[发明专利]一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法

说明书

本发明公开了一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，属于光学相位恢复及相位测量领域。该方法的光学实现系统包括沿轴向依次设置的激光源、二元振幅掩膜、样品、光电探测器；通过将二元振幅掩膜沿轴向方向平移两次，得到三个不同的衍射光场，从而得到三幅衍射图像，然后结合相位恢复算法实现待测样品的准确重构，得到样品的波前分布。本发明方法可以降低实验设备要求，避免复杂的光路系统设计；同时二元振幅掩膜易于加工，且无需进行具体调制分布的预先标定，对于恢复连续分布的复振幅物体具有高收敛速度和高精度的特点，是一种实用而有效的方法。

技术领域

本发明属于光学相位恢复及相位测量领域，具体涉及一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，这种方法能通过记录物体的衍射强度来恢复物体的波前信息。

背景技术

相干激光光源照明物体，会产生携带着物体振幅和相位信息的衍射光波，通常这种衍射光波的振幅信息可以被电荷耦合器件、光电传感器等感光设备所直接测量，但是其相位信息却不能被直接测量得到，因此相位恢复技术被提出来用以实现相位信息的准确测量，这是一种无需干涉测量就能重建波前的技术，该技术旨在获取探测过程中丢失的波前，并利用已知的测量强度直接计算波前，大大简化了实验设备，降低了实验成本。目前相位恢复技术已经成功地应用于生物细胞成像、层析成像、超分辨成像等领域。1971年格西博格等人提出了Gerchberg-Saxton(GS)算法，这种算法只需要一个记录平面来进行迭代计算成像，但由于约束条件的不足，容易陷入局部最小，难以得到理想的全局最优解，此外，在传播过程中还存在停滞的问题。为了克服这一缺点，基于相干调制成像的相位恢复算法被提出，多组相位调制或振幅调制被引入测量光路中，用以增强光场约束，以实现高精度高收敛速度的成像。

相干调制成像的方法往往需要数字微镜设备或空间光调制器来实现动态和实时的光场调制，但这类设备的引入并不利于光路系统的小型化和集成化，并且实验成本也随之增加，此外，还需要额外对设备进行参数校正。近年来，相位恢复技术出现了一种采用随机相位板来调制光场的策略，但是这种方法的实现对准确的调制相位分布有着严格的要求，且相位板的制造成本较高，加工复杂，加工成品的相位边缘锐利度往往会因为受限于加工精度而难以提高，影响成像结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有的相干调制成像方法的实验设备复杂的问题，提出一种实验装置简洁、操作简单、成本低廉、成像精度高、成像速度快的相位恢复方法。

本发明提出的技术方案如下：

一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，该方法的光学实现系统包括沿轴向依次设置的激光源、二元振幅掩膜、样品、光电探测器，所述激光源发出的激光照射二元振幅掩膜产生调制光场，所述样品在调制光场的作用下发生衍射，所述光电探测器探测并记录衍射图像；其特征在于，将所述二元振幅掩膜沿轴向方向平移两次，得到三个不同的衍射光场，从而得到三幅衍射图像，然后结合相位恢复算法实现待测样品的准确重构，得到样品的波前分布。

具体地，该方法包括以下步骤：

S1.确定二元振幅掩膜的透过率函数m；

S2.确定二元振幅掩膜与样品之间的初始距离z₁的取值范围：z₁N*△x²/λ，其中N为有效探测面积的采样点数，△x是有效探测面积的采样间隔，λ是激光波长；

S3.确定样品和探测器的距离z的取值范围：△x*(L_ccd+L_mod)/λ＜zN*△x²/λ，其中L_ccd是探测器的轴向长度，L_mod是二元振幅掩膜的轴向长度；

S4.根据步骤S2-S3，选取z₁、z的具体取值，使激光照射二元振幅掩膜，产生调制光场来照射样品，并通过光电探测器记录衍射图像I₁；