[发明专利]一种基于四象限二元相位调制的相位反演方法

摘要

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。

主权项

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。