[发明专利]一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法

权利要求书

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I_near和对应的远场光斑图像强度分布I_far，并设定相位反演方法中近场波前相位分布的初始值φ_near为0，记四象限二元相位掩膜(1)的附加相位分布为φ_mask；

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φ_near+φ_mask，以实际近场强度分布I_near平方根作为近场光波振幅，则有调制后近场光波复振幅为：

$E_{near}=\sqrt{I_{near}}\·e^{i({\mathrm{\φ}}_{near}+{\mathrm{\φ}}_{mask})};---\left(1\right)$

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：

$E_{far}=A_{far}\·e^{{\mathrm{i\φ}}_{far}},---\left(2\right)$

式中A_far为计算远场光波振幅分布，φ_far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|E_far|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：

$SSE=\frac{\∫\∫{\left(\right|E_{far}|-\sqrt{I_{far}})}^2}{\∫\∫|E_{far}{|}^2},---\left(3\right)$

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φ_near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I_far平方根作为远场光波振幅，有变换后远场光波复振幅为：

${E_{far}}^{\′}=\sqrt{I_{far}}\·e^{{\mathrm{i\φ}}_{far}};---\left(4\right)$

利用变化后远场光波复振幅E_far'，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：

${E_{near}}^{\′}=A_{near}\·e^{{{\mathrm{i\φ}}_{near}}^{\′}},---\left(5\right)$

式中A_near为计算近场光波振幅分布，φ_near'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(φ_near'-φ_mask)，更新方法的近场入射光波相位φ_near，并再次结合实际近场强度分布I_near，将I_near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。