基于菲涅耳衍射的无透镜相干衍射成像-物理学报.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 61, No. 24 (2012) 244203 基于菲涅耳衍射的无透镜相干衍射成像* 江浩 张新廷 国承山 ( 山东师范大学物理与电子科学学院, 济南 250014 ) ( 2012 年5 月9 日收到; 2012 年6 月17 日收到修改稿) 相干衍射成像是一种新型的无透镜成像技术, 在光学测量、显微成像和自适应光学等领域有重要应用. 本文提 出一种基于单幅菲涅耳衍射强度图样的无透镜相干衍射成像方法; 该方法采用特殊设计的卷积可解阵列抽样屏, 通 过对抽样物波的菲涅耳衍射强度图样进行非迭代的逆菲涅耳变换和滤波等数字处理实现被测物波复振幅信息的恢 复, 最后通过数字衍射得到物体的数字再现像. 文中对抽样孔径、衍射距离、图像传感器尺寸等参数对再现像的影 响进行了理论分析和模拟实验研究. 发现在针孔大小和记录孔径大小一定的条件下, 存在一个最佳的衍射距离; 衍 射距离过大会给重建图样带来噪声, 衍射距离过小则会使再现象的分辨率降低. 文中还对抽样针孔大小对系统成像 分辨率的影响进行了分析, 为进一步开展相关实验研究和应用提供了理论依据. 关键词: 菲涅耳衍射, 相干衍射成像, 抽样, 相位恢复 PACS: 42.30.−d, 42.30.Rx, 42.30.Wb 迭代算法高精度重构复杂光场的波前; 李敏等 1 引言 提出一种线性相位反演算法, 该方法根据入射全 孔径远场光斑强度分布可以直接反演出入射波前 相干衍射成像是一种新型的无透镜成像技术, 的相位信息. 为避免迭代过程的不确定性, 最近人 在自适应光学和X 射线成像等领域有着非常重要 们还提出了一些非迭代衍射成像方法 −. 如, 的应用. 近年来人们已经提出了许多实现无透镜相 Nakajima 提出了一种基于整函数特性的非迭 干衍射成像的方法. 较常用的方法是基于全息技 代相干衍射成像方法. 我们最近提出的基于卷积可 − 术的共轴和离轴全息法 . 另外一种常用方法 解阵列抽样的相干衍射成像方法 也属于一种非 是相位反演波前检测技术; 该技术通常采用迭代算 迭代方法. 它是让被成像物体所发出的物波先通过 法 − 从物体的衍射强度图样中重现出物体的 一个特别设计的多针孔抽样板, 然后再用图像传感 相位信息而不需要参考光, 具有非常宽广的波长适 器记录抽样物波的远场夫琅和费衍射强度图样, 最 用范围, 已经广泛运用于X 射线和电子束的无透 后通过一个简单的傅里叶变换和滤波算法提取出 被测物波的振幅和相位分布信息. 但该方法要求物 镜相干衍射成像中 . 但是迭代算法通常存在计 算量大和迭代收敛性的问题. 近年来, 人们对已有 波抽样面到记录平面的距离须满足夫琅和费远场 的相位反演算法提出了一些改进方法. 如, 黄利新 近似条件. 实际实验中, 常需要采用傅里叶变换透 镜来缩短记录光路. 等 提出了一种基于旋转相位调制手段恢复光场 相位的方法, 该方法较好地解决了迭代停滞现象和 本文提出一种基于菲涅耳衍射的非迭代相干 衍射成像方法. 该方法只需要对一幅抽样物波的菲