CN106990694B - 一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置及方法，包括部分相干光产生单元和物体相位测量单元，所述部分相干光产生单元包括激光器、扩束镜、聚焦透镜、旋转毛玻璃片、准直透镜和高斯滤波片，还可在扩束镜与聚焦透镜之间设置螺旋相位板；所述物体相位测量单元包括分束镜、空间光调制器、反射镜、多孔阵列板、傅里叶透镜、电荷耦合元件和计算机。本发明与迭代算法相比，恢复过程更为快捷，能够实现实时化的物体信息恢复；与模式展开法相比，应用范围更广，能够实现关联结构未知的部分相干光照明下的物体信息恢复；同时本方法可以拓展应用于X射线的无透镜衍射成像；具有装置简单、应用范围广、恢复速度快等优点，具有重要的应用前景。

Description

一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置及方法。

背景技术

对于一个包含振幅和相位信息的未知物体，可以通过电荷耦合元件对物体振幅信息进行直接观测，而相位信息并不能被直接获得，因此如何从强度信息中获取未知物体的相位信息成为了人们研究的一个重要课题。从强度信息中获取物体相位信息的技术叫做波前探测技术或者相位恢复，通过衍射或者干涉的方法获取物体相位信息以实现二维、三维成像的方法叫做相干衍射成像，该技术广泛运用于图像信息处理、微纳光学、自适应光学、材料科学以及量子层析等领域。随着相干衍射成像技术的飞速发展，分辨率已达到纳米量级，恢复装置也愈加智能、实时化。

在研究波前探测技术和相位恢复时，大多都假设照明光源为完全相干光，但实际应用中，例如高分辨波前探测，往往使用x射线或者电子束作为光源进行相位恢复，这些都不是完全相干光。此外，当一束完全相干光经过介质传输以后，其空间相干性也会降低，在这些情况下，仍然将其作为完全相干光进行处理，会存在一些问题。

实现相位恢复的方法有很多种，最早是在1952年，David Sayre提出利用香农定理通过测量更高密度的光强来实现相位恢复。至今为止，人们已经研究出了一系列相位恢复的方法，例如哈特曼波前传感技术、全息干涉技术、计算相位恢复技术和叠层技术等。

哈特曼波前传感技术主要是通过测量波前斜率来恢复相位信息(Platt B C,Shack R.History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing[J].Journalof Refractive Surgery,2001,17(5):S573-S577.)，夏克哈特曼传感器基于此技术，由微透镜阵列和电荷耦合元件构成，通过测量经过微透镜聚焦在电荷耦合元件上的光斑坐标，利用泽尼克多项式模式法算出泽尼克系数来重建波前。该技术恢复速度快、灵敏度高，已被广泛运用于天文望远镜的高分辨成像、人眼视网膜细胞分辨成像等领域。

全息干涉技术是利用干涉原理恢复物波光场的技术(Eisebitt S,Lüning J,Schlotter W F,et al.Lensless imaging of magnetic nanostructures by X-rayspectro-holography[J].Nature,2004,432(7019):885-888.)，分为拍摄和恢复两个过程，当一束参考光与物光进行干涉，干涉图中将记录该物体的相位和振幅信息，再用参考光照射全息干涉图，即可以恢复出物光的光场信息，从而提取物体的相位和振幅信息。随着全息干涉技术的飞速发展，使用电荷耦合元件记录干涉图样，而由计算机进行相位恢复的过程，该技术成为数字全息技术，被广泛运用在三维图像重构、数字显微成像、材料无损探伤、医学诊断等方面。

计算相位恢复方法相比于前两种方法，应用范围更广，可见光以及极紫外波段皆可适用。该恢复方法是1972年提出的(Gerchberg R W.A practical algorithm for thedetermination of phase from image and diffraction plane pictures[J].Optik,1972,35:237.)，利用迭代算法从拍摄到的衍射光斑的强度信息中恢复相位信息，该恢复方法可以用于以X射线或者自由电子束为光源的成像系统中，实现无透镜衍射成像和相位恢复，从而减小成像系统误差，简化系统结构，因此具有极大的前景。另一种利用迭代算法的叠层成像技术(Rodenburg J M,Faulkner H M L.A phase retrieval algorithm forshifting illumination[J].Applied physics letters,2004,85(20):4795-4797.)，是近十年来新兴的技术，通过寻找样本进行重叠扫描的模式下，满足多幅远场衍射强度图像约束的唯一复数解，因不受光学聚焦原件的限制，从而可以突破衍射极限实现超分辨成像。

然而这些技术都存在一定的缺点和弊端，计算相位恢复方法的迭代算法需要大量的迭代次数和迭代时间，对于复杂相位物体，无法实现信息的快速、实时恢复，甚至会出现得不到唯一解的情况。且现有的迭代算法处理部分相干光时，会假设光源的互相关函数为高斯谢尔模，利用模式展开进行处理，然而当相干度很低的情况下，需要很多的模式数才可以正确恢复相位信息，且对于关联函数未知的光源，该模式展开的方法将不再适用。

基于以上部分相干光照明下的物体信息恢复方面存在的缺陷，本专利创新性的提出一种新型的部分相干光照明下的相位信息恢复非迭代方法，本方法具有应用范围广、恢复速度快、装置简单等优点，具有重要的科研及实际应用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置及方法，避开迭代算法的冗长和复杂，弥补模式展开法的弊端，可以实现在传统关联或关联结构复杂甚至未知的光源照明下，相位物体信息的正确、实时恢复。

本发明的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，包括部分相干光产生单元和物体相位测量单元，所述物体相位测量单元包括

-分束镜，用于透射所述部分相干光产生单元产生的部分相干光，并反射经由空间光调制器调制后的光束；

-空间光调制器，垂直于所述部分相干光产生单元的光轴放置，用于加载待测相位物体和对待测相位物体进行相位扰动的扰动点，所述空间光调制器反射所述分束镜透射的光，并让调制后的光经过所述分束镜再次发生反射；

-多孔阵列板，供所述分束镜反射的光束穿过，所述多孔阵列板上设有周期排列的二维小孔阵列并在阵列中心附近设有一个参考小孔，所述多孔阵列板上的参考小孔对准所述分束镜反射的光束，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离满足z≥d*L/λ，其中，d是多孔阵列板上小孔间的间隔，L是待测相位物体最宽处的尺寸，λ是部分相干光产生单元中激光光源的波长；

-傅里叶透镜，紧挨所述多孔阵列板之后放置，或能够使所述多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上，用于对穿过所述多孔阵列板的光束进行傅里叶变换；

-电荷耦合元件，放置在傅里叶平面处拍摄光强信息；

-计算机，与所述空间光调制器和电荷耦合元件连接，控制所述空间光调制器上的相位加载，并对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选以及反传输处理，获得物体的相位信息。

进一步的，当目的为产生传统高斯关联的部分相干光时，所述部分相干光产生单元包括依次设置的激光器、对激光器发出的激光束进行扩束的扩束镜、对光束进行准直的准直透镜和对光束进行整形的高斯滤波片，由所述高斯滤波片出来的光透射过所述分束镜，到达所述空间光调制器。

进一步的，当目的为产生拉盖尔高斯关联的部分相干光时，所述部分相干光产生单元包括依次设置的所述激光器、对激光器发出的激光束进行扩束的扩束镜、对扩束后的光进行相位改变的螺旋位相板、对光束进行准直的准直透镜和对光束进行整形的高斯滤波片，由所述高斯滤波片出来的光透射过所述分束镜，到达所述空间光调制器。

进一步的，所述部分相干光产生单元还包括相干度调节组件，所述相干度调节组件包括对经所述扩束镜扩束后的光束或经所述螺旋位相板改变相位的光束进行聚焦的透镜，以及对聚焦后的光束进行散射的旋转毛玻璃，经所述旋转毛玻璃散射出来的光由所述准直透镜进行准直。

进一步的，所述分束镜反射的光束还可通过反射镜反射到所述多孔阵列板上。

进一步的，所述扰动点位于待测相位物体的任意位置，其尺寸远小于待测物体尺寸，其相位赋值有异于原待测相位物体于该位置的相位即可。

进一步的，通过激光在不透光的基板上刻蚀一个参考小孔和以参考小孔为圆心向x和y方向各偏移一定距离再对称激光刻蚀二维小孔阵列，形成所述多孔阵列板，各二维小孔间的间隔需满足d≤z*λ/L，其中z为物平面到所述多孔阵列板的距离，L是待测相位物体最宽处的尺寸，λ是部分相干光产生单元中激光光源的波长；偏移量的大小满足a/2≤Δx＝Δy≤d/2-a/2，其中a为二维小孔的尺寸；参考小孔和各二维小孔的尺寸一致，需满足远小于待测物体尺寸，且小于二维小孔间隔的三分之一；所述多孔阵列板的结构也可以通过所述空间光调制器模拟。

进一步的，所述空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器。

进一步的，所述分束镜是光强50：50的半透半反镜。

本发明的利用上述部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置进行非迭代相位恢复的方法，包括步骤：

(1)通过部分相干光产生单元获取高斯关联的部分相干光或拉盖尔高斯关联的部分相干光，通过调整用来聚焦的所述透镜在光轴上的前后位置，来改变聚焦在所述旋转毛玻璃上的光斑大小以调整光源的空间相干性；

(2)将部分相干光传输至所述物体相位测量单元，使部分相干光经过待测相位物体并记录光强信息：

(21)当部分相干光为高斯关联的部分相干光时，记录两次光强，第一次拍摄——加载待测相位物体：将准备好的图片设置为灰度图模式，当该图片加载到纯相位的所述空间光调制器上时，灰度值将转化为对应的相位；第二次拍摄——在待测相位物体任意位置放置一个扰动点，其尺寸需远小于待测物体尺寸，其相位赋值有异于原待测相位物体于该位置的相位即可；将两次拍摄得到的光强信息，输送到计算机进行处理：首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出物体相位信息；所述筛选阵列的筛选小孔为周期排列的二维小孔，由所述计算机产生，各筛选小孔的边长及间隔与所述多孔阵列板一致；

(22)当部分相干光为拉盖尔高斯关联的部分相干光时，记录四次光强，第一次拍摄——加载待测相位物体：将准备好的图片设置为灰度图模式，当该图片加载到纯相位的所述空间光调制器上时，灰度值将转化为对应的相位；第二次拍摄——在待测相位物体任意位置放置一个扰动点，其尺寸远小于待测物体尺寸，其相位赋值有异于原待测相位物体于该位置的相位即可；第三次拍摄——移走待测相位物体但不移走扰动点，即将原待测相位物体所在区域的相位设置为0；第四次拍摄——移走扰动相位；将第三次和第四次拍摄得到的两次光强信息，输送到计算机进行处理：首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出光源的交叉谱密度信息及其相位信息；将第一次和第二次拍摄得到的两次光强信息，输送到计算机进行处理：首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出受光源相位影响的物体相位信息；最后用受光源相位影响的物体相位除去光源的相位，即可获得正确的物体相位信息；所述筛选阵列的筛选小孔为周期排列的二维小孔，由所述计算机产生，各筛选小孔的边长及间隔与所述多孔阵列板一致。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

针对部分相干光照明下物体相位信息的恢复，与迭代算法相比，本发明更为快捷、实时化，较模式展开这种处理部分相干光的迭代算法，应用范围更广，对于处理关联结构复杂甚至未知的部分相干光照明情况下，物体相位的恢复有着独特的优势；本发明的无透镜衍射成像的相位恢复装置，可以拓展到X射线成像系统中，因而在实际应用中有着极为重要的意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置的结构示意图；

图2是在空间光调制器上加载待测相位物体和扰动的一个示例，其中图2(a)为只加载物体信息，图2(b)在物体信息上加载了一个扰动；

图3(a)是本发明所用的多孔阵列板的中心部分细节图；图3(b)是计算机恢复时使用的筛选阵列的中心部分细节图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出的相位恢复方法包含三个过程：产生高斯关联或者特殊关联的部分相干光源、经过携带相位信息的物体并记录光强和计算机处理以恢复相位。其对应的结构装置如附图1所示。

首先产生部分相干光源，照射到待测物体后经过多孔阵列板，利用电荷耦合元件记录傅里叶平面的光斑光强。一般情况下，恢复待测物体完整的相位信息只需要进行两次拍摄。第一次拍摄，是让光源照射待测物体后，传输一段距离到达经过特别设计的多孔阵列板，再由放置在傅里叶平面的电荷耦合元件记录光强信息；第二次拍摄，在待测物体的中间添加扰动点，再经过同样的传输过程，由电荷耦合元件记录光强信息。两次拍摄后，利用计算机程序处理，恢复出物光信息。但是若光源不是高斯关联，恢复得到的物光信息会受到光源关联结构的影响，在这样的情况下，需要移走物体，其他不变，按照上述的步骤，再进行两次拍摄，并由计算机处理恢复，得到光源的交叉谱密度方程，最后，将两次恢复结果相除即可得到正确的物体振幅和相位信息。

本发明中高斯关联的部分相干光产生单元的结构包括：激光器1发出的激光束，由扩束镜2进行扩束，再由聚焦透镜4聚焦到旋转毛玻璃片5上，出射光由准直透镜6进行准直，并由高斯滤波片7进行整形。聚焦透镜4和旋转毛玻璃片5构成相干度调节系统，通过改变聚焦透镜4和旋转毛玻璃片5的位置，可以改变出射光相干度的大小，这是因为聚焦到旋转毛玻璃片5上的光斑大小直接影响着出射光的相干性，聚焦光斑越大，相干性越低，聚焦光斑越小，相干性越高。经过高斯滤波片7出来以后的光束就是高斯关联的部分相干光，即所需的光源。若在扩束镜2与聚焦透镜4间放置一个螺旋相位板3，而其他不变，则高斯滤波片7后产生的就是拉盖尔高斯关联的部分相干光，即所需的特殊关联的部分相干光源。

本发明中物体相位测量单元的结构具体包括：产生部分相干光源后，经过一个分束镜8，垂直入射到空间光调制器9上，该分束镜8是光强50：50的半透半反镜，空间光调制器9上加载了携带相位信息的物体，经过空间光调制器9后，由其反射出来的光经过分束镜8，再反射到多孔阵列板13上，空间光调制器9到多孔阵列板13具有一定距离，该距离满足公式z≥d*L/λ，其中d是多孔阵列板13上小孔间的间隔，L是待测物体最宽处的尺寸，λ是激光光源的波长。多孔阵列板13由周期排列的二维小孔阵列组成，并在阵列中间有一个参考小孔。到达多孔阵列板13的光束需要对准参考孔，傅里叶透镜12紧挨着多孔阵列板13之后放置，或能够使多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上，最后由电荷耦合元件11在傅里叶平面处拍摄光强信息。电荷耦合元件这里拍摄得到的光强需要输送到计算机10进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传输处理，以获得物体的相位信息。

本发明的依据和原理如下：

将光源交叉谱密度表示为W₀(ρ₁,ρ₂)，将待测物体表示为O(ρ)，那光源照射到待测物体后，传输到多孔阵列板的交叉谱密度方程可以表示为：

W(r₁,r₂)＝∫∫W₀(ρ_1,ρ2)O(ρ₁)O(ρ₂)^*P(ρ₁,r₁)P(ρ₂,r₂)^*dρ₁dρ₂ (1)

其中P(ρ,r)是从物平面到多孔阵列板的传输项。多孔阵列板可以用δ函数表示：

M(r)＝δ(r)+∑_mnδ(r-r_mn) (2)

其中r_mn＝(md+Δx,nd+Δy)是多孔阵列板上周期小孔的坐标，m和n是整数，d是阵列孔之间的间距，Δx和Δy表示的是参考孔附近的阵列孔在x和y方向由中心点产生的偏移，δ(r)表示中心的参考孔。经过多孔阵列板到达傅里叶平面的光强I(κ)，再进行反傅里叶变换，对应的则是光经过多孔阵列板后的光场的交叉谱密度方程：

其中r_mn-r_pq＝[(m-p)d,(n-q)d]，这里的p和q是整数。紧接着，用计算机程序模拟让反傅里叶变换后的交叉谱密度经过一个筛选阵列，筛选阵列和多孔阵列板的分布类似，但是缺少一个参考小孔。经过该筛选阵列，可以滤出W(-r_mn,0)或者W(0,r_mn)^*，因为多孔阵列并不是严格以参考小孔为中心，因此，只能筛选出一个交叉谱密度方程。由公式(3)得到：

其中T_O(ρ₁,ρ₂)＝∫W₀(ρ₁,ρ₂)O(ρ₂)^*P(ρ₂,0)^*dρ₂，此时如果对W(r_mn,0)进行反传输，得到的是T_O(ρ₁,ρ₂)O(ρ₁)，这并不是所要的正确信息，因此，还需要进行第二次拍摄。在待测物体上加载一个扰动，数学上表示为Cδ(ρ-ρ₀)，其中，C是一个复数常数，ρ₀是扰动的坐标。第二次拍摄得到的W′(r_mn,0)表示为：

前后结果进行相减得到：

此时再进行反向传输，就只剩下W₀(ρ₁,ρ₀)O(ρ₁)，对于高斯关联的部分相干光，其相位为1，那恢复出来的相位就是物体O(ρ₁)携带的相位，当照明光源不是高斯关联而是特殊关联的部分相干光时，需要在光路中移去物体，用同样的实验和处理方法得到W₀(ρ₁,ρ₀)，再将前后结果相除，即可得到正确的相位信息。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例一：高斯关联部分相干光照明下物体相位信息恢复。

1、高斯关联的部分相干光源的产生：其结构包括功率可调的半导体泵浦固体激光器1，其发射出的激光波长为532nm，该激光器发出的激光束由扩束镜2进行扩束，扩束后的光束由聚焦透镜4聚焦到旋转毛玻璃片5上，散射出来的光由准直透镜6进行准直，再由高斯滤波片7进行整形。由高斯滤波片出来的光即为高斯关联的部分相干光。这里，聚焦透镜4的焦距为80mm，准直透镜6的焦距为150mm。

1.1、调整光源的空间相干性：光源的空间相干性和聚焦在旋转毛玻璃片上的光斑大小有着直接的关系，因此，通过调整聚焦透镜4在光轴上的前后位置，来改变聚焦在旋转毛玻璃片5上的光斑大小，当聚焦光斑越小时，出射光的相干性越高，反之聚焦光斑越大，出射光的相干性越低。

2、光源经过物体并记录光强的单元：上一步骤产生的部分相干光源透射过分束镜8，到达反射式纯相位空间光调制器9。该分束镜是光强50：50的半透半反镜，反射式空间光调制器垂直于部分相干光产生单元的光轴放置。空间光调制器9连接着计算机10，由计算机10控制空间光调制器上的相位加载。经相位调制的出射光再次经过分束镜，发生反射，为节省装置所占的空间，该反射光经过一个反射镜14再次发生反射，传输1170mm后到达多孔阵列板13。光束由空间光调制器到多孔阵列板的传输距离需满足条件z≥d*L/λ，其中d是多孔阵列板小孔的间隔，L是待测物体最宽处的尺寸，λ是激光光源的波长。紧挨着多孔阵列板后，放置一个傅里叶透镜12，其焦距为150mm，连接着计算机10的电荷耦合元件11放置在傅里叶平面处，记录光强。

整个过程共需要两次记录光强，两次拍摄过程中的唯一区别在于空间光调制器9上的相位加载不同：第一次拍摄，加载待测相位物体，如图2(a)；第二次拍摄，在待测相位物体中间放置一个扰动点，如图2(b)，该扰动点是边长为240μm的正方形，其相位赋值等于在原待测物体于该位置的相位再减去0.8π，以达到扰动效果。

2.1、在反射式空间光调制器上加载相位信息：首先，将准备好的图片设置为灰度图模式。当该图片加载到纯相位的空间光调制器上(型号Holoeye-Pluto，像素尺寸1920×1080，像素大小8μm)，灰度值将转化为对应的相位。

2.2、设计实验中使用的多孔阵列板：利用激光刻蚀，制作一个18mm×14mm的多孔阵列板，基片整体不透光，再进行打孔，其中原点位置放置一个54μm边长的正方形小孔，再从原点向x和y方向各偏移Δx＝117μm和Δy＝117μm，以此为圆心对称布置小孔阵列，如图3(a)，其中x方向66个小孔，y方向48个小孔，每个小孔边长均为54μm，小孔间的间隔d＝270μm。值得注意的是Δx＝Δy≠d/2。(多孔阵列板也可以用透射式空间光调制器代替)。实验中，到达多孔阵列板的光束要对准参考孔。

3、计算恢复相位：两次拍摄得到的光强信息，输送到计算机10，进行处理。首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出物体相位信息。

3.1、设计计算机恢复时使用的筛选阵列：筛选阵列不是实际的物体，而是在程序处理时需要用到的筛选信息用的阵列。其分布如图3(b)，与实验用的多孔阵列板的唯一区别在于缺少中间的参考小孔，其他参数一致。

实施例二：特殊关联部分相干光照明下物体相位信息恢复。

1、特殊关联的部分相干光源的产生：其结构包括功率可调的半导体泵浦固体激光器1，其波长为532nm，该激光器发出的激光束由扩束镜2进行扩束，扩束后的光束经过拓扑荷数为2的螺旋位相板3，再由聚焦透镜4聚焦到旋转毛玻璃片5上，散射出来的光由准直透镜6进行准直，再由高斯滤波片7进行整形。这里，聚焦透镜4的焦距为80mm，准直透镜6的焦距为150mm。从高斯滤波片出来的光即为拉盖尔高斯关联的部分相干光。用拉盖尔高斯关联的部分相干光作为照明光源，来阐述关联结构复杂情况下的相位恢复过程。

1.1、调整光源的空间相干性：光源的空间相干性和聚焦在毛玻璃片上的光斑大小有着直接的关系，因此，通过调整聚焦透镜4在光轴上的前后位置，来改变聚焦在旋转毛玻璃片5上的光斑大小，当聚焦光斑越小时，出射光的相干性越高，反之聚焦光斑越大，出射光的相干性越低。

2、光源经过物体并记录光强的单元：上一步骤产生的拉盖尔高斯关联的部分相干光源透射过分束镜8，到达反射式纯相位空间光调制器9。该分束镜是光强50:50的半透半反镜，反射式空间光调制器垂直于部分相干光产生单元的光轴放置。空间光调制器9连接着计算机10，由计算机10控制空间光调制上的相位加载。经相位调制的出射光再次经过分束镜，发生反射，为节省装置所占的空间，该反射光经过一个反射镜14再次发生反射，传输1170mm后到达多孔阵列板13。光束由空间光调制器到多孔阵列板的传输距离需满足条件z≥d*L/λ，其中d是多孔阵列板小孔的间隔，L是待测物体最宽处的尺寸，λ是激光光源的波长。紧挨着多孔阵列板后，放置一个傅里叶透镜12，其焦距为150mm，连接着计算机10的电荷耦合元件11放置在傅里叶平面处，记录光强。

整个过程共需要4次光强记录，4次拍摄过程中的唯一区别在于空间光调制器9上的相位加载不同：第1次拍摄，加载待测相位物体，如图2(a)；第2次拍摄，在待测相位物体中间放置一个扰动点，如图2(b)，该扰动点是边长为240μm的正方形，其相位赋值等于在原待测物体于该位置的相位再减去0.8π，以达到扰动效果；第3次拍摄，移走相位物体而不移走扰动加载(移走相位物体指的并不是移走空间光调制器，而是将原物体所在区域的相位设置为0)；第4次拍摄，移走扰动加载。

2.1、在反射式空间光调制器上加载相位信息：首先，将准备好的图片设置为灰度图模式。当该图片加载到纯相位的空间光调制器上(型号Holoeye-Pluto，像素尺寸1920×1080，像素大小8μm)，灰度值将转化为对应的相位。

2.2、设计实验中使用的多孔阵列板：利用激光刻蚀，制作一个18mm×14mm的多孔阵列板，基片整体不透光，再进行打孔，其中原点位置放置一个54μm边长的正方形小孔，再从原点向x和y方向各偏移Δx＝117μm和Δy＝117μm，以此为圆心对称布置小孔阵列，如图3(a)，其中x方向66个小孔，y方向48个小孔，每个小孔边长均为54μm，小孔间的间隔d＝270μm。值得注意的是Δx＝Δy≠d/2。(多孔阵列板也可以用透射式空间光调制器代替)。实验中，到达多孔阵列板的光束要对准参考孔。

3、计算恢复相位：针对上述第3和第4次移走相位物体的拍摄结果：两次拍摄得到的光强信息，输送到计算机10，进行处理。首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出光源的交叉谱密度信息及其相位信息。针对上述第1和第2次带有相位物体的拍摄结果：两次拍摄得到的光强信息，输送到计算机10，进行处理。首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出受光源相位影响的物体相位信息。最后用受光源相位影响的物体相位除去光源的相位，即可获得正确的物体相位信息。

3.1、设计计算机恢复时使用的筛选阵列：筛选阵列不是实际的物体，而是在程序处理时需要用到的筛选信息用的阵列。其分布如图3(b)，与实验用的多孔阵列板的唯一区别在于缺少中间的参考小孔，其他参数一致。

整个过程包含四次光强记录和数据处理，处理过程简单，因此整个过程耗时极短，几乎可以实现实时恢复。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：包括部分相干光产生单元和物体相位测量单元，所述物体相位测量单元包括

-分束镜，用于透射所述部分相干光产生单元产生的部分相干光，并反射经由空间光调制器调制后的光束；

-空间光调制器，垂直于所述部分相干光产生单元的光轴放置，用于加载待测相位物体和对待测相位物体进行相位扰动的扰动点，所述空间光调制器反射所述分束镜透射的光，并让调制后的光经过所述分束镜再次发生反射；

-多孔阵列板，供所述分束镜反射的光束穿过，所述多孔阵列板上设有周期排列的二维小孔阵列并在阵列中心附近设有一个参考小孔，所述多孔阵列板上的参考小孔对准所述分束镜反射的光束，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离满足z≥d*L/λ，其中，d是多孔阵列板上小孔间的间隔，L是待测相位物体最宽处的尺寸，λ是部分相干光产生单元中激光光源的波长；

-傅里叶透镜，紧挨所述多孔阵列板之后放置，或能够使所述多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上，用于对穿过所述多孔阵列板的光束进行傅里叶变换；

-电荷耦合元件，放置在傅里叶平面处拍摄光强信息；

-计算机，与所述空间光调制器和电荷耦合元件连接，控制所述空间光调制器上的相位加载，并对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选以及反传输处理，获得物体的相位信息；

当目的为产生传统高斯关联的部分相干光时，所述部分相干光产生单元包括依次设置的激光器、对激光器发出的激光束进行扩束的扩束镜、对光束进行准直的准直透镜和对光束进行整形的高斯滤波片，由所述高斯滤波片出来的光透射过所述分束镜，到达所述空间光调制器；

所述部分相干光产生单元还包括相干度调节组件，所述相干度调节组件包括对经所述扩束镜扩束后的光束改变相位的光束进行聚焦的透镜，以及对聚焦后的光束进行散射的旋转毛玻璃，经所述旋转毛玻璃散射出来的光由所述准直透镜进行准直。

2.根据权利要求1所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：当目的为产生拉盖尔高斯关联的部分相干光时，所述部分相干光产生单元包括依次设置的所述激光器、对激光器发出的激光束进行扩束的扩束镜、对扩束后的光进行相位改变的螺旋位相板、对光束进行准直的准直透镜和对光束进行整形的高斯滤波片，由所述高斯滤波片出来的光透射过所述分束镜，到达所述空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：所述分束镜反射的光束还可通过反射镜反射到所述多孔阵列板上。

4.根据权利要求1所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：所述扰动点位于待测相位物体的任意位置，其尺寸远小于待测物体尺寸，其相位赋值有异于原待测相位物体于该位置的相位即可。

5.根据权利要求1所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：通过激光在不透光的基板上刻蚀一个参考小孔和以参考小孔为圆心向x和y方向各偏移一定距离再对称激光刻蚀二维小孔阵列，形成所述多孔阵列板，各二维小孔间的间隔需满足d≤z*λ/L，其中z为物平面到所述多孔阵列板的距离，L是待测相位物体最宽处的尺寸，λ是部分相干光产生单元中激光光源的波长；偏移量的大小满足a/2≤Δx＝Δy≤d/2-a/2，其中a为二维小孔的尺寸；参考小孔和各二维小孔的尺寸一致，需满足远小于待测物体尺寸，且小于二维小孔间隔的三分之一；所述多孔阵列板可用透射式空间光调制器代替。

6.根据权利要求1所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：所述空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器。

7.根据权利要求3所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置，其特征在于：所述分束镜是光强50：50的半透半反镜。

8.一种利用如权利要求1-7任一项所述的部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置进行非迭代相位恢复的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)通过部分相干光产生单元获取高斯关联的部分相干光或拉盖尔高斯关联的部分相干光，通过调整用来聚焦的所述透镜在光轴上的前后位置，来改变聚焦在所述旋转毛玻璃上的光斑大小以调整光源的空间相干性；

(2)将部分相干光传输至所述物体相位测量单元，使部分相干光经过待测相位物体并记录光强信息：

(21)当部分相干光为高斯关联的部分相干光时，记录两次光强，第一次拍摄——加载待测相位物体：将准备好的图片设置为灰度图模式，当该图片加载到纯相位的所述空间光调制器上时，灰度值将转化为对应的相位；第二次拍摄——在待测相位物体任意位置放置一个扰动点，其尺寸需远小于待测物体尺寸，其相位赋值有异于原待测相位物体于该位置的相位即可；将两次拍摄得到的光强信息，输送到计算机进行处理：首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出物体相位信息；所述筛选阵列的筛选小孔为周期排列的二维小孔，由所述计算机产生，各筛选小孔的边长及间隔与所述多孔阵列板一致；

(22)当部分相干光为拉盖尔高斯关联的部分相干光时，记录四次光强，第一次拍摄——加载待测相位物体：将准备好的图片设置为灰度图模式，当该图片加载到纯相位的所述空间光调制器上时，灰度值将转化为对应的相位；第二次拍摄——在待测相位物体任意位置放置一个扰动点，其尺寸远小于待测物体尺寸，其相位赋值有异于原待测相位物体于该位置的相位即可；第三次拍摄——移走待测相位物体但不移走扰动点，即将原待测相位物体所在区域的相位设置为0；第四次拍摄——移走扰动相位；将第三次和第四次拍摄得到的两次光强信息，输送到计算机进行处理：首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出光源的交叉谱密度信息及其相位信息；将第一次和第二次拍摄得到的两次光强信息，输送到计算机进行处理：首先对两组光强信息分别进行傅里叶变换，再由筛选阵列筛选，其次将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可提取出受光源相位影响的物体相位信息；最后用受光源相位影响的物体相位除去光源的相位，即可获得正确的物体相位信息；所述筛选阵列的筛选小孔为周期排列的二维小孔，由所述计算机产生，各筛选小孔的边长及间隔与所述多孔阵列板一致。

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