[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

说明书

一种基于振幅调制的波前在线快速重建装置和重建方法，装置包括：沿待测光束传播方向依次经过可变光阑、振幅型波前调制板、光斑探测器，该光斑探测器的输出端与计算机相连，所述振幅型波前调制板由二元随机调制区、全反射区、光栅定位区组成，可实现对波前的随机调制和光路参数的修正，利用单幅衍射光斑通过匹配的迭代算法就可以实现待测波前复函数的快速重建，且适用于不同波长，不需要额外标定，可用于可见光、X射线和电子束等不同光源的波前动态在线测量、光学元件离线检测和样品成像，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及波前相位恢复、波前测量及成像，特别是一种基于振幅调制的波前在线快速重建装置和重建方法。

背景技术

为获得波前的完整信息，不仅需要得到振幅分布，还需要完整的相位信息，但不同于强度信息，波前相位信息无法通过探测器直接测量，只能通过简介测量的方式实现，目前干涉法，如干涉仪、数字全息及剪切干涉仪等，是常用的相位测量方法之一，在光学计量和成像等领域具有广泛的应用前景，但是由于需要参考光，结构较为复杂，对环境稳定性要求较高，随着测量口径的增加，成本随指数增加，且核心技术被国外所垄断，在波前在线测量领域也应用受限。此外哈特曼传感器也是一种常用的波前测量方式，但受限于微透镜阵列的加工精度和探测器分辨率的影响，其测量精度较低，仅能满足一些对精度要求不高的场合。除此之外，相位恢复算法也是一种有效的波前测量方法，它利用记录的强度信息，通过迭代计算，可以恢复出强度分布对应的相位信息，并且由于仅涉及到衍射过程，不需要参考光，因此理论上能够达到衍射极限精度，特别地，由于对于透镜质量要求不高，因此在高质量透镜难以加工的X射线和电子束成像领域具有广泛应用。但相位恢复算法目前面临的关键问题是如何保证迭代过程的收敛性，收敛速度也是相干衍射成像技术的发展瓶颈。Ptychography这一类算法通过记录多幅衍射光斑的方式很好地解决了收敛问题，通过将待测样品在垂直于光轴平面内平移，并在每个位置处分别记录对应的衍射光斑，通过多光斑引入的数据冗余提升收敛速度，目前在光学计量、显微成像、荧光成像、时间波形测量等领域得到了广泛应用，但由于需要多次扫描并记录多幅衍射光斑，因此很难实现脉冲光束的在线测量，因此在对测量或者曝光时间有特殊要求的场合，很难得到广泛应用，例如在高功率激光驱动器中，需要对驱动器输出波前的近场强度、近场相位和远场强度进行测量，但由于是脉冲光束，因此只能记录单幅衍射光斑，难以利用Ptychography类方法实现波前在线测量。此外，虽然Ptychography类算法在X射线和电子束领域已经具有广泛应用，但是对于一些特殊样品，如非染色的生物样品切片，由于X射线和电子束对于样品具有破坏作用，不能进行过多的平移和曝光，因此亟需利用单次曝光实现波前快速重建的装置和方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术在单次曝光波前在线测量和成像领域的缺点，提出一种波前在线快速重建装置和重建方法，只需要一片振幅型波前调制板，就可以通过记录的单幅衍射光斑实现波前快速重建，最终实现波前参数诊断和成像的目的，且振幅型调制板加工难度远远低于相位型，目前的加工精度足以不需要重新标定，同一个装置适用于不同波长，在可见激光、X射线和电子束成像、光学计量等领域都具有广泛的应用前景。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于振幅调制的波前在线测量及成像的装置，包括：沿待测光传播方向依次放置的可变光阑、振幅型波前调制板和光斑探测器，以及与该光斑探测器相连的计算机，所述的可变光阑可根据待测光束直径大小来调节通光口径，其特征在于，所述的振幅型波前调制板划分有至少一个二元振幅调制区、一个反射区和一个光栅定位区，所述的二元振幅调制区位于所述的振幅型波前调制板的中心位置处，由透光区域和不透光区域组成，所述的反射区位于所述的振幅型波前调制板的边缘位置处，可将待测光返回，所述的光栅定位区为二元黑白光栅，且位于所述的振幅型波前调制板的边缘位置处，待测光经过振幅型波前调制板调制后，利用光斑探测器记录其衍射光斑强度分布，并由计算机保存并计算恢复得到待测波前的复振幅分布。

所述的反射区用于校准振幅型波前调制板同光斑探测器靶面之间的俯仰角，所述的光栅定位区用于光栅空间位置定位。