本發(fā)明涉及一種基于二元方形衍射元件的相位反演方法，屬于波前傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

相位反演技術(shù)是波前傳感技術(shù)的重要分支，特點是直接利用采集到的光束遠場光斑圖像信息，通過衍射光學(xué)理論，反演推算出光束的近場波前相位分布信息。

基于單幀圖像的相位反演光學(xué)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)非常簡單，但其主要缺欠是由于點擴散函數(shù)不唯一，波前復(fù)原存在多解性，因而基于更多遠場信息的相位反演方法應(yīng)運而生?；诙鄮瑘D像的相位反演技術(shù)通過獲取更多的遠場圖像作為已知信息，增加相位反演限定條件，從而解決解的唯一性問題。然而，同時獲取多幀遠場圖像意味著光學(xué)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的增加和可靠性的降低。因此，若能通過新的技術(shù)手段和數(shù)學(xué)方法解決多解問題，利用單幀遠場圖像實現(xiàn)準(zhǔn)確的相位反演，那么光學(xué)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)能夠十分簡潔，并且無需分光元件，光能利用率和信號信噪比高，是較為理想的相位反演實施方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于二元方形衍射元件的相位反演方法，在復(fù)原算法中，描述光強分布的常規(guī)方法是x、y方向的二維矩陣，所以二元圓形衍射元件建模時其圓周邊沿有很多方形鋸齒，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，從而影響了其復(fù)原波前的精度，而二元方形衍射元件則很好地解決了上述問題，且二元方形衍射元件本身對輸入波面進行了調(diào)制，較傳統(tǒng)單幀波前反演的GS算法波前復(fù)原精度有較大提高。本發(fā)明元件簡單，輕便，適合大孔徑及超大孔徑波前探測，可實現(xiàn)基于單幀遠場圖像的準(zhǔn)確近場相位反演。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于二元方形衍射元件的相位反演方法，由于二元衍射元件相較傳統(tǒng)的玻璃透鏡更容易特制，任何圖形布局都可以在二元衍射元件上得到實現(xiàn)，可以在遠場形成了特殊的光斑形狀，使原光波在遠近場有唯一的點擴散函數(shù)。光學(xué)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括二元方形衍射元件1和光電探測器2，所述的二元方形衍射元件1由0、pi的相位間隔構(gòu)成，根據(jù)設(shè)計不同，可以形成獨特的遠場光強分布，光電探測器用于探測調(diào)制后光波所成的遠場光斑圖像，進而通過以下步驟處理遠場光斑圖像，實現(xiàn)對入射波前相位復(fù)原：

步驟1：已知入射光束近場強度分布I_near和對應(yīng)的遠場光斑圖像強度分布I_far，并設(shè)定相位反演方法中近場波前相位分布的初始值為0；

步驟2：計算二元方形衍射元件的遠場復(fù)振幅分布：

式中A_far為計算遠場光波振幅分布，為計算的遠場光波相位分布；

步驟3：對比計算的遠場光波振幅|E_far|和實際的遠場光波振幅分布計算表征兩者之間差異的評價指標(biāo)：

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

若SSE小于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，表明本次計算所用近場光波復(fù)振幅與實際入射光波擁有一致的遠場光強分布，則當(dāng)前的近場波前即為實際的光束近場相位分布，作為相位反演結(jié)果輸出，基于二元方形衍射元件的相位反演方法結(jié)束；若SSE大于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，則方法繼續(xù)；

步驟4：將遠場實際光強分布I_far平方根作為遠場光波振幅，變換后遠場光波復(fù)振幅為：

利用變化后遠場光波復(fù)振幅E′_far，計算逆向衍射后對應(yīng)二元方形衍射元件的近場光波復(fù)振幅：

式中A_near為計算近場光波振幅分布，為計算的近場調(diào)制后光波相位分布；

步驟5：將I_near的平方根作為近場光波振幅代替A_near，從而構(gòu)成新的近場調(diào)制后光波復(fù)振幅，重新進入復(fù)原方法步驟2，開始新一輪的迭代計算，直至某次迭代復(fù)原運算的步驟3滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，則基于二元方形衍射元件的相位反演方法結(jié)束，輸出反演的光束近場相位分布結(jié)果。

(三)有益效果

本發(fā)明一種基于二元方形衍射元件的相位反演方法。簡單易于實現(xiàn)，輕薄可靠，在復(fù)原算法中，描述光強分布的常規(guī)方法是x、y方向的二維矩陣，所以二元圓形衍射元件建模時其圓周邊沿有很多方形鋸齒，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，從而影響了其復(fù)原波前的精度，而二元方形衍射元件則很好地解決了上述問題，且二元方形衍射元件本身對輸入波面進行了調(diào)制，較傳統(tǒng)單幀波前反演的GS算法波前復(fù)原精度有較大提高。對大孔徑波前探測及單幀相位反演探測擁有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法原理流程圖；

圖2為本發(fā)明方法光路圖；

圖3為傳統(tǒng)GS算法示意圖，其中，圖3(a)為初始波前面型，圖3(b)為算法復(fù)原面型，圖3(c)為波前殘余誤差，圖3(d)為算法收斂曲線；

圖4為二元方形衍射元件方形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實施例一中本發(fā)明方法，其中，圖5(a)為初始波前面型，圖5(b)為算法復(fù)原面型，圖5(c)為波前殘余誤差，圖5(d)為算法收斂曲線；

圖6為二元方形衍射元件四區(qū)域邊長不同的方形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為實施例二中本發(fā)明方法，其中，圖7(a)為初始波前面型，圖7(b)為算法復(fù)原面型，圖7(c)為波前殘余誤差，圖7(d)為算法收斂曲線；

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為二元方形衍射元件，2為光電探測器件。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

本發(fā)明是基于二元方形衍射元件的相位反演方法，核心思想是通過二元方形衍射元件對波前進行調(diào)制，在遠場產(chǎn)生特殊的光場分布，增加了算法的約束條件，元件簡單，輕便，適合大孔徑及超大孔徑光波探測，可實現(xiàn)基于單幀遠場圖像的準(zhǔn)確近場相位反演。

實施例一

在本發(fā)明的示例性實施例中，提供了一種基于方形結(jié)構(gòu)二元衍射元件的相位反演方法。

請參照圖1～5，本實施例方法包括：

圖2是系統(tǒng)光路圖，實施例中待測的入射光波波前相位是由65階Zernike多項式組成的隨機波前(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，圖4為方形結(jié)構(gòu)二元方形衍射元件結(jié)構(gòu)圖。

光學(xué)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括二元方形衍射元件1和光電探測器2，二元方形衍射元件1，由0、pi的相位間隔構(gòu)成，根據(jù)設(shè)計不同，可以形成獨特的遠場光強分布，光電探測器2用于探測調(diào)制后光波所成的遠場光斑圖像，進而通過以下步驟處理遠場光斑圖像，實現(xiàn)對入射波前相位復(fù)原：

步驟1：已知入射光束近場強度分布I_near和對應(yīng)的遠場光斑圖像強度分布I_far，并設(shè)定相位反演方法中近場波前相位分布的初始值為0。

步驟2：計算二元方形衍射元件的遠場復(fù)振幅分布：

式中A_far為計算遠場光波振幅分布，為計算的遠場光波相位分布；

步驟3：對比計算的遠場光波振幅|E_far|和實際的遠場光波振幅分布計算表征兩者之間差異的評價指標(biāo)：

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

若SSE小于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，表明本次計算所用近場光波復(fù)振幅與實際入射光波擁有一致的遠場光強分布，則當(dāng)前的近場波前即為實際的光束近場相位分布，作為相位反演結(jié)果輸出，基于二元方形衍射元件的相位反演方法結(jié)束；若SSE大于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，則方法繼續(xù)；

步驟4：將遠場實際光強分布I_far平方根作為遠場光波振幅，變換后遠場光波復(fù)振幅為：

利用變化后遠場光波復(fù)振幅E′_far，計算逆向衍射后對應(yīng)二元方形衍射元件的近場光波復(fù)振幅：

式中A_near為計算近場光波振幅分布，為計算的近場調(diào)制后光波相位分布；

步驟5：將I_near的平方根作為近場光波振幅代替A_near，從而構(gòu)成新的近場調(diào)制后光波復(fù)振幅，重新進入復(fù)原方法步驟2，開始新一輪的迭代計算，直至50次迭代復(fù)原運算后滿足步驟4判定標(biāo)準(zhǔn)，則基于二元方形衍射元件的相位反演方法結(jié)束，輸出反演的光束近場相位分布結(jié)果。

將傳統(tǒng)單幀GS算法迭代200次后仍遠達不到步驟4判定標(biāo)準(zhǔn)，所以同樣迭代50次，與本發(fā)明方法進行對比。圖3為傳統(tǒng)GS算法復(fù)原結(jié)果，圖3(a)為初始波前面型(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，圖3(b)為算法復(fù)原面型(PV＝3.721rad，rms＝0.8062rad)，圖3(c)為波前殘余誤差(PV＝1.2482rad，rms＝0.1267rad)，圖3(d)為算法收斂曲線；圖5為實施例一中本發(fā)明方法復(fù)原結(jié)果，圖5(a)為初始波前面型(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，圖5(b)為算法復(fù)原面型(PV＝3.7785rad，rms＝0.7974rad)，圖5(c)為波前殘余誤差(PV＝0.2332rad，rms＝0.0291rad)，圖5(d)為算法收斂曲線?？梢钥闯霰景l(fā)明方法波前復(fù)原細節(jié)、精度都較傳統(tǒng)方法有較大提高。收斂更快，且不容易停滯，相同迭代次數(shù)下，本發(fā)明方法相較傳統(tǒng)方法精度提高近5倍。

本實施例中，基于二元方形衍射元件的相位反演方法，核心思想是通過二元方形衍射元件對波前進行調(diào)制，在遠場產(chǎn)生特殊的光場分布，能對單幀遠場圖像進行較準(zhǔn)確的相位反演。

實施例二

在本發(fā)明的示例性實施例中，提供了一種基于四區(qū)域邊長不同的方形結(jié)構(gòu)二元方形衍射元件的相位反演方法。

請參照圖1，圖2，圖3，圖6，圖7，本實施例方法包括：

圖2是系統(tǒng)光路圖，實施例中待測的入射光波波前相位是由65階Zernike多項式組成的隨機波前(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，圖6為四區(qū)域邊長不同的方形結(jié)構(gòu)二元方形衍射元件結(jié)構(gòu)圖。

步驟1：已知入射光束近場強度分布I_near和對應(yīng)的遠場光斑圖像強度分布I_far，并設(shè)定相位反演方法中近場波前相位分布的初始值為0。

步驟2：計算二元方形衍射元件在焦面附近的遠場復(fù)振幅分布：

式中A_far為計算遠場光波振幅分布，為計算的遠場光波相位分布；

步驟3：對比計算的遠場光波振幅|E_far|和實際的遠場光波振幅分布I_far計算表征兩者之間差異的評價指標(biāo)：

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

若SSE小于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，表明本次計算所用近場光波復(fù)振幅與實際入射光波擁有一致的遠場光強分布，則當(dāng)前的近場波前即為實際的光束近場相位分布，作為相位反演結(jié)果輸出，基于二元方形衍射元件的相位反演方法結(jié)束；若SSE大于設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，則方法繼續(xù)；

步驟4：將遠場實際光強分布I_far平方根作為遠場光波振幅，變換后遠場光波復(fù)振幅為：

利用變化后遠場光波復(fù)振幅E′_far，計算逆向衍射后對應(yīng)二元方形衍射元件的近場光波復(fù)振幅：

式中A_near為計算近場光波振幅分布，為計算的近場調(diào)制后光波相位分布；

步驟5：將I_near的平方根作為近場光波振幅代替A_near，從而構(gòu)成新的近場調(diào)制后光波復(fù)振幅，重新進入復(fù)原方法步驟2，開始新一輪的迭代計算，直至50次迭代復(fù)原運算后滿足步驟3判定標(biāo)準(zhǔn)，則基于二元方形衍射元件的相位反演方法結(jié)束，輸出反演的光束近場相位分布結(jié)果。

將傳統(tǒng)單幀GS算法迭代200次后仍遠達不到步驟4判定標(biāo)準(zhǔn)，所以同樣迭代50次，與本發(fā)明方法進行對比。圖3為傳統(tǒng)GS算法復(fù)原結(jié)果，圖3(a)為初始波前面型(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，圖3(b)為算法復(fù)原面型(PV＝3.721rad，rms＝0.8062rad)，圖3(c)為波前殘余誤差(PV＝1.2482rad，rms＝0.1267rad)，圖3(d)為算法收斂曲線；圖7為實施例二中本發(fā)明方法復(fù)原結(jié)果，圖7(a)為初始波前面型(PV＝3.7415rad，rms＝0.8082rad)，圖7(b)為算法復(fù)原面型(PV＝3.7519rad，rms＝0.8038rad)，圖7(c)為波前殘余誤差(PV＝0.0934rad，rms＝0.0102rad)，圖7(d)為算法收斂曲線?？梢钥闯霰景l(fā)明方法波前復(fù)原細節(jié)、精度都較傳統(tǒng)方法有較大提高。收斂更快，且不容易停滯，相同迭代次數(shù)下，本發(fā)明方法相較傳統(tǒng)方法精度提高十幾倍。

本實施例中，基于四區(qū)域邊長不同的方形結(jié)構(gòu)二元方形衍射元件的相位反演方法，核心思想是通過不同區(qū)域的衍射元件排布不同對波前進一步調(diào)制，在遠場產(chǎn)生更加特殊的光場分布，能對單幀遠場圖像進行較準(zhǔn)確的相位反演。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明基于二元方形衍射元件的相位反演方法有了清楚的認(rèn)識。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之中。