[发明专利]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

说明书

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。

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；