[发明专利]基于振幅调制的波前在线快速重建装置和重建方法

权利要求书

1.一种基于振幅调制的波前在线快速重建装置，其特征在于，包括：沿待测光传播方向依次放置的可变光阑(1)、振幅型波前调制板(2)和光斑探测器(3)，该光斑探测器(3)的输出端与计算机(4)相连，所述的振幅型波前调制板(2)划分有至少一个二元振幅调制区(5)、一个反射区(6)和一个光栅定位区(7)，所述的二元振幅调制区(5)位于所述的振幅型波前调制板(2)的中心位置，由透光区域和不透光区域组成，所述的反射区(6)位于所述的振幅型波前调制板(2)的边缘位置，可将待测光返回，所述的光栅定位区(7)为二元黑白光栅，且位于所述的振幅型波前调制板(2)的边缘位置，待测光经过振幅型波前调制板(2)调制后，所述的光斑探测器(3)记录其衍射光斑强度分布送所述的计算机(4)，所述的计算机(4)计算恢复待测波前的复振幅分布。

2.根据权利要求1所述的基于振幅调制的波前在线快速重建装置，其特征在于，所述的反射区(6)用于校准振幅型波前调制板(2)同光斑探测器(3)靶面之间的俯仰角，所述的光栅定位区(7)用于光栅空间位置定位。

3.一种利用权利要求1所述的基于振幅调制的波前在线快速重建装置进行光束相位重建的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)光路调整：将一束细光束穿过所述的可变光阑(1)并垂直照射到光斑探测器(3)上，调整光斑探测器(3)俯仰角，使其反射光再次穿过可变光阑(1)，将所述的振幅型波前调制板(2)放置于可变光阑(1)和光斑探测器(3)之间，并使所述的细光束照射到振幅型波前调制板(2)的反射区(6)，调整振幅型波前调制板(2)的俯仰角使反射光也再次穿过可变光阑(1)，此时平移细光束使其照射到振幅型波前调制板(2)的光栅定位区(7)，使光栅定位区(7)的多级散射斑照射到光斑探测器(3)上，并通过计算机(4)记录对应光斑，得到多级散射斑的平均距离，同时根据光栅定位区(7)的光栅参数，反向推导计算得到振幅型波前调制板(2)与光斑探测器(3)之间的实际距离，光路调整完毕；

2)将待测光束引入到上述光路，同时调整所述的可变光阑(1)半径，使待测光束完全入射到振幅型波前调制板(2)的二元振幅调制区(5)，所述的光斑探测器(3)记录单幅衍射光斑分布I送所述的计算机(4)保存，完成数据记录；

3)通过迭代运算实现波前再现，具体如下：

对振幅型波前调制板(2)入射光复振幅分布进行初始猜测得到初始照明光illu₁，其中下标1代表第一次迭代，初始照明光illu₁为m行n列的矩阵，第k次迭代过程如下：

①按下列公式计算振幅型波前调制板(2)的出射光F_k：

F_k＝illu_k·H

其中，H为振幅型波前调制板(2)的透过率函数，是m行n列的二元矩阵，用0值表示不透光区域，1值表示透光区域的透过率，相位延迟是常数，忽略不计；

通过标量衍射理论计算振幅型波前调制板(2)的出射光F_k在光斑探测器(3)对应的衍射光强度为D_k，按下列公式计算强度误差R_k：

其中，|D_k|表示D_k的振幅；

②利用记录的单幅衍射光斑分布I，按下列公式计算修正后的衍射光D_k′，公式如下：

其中，为D_k的相位；

将修正后的衍射光D′_k逆传播到振幅型波前调制板(2)所在平面得到振幅型波前调制板(2)的更新后的出射光复振幅分布F′_k；

③按照如下公式对振幅型波前调制板(2)照明光illu_k进行更新，得到振幅型波前调制板(2)新的照明光illu′_k：

即振幅型波前调制板(2)不透光区域保持不变，透光区域替换为F′_k所对应的值；

④逆传播新的照明光illu′_k到可变光阑(1)所在平面，得到可变光阑(1)的出射光G_k，按下列公式计算修正后的出射光G′_k：

G′_k＝illu′·K

其中，K为可变光阑(1)的孔函数；

⑤正向传播修正后的出射光G′_k到振幅型波前调制板(2)所在面，得到振幅型波前调制板(2)新的照明光illu″_k，并作为下一次迭代的初始值illu_k+1；

⑥重复步骤①到⑤直到强度误差R_k小于0.01，停止迭代过程，最终得到illu，即为待测波前的复振幅分布，根据标量衍射理论，计算待测波前在任意平面的分布，最终实现波前参数在线测量和成像。