[发明专利]基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法

说明书

一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法，待测光束经过特殊设计的波前调制器后，其衍射光斑具备可分割性，同时波前调制器频谱也具备可分割性，等效为待测光束经过多个不同波前调制器后，得到多个衍射光斑，利用匹配迭代算法，可以快速重建得到待测波前的复振幅分布，最终实现单次曝光下的波前重建和相位成像。

技术领域

本发明涉及波前相位恢复，特别是一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法。

背景技术

相位信息测量在成像和测量等领域具有极其重要的作用，但由于相位分布目前无法直接测量，因此只能通过间接测量的方式来实现，利用记录的衍射光斑强度信息，相干衍射成像(CDI，coherent diffractive imaging)(J.M.Rodenburg,PtychographyandRelated Diffractive Imaging Methods,inAdvances in Imaging and ElectronPhysics,Hawkes,ed.(Elsevier,2008),pp.87-184.)可以通过迭代计算重建得到丢失的相位信息，实现对衍射光斑的相位恢复，结合记录得到的强度信息，进而得到波前完整的复振幅分布，实现波前重建，从而可以利用衍射理论计算得到任意平面的复振幅分布，实现对特定平面的相位成像。该类方法结构简单，作为一种非透镜成像技术，理论上能够达到衍射极限分辨率，特别在X射线和电子束成像领域，由于高质量的成像透镜难以加工，传统直接成像法分辨率受到极大约束，CDI技术由于不需要高质量透镜，因此是一种极为重要的成像技术，同时在其他波段也具有广泛应用。然而收敛性是CDI算法所面临的关键问题，收敛性差直接导致成像失败，因此，为实现快速收敛需要增加额外的约束条件，ptychography算法(H.M.L.Faulkner and J.M.Rodenburg,MovableAperture Lensless TransmissionMicroscopy:ANovel Phase RetrievalAlgorithm,Physical Review Letters 93,023903(2004).)通过将样品在垂直于光轴平面内平移，记录一系列衍射光斑，利用相邻两次平移时引入的冗余信息，很好地解决了收敛性问题，具有非常高的收敛速度和抗干扰能力，在可见光、X射线、电子束领域都得到了验证和广泛应用。然而在很多情况下应用条件决定了不能进行多次扫描，比如对脉冲激光的在线测量，或者对易受X射线损伤的生物样品进行成像，多次扫描的方式是不适用的，因此单次曝光测量依然具有广泛的需求基础，亟需发展具备快速收敛能力的单次曝光相位恢复装置和算法。

发明内容

本发明针对上述现有技术在单次曝光波前重建和相位成像领域的不足，提出了一种简单有效的单次曝光波前重建装置和算法，利用特定设计波前调制器，实现单次曝光下的相位恢复，该调制器可以通过频谱分解等效为多个不同的子波前调制器，同时子波前调制器对应的子衍射光斑也可以有效分割，实现单次曝光下的动态调制作用，通过增加调制次数增强约束力，实现单次曝光下的波前快速重建。

本发明的技术解决方案如下:

一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置，特征在于其构成包括：待测光束、波前调制器和光斑探测器，其中待测光束为相干光或者部分相干光；波前调制器为振幅型、相位型或者振幅相位型波前调制板，光斑探测器位于波前调制器的夫琅和费衍射面上，同时波前调制器具备以下特点：根据波前调制器频谱强度的分布，可以将其频谱分割出多个能量相近且空间相对独立的子频谱，各个子频谱之间在空间上具备一定间断性，在不考虑各个子频谱之间的空间平移的条件下，各个子频谱之间强度分布各不相同，将各个子频谱单独截取出后逆傅里叶变换可得到多个不同的波前调制器，即波前调制器具备频谱空间可分割性，通过在频谱空间上的分割可分解出多个复振幅透过率不同的子波前调制器。

所述波前调制器为基于二元光学设计理论得到的振幅型、相位型或者振幅相位型波前调制板。所述的一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：