置，適用于一般的圖像重建和波前測量。軸向相位差相位恢復(fù)方法已成功地應(yīng)用于波前測量、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域。

然而，對于經(jīng)典的軸向相位差相位恢復(fù)，可以得出這樣的結(jié)論：它在某種意義上是誤差減小算法的擴展，因為對于每個測量平面和期望平面之間的軸向相位差相位恢復(fù)迭代，期望平面僅在支持區(qū)域中更新，而期望平面的其余部分不變。誤差減小算法相當于最速下降梯度搜索算法，這是最弱的非線性優(yōu)化算法。傳統(tǒng)的軸向相位差相位恢復(fù)對波前測量具有良好的穩(wěn)定性，而對圖像重建的精度和收斂速度不高。然而，混合輸入-輸出是一種具有反饋約束的復(fù)振幅恢復(fù)算法，其性能優(yōu)于誤差減小算法，其目標是用單一的強度測量進行重建。

另外，傳統(tǒng)的軸向相位恢復(fù)算法無法同時采集多幅衍射光斑圖，并且傳統(tǒng)的混合輸入-輸出算法只適用于單強度相位成像，而單圖像混合輸入輸出算法可能會超出全局最優(yōu)解，無法準確重建相位。多幅圖像的相位恢復(fù)由于其穩(wěn)定性高而得到廣泛的研究，多幅圖像的灰度模式改善了算法的約束。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種通過單次曝光實現(xiàn)軸向相位差波前重建的裝置及方法，該裝置使用分光鏡實現(xiàn)了兩幅圖的同時采集，重建方法將混合輸入輸出算法與軸向多圖算法結(jié)合提高了收斂效率。

本發(fā)明的目的通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種通過單次曝光實現(xiàn)軸向相位差波前重建的裝置，該裝置包括激光器、擴束器、待測平板、會聚透鏡、分光鏡、反射鏡一、反射鏡二和圖像采集裝置，所述擴束器、待測平板、會聚透鏡、分光鏡依次設(shè)置在所述激光器的出射光路上，所述反射鏡一和反射鏡二分別位于所述分光鏡的兩個相互垂直的出射光路上，所述反射鏡一和反射鏡二與所述分光鏡的距離不同，且分別相對于其所在出射光路傾斜布置；所述圖像采集裝置位于能夠同時采集反射鏡一、反射鏡二的反射光的位置上，用于同時獲取兩幅不同離焦位置的衍射光斑。

進一步地，所述反射鏡一的傾斜程度為：所述反射鏡一與其入射光路的夾角為80°。

進一步地，所述反射鏡二的傾斜程度為：所述反射鏡二與其入射光路的夾角為80°。

一種通過單次曝光實現(xiàn)軸向相位差波前重建的方法，該方法基于波前重建裝置來實現(xiàn)，該方法具體包括如下步驟：

S1：所述激光器產(chǎn)生光波，所述光波經(jīng)過所述擴束器擴束、所述待測平板透射、所述分光鏡分光成兩個垂直的光束后，兩個垂直的光束分別經(jīng)所述反射鏡一和反射鏡二反光后，由所述圖像采集裝置同時獲取兩幅不同離焦位置的衍射光斑；