本發(fā)明涉及一種測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光擁有高相干性的同時(shí)，也會(huì)引入一些噪聲，而低相干性的激光束在很多方面卻有著獨(dú)特的優(yōu)越性，例如在核聚變中用來(lái)克服散斑效應(yīng)、在大氣通訊中增加信噪比等等。最經(jīng)典的部分相干激光束是高斯-謝爾模光束，其空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)符合高斯分布，在f.gori等人早期的研究基礎(chǔ)上，人們又提出了大量具有特殊空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的部分相干激光束的模型，例如，拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束、厄米-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束等等。和傳統(tǒng)的高斯-謝爾模部分相干激光束相比，具有特殊關(guān)聯(lián)的部分相干激光束有著各自獨(dú)特的特性，例如拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束經(jīng)過(guò)聚焦后會(huì)在焦平面附近形成光學(xué)囚籠；厄米-高斯關(guān)聯(lián)的部分相干激光束在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生自分裂等等。

空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的測(cè)量研究可以追溯到1938年，澤尼克首次提出利用雙孔干涉條紋的可見(jiàn)度定義兩點(diǎn)的相干度(zernikef.theconceptofdegreeofcoherenceanditsapplicationtoopticalproblems[j].physica,1938,5(8):785-795.)，在其后的幾十年里，眾多研究者都投入到尋找更為方便快捷的方法中去，以獲得特定光束更為完整的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)信息，到目前為止，獲取方法大致分為三種，干涉法、衍射法及四階關(guān)聯(lián)法。(1)干涉法：從楊氏干涉演化而來(lái)，在光路中放置雙孔、多孔、雙縫等裝置獲得干涉圖樣，再?gòu)母缮鎴D樣中分析得到所需的信息。為了一次測(cè)量以獲得更多點(diǎn)之間的相干度，人們?cè)O(shè)計(jì)了多孔板和無(wú)重復(fù)二維陣列孔，以及可以被廣泛運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字微鏡面陣列。對(duì)于多色光，可以運(yùn)用非平行雙縫或在楊氏雙孔后添加消色差透鏡和衍射透鏡的組合。(2)衍射法：在光路中引入一個(gè)具有特定透射率函數(shù)的障礙物，通過(guò)兩次光強(qiáng)的拍攝，分析提取得到相干度的函數(shù)。(3)四階關(guān)聯(lián)法：主要是運(yùn)用歸一化四階關(guān)聯(lián)函數(shù)和相干度絕對(duì)值之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)逐點(diǎn)掃描，得到相干度的曲線。

現(xiàn)有的測(cè)量光束空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法都有著各自的優(yōu)點(diǎn)，但也仍然存在著一定的局限性，而這些局限性大致可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜冗長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)效性；(2)實(shí)驗(yàn)后的處理過(guò)程復(fù)雜；(3)適用范圍有限，例如只適用于單色光，或者無(wú)法同時(shí)獲得關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的實(shí)部和虛部信息。因此，如何高效、實(shí)時(shí)、完整的獲取光束空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的信息仍舊是一個(gè)重要的研究課題。上述的三類(lèi)方法皆有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，干涉法可以得到復(fù)相干度的實(shí)部和虛部，但是采樣點(diǎn)有限，且采樣越多，實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)越長(zhǎng)；衍射法實(shí)驗(yàn)和處理過(guò)程簡(jiǎn)單，但是涉及零級(jí)近似，相干度越高誤差越大；四階關(guān)聯(lián)的方法與干涉法有著類(lèi)似的缺點(diǎn)，即實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，不具有實(shí)時(shí)測(cè)量的能力。

鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種高效、快速測(cè)量部分相干光關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法，包括：

記錄擾動(dòng)光強(qiáng)：給待測(cè)光源引入擾動(dòng)、經(jīng)過(guò)多孔陣列結(jié)構(gòu)輸出后進(jìn)行傅里葉變換，記錄待測(cè)光源傳輸至傅里葉平面處的光強(qiáng)；

記錄非擾動(dòng)光強(qiáng)：不給待測(cè)光源引入擾動(dòng)、經(jīng)過(guò)多孔陣列結(jié)構(gòu)輸出后進(jìn)行傅里葉變換，記錄待測(cè)光源傳輸至傅里葉平面處的光強(qiáng)；

計(jì)算機(jī)將有擾動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)兩種情況下記錄的光強(qiáng)，分別進(jìn)行反傅里葉變換、篩選陣列的過(guò)濾，將過(guò)濾后的結(jié)果相減，并反傳輸至光源平面，得到光源平面的交叉譜密度函數(shù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)、交叉譜密度函數(shù)和源場(chǎng)光強(qiáng)的關(guān)系，得到待測(cè)光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，記錄擾動(dòng)光強(qiáng)時(shí)，在相位型空間光調(diào)制器上產(chǎn)生限定待測(cè)光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)范圍的取景框和在所述取景框內(nèi)設(shè)置給待測(cè)光源的引入擾動(dòng)的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)；

記錄非擾動(dòng)光強(qiáng)時(shí)，在相位型空間光調(diào)制器上產(chǎn)生限定待測(cè)光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)范圍的取景框；

記錄擾動(dòng)光強(qiáng)、非擾動(dòng)光強(qiáng)時(shí)，待測(cè)光源的傳輸路徑相同，均為經(jīng)相位型空間光調(diào)制器反射后輸出至多孔陣列；

其中，所述擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的面積為取景框面積的0.05至0.15倍，取景框的相位賦值為π，取景框外的部分的相位賦值為0，擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的相位賦值與取景框的相位賦值不同即可。

進(jìn)一步地，所述多孔陣列結(jié)構(gòu)為一其上設(shè)有多個(gè)矩形透光孔且其余部分不透光的光學(xué)板，多個(gè)矩形透光孔為由多個(gè)周期排列的二維陣列孔和一個(gè)參考孔組成，所述參考孔的中心偏離二維周期陣列孔的中心設(shè)定距離，該設(shè)定距離介于a/2與d/2-a/2之間，其中a為矩形透光孔的邊長(zhǎng)尺寸，d為二維陣列孔的周期，二維陣列的周期d≤z*λ/l；

待測(cè)光源垂直入射至所述的多孔陣列結(jié)構(gòu)的入光面。

進(jìn)一步地，相位型空間光調(diào)制器到多孔陣列結(jié)構(gòu)的距離z應(yīng)滿(mǎn)足z≥d*l/λ，其中d是二維陣列孔的周期間隔，l是取景框邊界上間距最大的兩點(diǎn)的距離大小，λ是輸出待測(cè)光源的激光的波長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，在多孔陣列和光強(qiáng)記錄裝置之間設(shè)置有一傅里葉透鏡，該傅里葉透鏡實(shí)現(xiàn)待測(cè)光源的傅里葉變換；

所述篩選陣列是由計(jì)算機(jī)在恢復(fù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中產(chǎn)生的用于篩選數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，所述篩選陣列由周期排列的二維陣列孔構(gòu)成。

進(jìn)一步地，光束的關(guān)聯(lián)函數(shù)通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中γ0(r1,r0)指的是該光場(chǎng)的交叉譜密度，i(r1)指的是該處的光斑光強(qiáng)，i(r0)指的是r0處的光強(qiáng)值；

計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)的步驟分為三步：

(1)拍攝源場(chǎng)光強(qiáng)i(r1,r1)

i(r0,r0)指的是r0處的光強(qiáng)，因此，令r1＝r0，即可得到i(r0,r0)。

(2)由傅里葉平面處的光強(qiáng)計(jì)算多孔陣列前的交叉譜密度γ(ρmn,0)：

多孔陣列結(jié)構(gòu)的透射率函數(shù)表示為參考孔和二維陣列孔位置處的δ函數(shù)的疊加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若將傅里葉平面的光強(qiáng)反傅里葉變換可以得到穿過(guò)多孔陣列后的光場(chǎng)：

f^-1{i}＝γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijγ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+∑ijγ(0,ρij)^*δ(ρ+ρij)+∑mnγ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)

篩選陣列的透射率函數(shù)與多孔陣列中周期重復(fù)的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，這個(gè)反傅里葉變換的結(jié)果經(jīng)過(guò)篩選陣列的篩選并變換坐標(biāo)便可以得到γ(ρmn,0)。

(3)兩次拍攝與反傳輸處理，得到γ0(r1,r0)：

不添加和添加擾動(dòng)兩種情況下拍攝，光強(qiáng)反傅里葉變換和篩選后的結(jié)果分別為：

γ(ρmn,0)＝∫∫γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)^*dr1dr2

γ′(ρmn,0)＝∫∫γ0(r1,r2)[1+cδ(r1-r0)][1+cδ(r2-r0)]^*h(r1,ρmn)h(r2,0)^*dr1dr2

其中，h(r1,ρ1)是傳輸項(xiàng)，δ函數(shù)表示的是擾動(dòng)項(xiàng)，兩者結(jié)果相減可得：

δγ(ρmn,0)＝ch(r0,ρmn)(c^*γ0(r0,r0)h(r0,0)^*+c∫γ0(r0,r2)h(r2,0)^*dr2)+c^*h(r0,0)^*∫γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1

此時(shí)再進(jìn)行反向傳輸，就可以得到γ0(r1,r0)。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括：待測(cè)光源依次經(jīng)過(guò)的光強(qiáng)擾動(dòng)添加單元、多孔陣列結(jié)構(gòu)、傅里葉變換單元、光強(qiáng)記錄裝置以及計(jì)算機(jī)；

所述光強(qiáng)擾動(dòng)添加單元，包括：擾動(dòng)添加元件、擾動(dòng)不添加元件，所述擾動(dòng)添加元件，用于對(duì)待測(cè)光源添加擾動(dòng)后輸出至多孔陣列結(jié)構(gòu)；擾動(dòng)不添加元件，用于對(duì)待測(cè)光源不添加擾動(dòng)，且以與添加擾動(dòng)后的待測(cè)光源相同的路徑輸出至多孔陣列結(jié)構(gòu)；待測(cè)光源的光軸垂直所述多孔陣列；

光強(qiáng)傅里葉變換單元，用于對(duì)經(jīng)過(guò)多孔陣列結(jié)構(gòu)處理的添加了擾動(dòng)的待測(cè)光源進(jìn)行傅里葉變換后輸出至多孔陣列結(jié)構(gòu)；對(duì)經(jīng)過(guò)多孔陣列結(jié)構(gòu)處理的不添加了擾動(dòng)的待測(cè)光源進(jìn)行傅里葉變換后輸出多孔陣列結(jié)構(gòu)；

光強(qiáng)記錄裝置，放置在傅里葉平面處，用于分別記錄所述光強(qiáng)傅里葉變換單元輸出的添加擾動(dòng)、不添加無(wú)擾動(dòng)兩種情況下的光強(qiáng)；

所述拍照裝置，用于分別記錄經(jīng)所述傅里葉變換單元處理后輸出至傅里葉平面處的添加擾動(dòng)后的待測(cè)光源、不添加擾動(dòng)后的待測(cè)光源的光強(qiáng)；

所述計(jì)算機(jī)，用于將添加擾動(dòng)、不添加無(wú)擾動(dòng)兩種情況下記錄的光強(qiáng)，分別進(jìn)行反傅里葉變換和篩選陣列的過(guò)濾，將過(guò)濾后的結(jié)果相減，并反傳輸至光源平面，得到光源平面的交叉譜密度函數(shù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)、交叉譜密度函數(shù)和源場(chǎng)光強(qiáng)的關(guān)系，得到待測(cè)光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述光強(qiáng)擾動(dòng)添加單元為相位型空間光調(diào)制器，擾動(dòng)添加元件為在記錄擾動(dòng)光強(qiáng)時(shí)，在相位型空間光調(diào)制器上產(chǎn)生限定待測(cè)光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)范圍的取景框和在所述取景框內(nèi)設(shè)置給待測(cè)光源的引入擾動(dòng)的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)；其中，所述擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的面積為取景框面積的0.05至0.15倍，取景框的相位賦值為π，取景框外的部分的相位賦值為0，擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的相位賦值與取景框的相位賦值不同即可；

擾動(dòng)不添加元件為在記錄非擾動(dòng)光強(qiáng)時(shí)，在相位型空間光調(diào)制器上產(chǎn)生限定待測(cè)光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)范圍的取景框；

其中，記錄擾動(dòng)光強(qiáng)、非擾動(dòng)光強(qiáng)時(shí)，待測(cè)光源的傳輸路徑相同，均為經(jīng)相位型空間光調(diào)制器反射后輸出至多孔陣列。

進(jìn)一步地，所述多孔陣列結(jié)構(gòu)為一其上設(shè)有多個(gè)矩形透光孔且其余部分不透光的光學(xué)板，多個(gè)矩形透光孔為由多個(gè)周期排列的二維陣列孔和一個(gè)參考孔組成，所述參考孔的中心偏離二維周期陣列孔的中心設(shè)定距離，該設(shè)定距離介于a/2與d/2-a/2之間，其中a為矩形透光孔的邊長(zhǎng)尺寸，d為二維陣列孔的周期，二維陣列的周期d≤z*λ/l；待測(cè)光源垂直入射至所述的多孔陣列結(jié)構(gòu)的入光面；

其中，所述多孔陣列結(jié)構(gòu)是通過(guò)透射式空間光調(diào)制器生成的；或所述多孔陣列結(jié)構(gòu)為由激光刻蝕制作而成的光學(xué)板；

所述矩形透光孔的邊長(zhǎng)尺寸a不大于200μm；二維陣列孔的周期d不大于300μm。

進(jìn)一步地，還包括分束鏡，所述分束鏡為半透半反鏡，將待測(cè)光源輸出的待測(cè)光源反射至光強(qiáng)擾動(dòng)添加單元，所述分束鏡還將光強(qiáng)擾動(dòng)添加單元處理后的待測(cè)光源投射至多孔陣列結(jié)構(gòu)；

所述傅里葉變換單元為設(shè)置在多孔陣列和光強(qiáng)記錄裝置之間的一傅里葉透鏡，所述傅里葉透鏡距離多孔陣列結(jié)構(gòu)和光強(qiáng)記錄裝置的距離均等于所述傅里葉透鏡的焦距，或傅里葉透鏡距多孔陣列結(jié)構(gòu)的距離小于等于1mm。

借由上述方案，本發(fā)明測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明，高效、實(shí)時(shí)，數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，并可以同時(shí)得到待測(cè)光源空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)完整的實(shí)部和虛部信息，具重要的科研及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中提供的測(cè)量拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖；

其中：1、激光器；2、擴(kuò)束鏡；3、透射式空間光調(diào)制器；4、光闌；5、聚焦透鏡；6、旋轉(zhuǎn)毛玻璃片；7、準(zhǔn)直透鏡；8、高斯濾波片；9、分束鏡；10、反射式空間光調(diào)制器；11、透射式空間光調(diào)制器；12、傅里葉透鏡；13、電荷耦合元件；14、計(jì)算機(jī)。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的測(cè)量未知光源關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖；

其中：21、待測(cè)未知光源；22、分束鏡；23、反射式空間光調(diào)制器；24、多孔陣列；25、傅里葉透鏡；26、電荷耦合元件；27、計(jì)算機(jī)。

圖3是本發(fā)明兩個(gè)實(shí)施例中皆涉及的兩次拍攝中，反射式純相位空間光調(diào)制器需要加載的結(jié)構(gòu)，其中圖3左是有擾動(dòng)引入的取景框結(jié)構(gòu)，圖3右是無(wú)擾動(dòng)引入的取景框結(jié)構(gòu)。

圖4是多孔陣列結(jié)構(gòu)的中心細(xì)節(jié)部分。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法，以測(cè)量拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束為例，產(chǎn)生拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束作為待測(cè)光源；拍攝光源的光強(qiáng)；該光源分別經(jīng)過(guò)加載和不加載擾動(dòng)的反射式空間光調(diào)制器反射，傳輸至多孔陣列并由放置在傅里葉平面處的電荷耦合元件拍攝兩次光強(qiáng)；計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。所述方法具體包括：

給待測(cè)光源引入擾動(dòng)、經(jīng)過(guò)多孔陣列結(jié)構(gòu)輸出后進(jìn)行傅里葉變換，記錄光源傳輸至傅里葉平面處的光強(qiáng)；

不給待測(cè)光源引入擾動(dòng)、經(jīng)過(guò)多孔陣列結(jié)構(gòu)輸出后進(jìn)行傅里葉變換，記錄光源傳輸至傅里葉平面處的光強(qiáng)；

將有擾動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)兩種情況下記錄的光強(qiáng)，分別進(jìn)行反傅里葉變換和篩選陣列的過(guò)濾，將篩選后的結(jié)果相減，并反傳輸至光源平面，即可得到光源平面的交叉譜密度函數(shù)，此時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)、交叉譜密度函數(shù)和源場(chǎng)光強(qiáng)的關(guān)系，即可得到光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中，通過(guò)相位型空間光調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生取景框和擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)光源的引入擾動(dòng)和不引入擾動(dòng)，其中，取景框的尺寸與最終呈現(xiàn)的關(guān)聯(lián)結(jié)果的范圍大小一致，因此可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需求設(shè)置取景框的大小，擾動(dòng)的大小應(yīng)遠(yuǎn)小于取景框的大小，為了起到擾動(dòng)效果，擾動(dòng)的尺寸也不宜過(guò)小，因此建議選擇擾動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸為取景框尺寸的0.05至0.15倍；取景框的相位賦值為π，取景框外的部分為0，擾動(dòng)的相位賦值與取景框的相位賦值不同即可；對(duì)取景框和擾動(dòng)的形狀沒(méi)有要求；由于擾動(dòng)與取景框的相對(duì)位置和最終關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的中心點(diǎn)與整個(gè)呈現(xiàn)范圍的相對(duì)位置一致，因此擾動(dòng)的位置應(yīng)位于取景框的內(nèi)部，并盡量靠近中心。

相位型空間光調(diào)制器到多孔陣列的距離應(yīng)滿(mǎn)足z≥d*l/λ，其中d是二維陣列孔的周期間隔，l是取景框的大小，λ是產(chǎn)生具有特殊關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光源所用激光的波長(zhǎng)。

本實(shí)施例中，多孔陣列結(jié)構(gòu)垂直于經(jīng)空間光調(diào)制器反射輸出光束的光軸放置，所述多孔陣列結(jié)構(gòu)由周期排列的二維陣列孔和一個(gè)參考孔構(gòu)成，多孔陣列結(jié)構(gòu)其余部分不透光；參考孔應(yīng)位于二維周期陣列孔的中心并橫向縱向各偏移預(yù)定距離，該預(yù)定距離應(yīng)介于a/2與d/2-a/2之間，其中a為孔的尺寸，應(yīng)盡量小，但需要保證透光量，d為二維陣列孔的周期，二維陣列的周期d≤z*λ/l；

所述篩選陣列由周期排列的二維陣列孔構(gòu)成，其參數(shù)與多孔陣列的二維周期陣列孔一致。

本實(shí)施例中，在多孔陣列和電荷耦合元件之間放置一個(gè)傅里葉透鏡，該傅里葉透鏡實(shí)現(xiàn)傅里葉變換。該傅里葉透鏡距離到達(dá)多孔陣列和電荷耦合元件的距離均等于其焦距，或?qū)⒏道锶~透鏡緊挨著多孔陣列結(jié)構(gòu)放置。

實(shí)施例2

如圖1所示，本實(shí)施例測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括：待測(cè)光源依次經(jīng)過(guò)的光源擾動(dòng)加載單元、多孔陣列結(jié)構(gòu)、光強(qiáng)反傅里葉變換光學(xué)元件、拍照裝置以及計(jì)算機(jī)；

所述光源擾動(dòng)加載單元，包括對(duì)光源產(chǎn)生擾動(dòng)反射的光學(xué)元件、對(duì)光源不產(chǎn)生擾動(dòng)反射的光學(xué)元件；其中對(duì)光源產(chǎn)生擾動(dòng)的反射光學(xué)元件，用于對(duì)待測(cè)光源引入擾動(dòng)后反射輸出至多孔陣列結(jié)構(gòu)；對(duì)光源不產(chǎn)生擾動(dòng)反射的光學(xué)元件，用于對(duì)待測(cè)光源不引入擾動(dòng)，并以與引入擾動(dòng)后的光源相同的路徑反射射出至多孔陣列結(jié)構(gòu)。

所述光強(qiáng)傅里葉變換光源元件，用于對(duì)經(jīng)多孔陣列結(jié)構(gòu)輸出的引入了擾動(dòng)光源、沒(méi)引入擾動(dòng)光源分別進(jìn)行傅里葉變換后輸出；

所述拍照裝置，用于對(duì)經(jīng)所述光強(qiáng)傅里葉變換光源元件輸出的引入擾動(dòng)光源、沒(méi)引入擾動(dòng)光源分別進(jìn)行光強(qiáng)記錄；

所述，用于對(duì)所述的引入了擾動(dòng)光源、沒(méi)引入擾動(dòng)光源分別進(jìn)行過(guò)濾篩選，輸出篩選結(jié)果至計(jì)算機(jī)；

所述計(jì)算機(jī)，用于將篩選后的結(jié)果相減，并反傳輸至光源平面，即可得到光源平面的交叉譜密度函數(shù)，此時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)、交叉譜密度函數(shù)和源場(chǎng)光強(qiáng)的關(guān)系，即可得到光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

由激光器1產(chǎn)生的激光通過(guò)擴(kuò)束鏡2進(jìn)行擴(kuò)束，由空間光調(diào)制器3進(jìn)行調(diào)制后，用光闌4取出一階光斑，隨后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡5聚焦在旋轉(zhuǎn)毛玻璃片6上，散射后的光斑經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡7準(zhǔn)直并由高斯濾波片8整形，最后由分束鏡9的反射面反射到光強(qiáng)記錄單元的反射式空間光調(diào)制器上。

1、激光器：波長(zhǎng)532nm；

2、擴(kuò)束鏡：對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束；

3、透射式空間光調(diào)制器：用于加載產(chǎn)生拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束所需的全息圖；

4、光闌：截取一階光斑；

5、聚焦透鏡：焦距100mm，將篩選出的光束聚焦在毛玻璃片上；

6、旋轉(zhuǎn)毛玻璃片：對(duì)聚焦光束進(jìn)行散射，由速度可調(diào)的電機(jī)控制；

7、準(zhǔn)直透鏡：焦距150mm，對(duì)旋轉(zhuǎn)毛玻璃片6散射出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直；

8、高斯濾波片：束腰1.2mm，對(duì)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行高斯振幅整形，由高斯濾波片出射的光束即為拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束；

9、分束鏡：半透半反鏡，將高斯濾波片8整形后的光束反射至光強(qiáng)記錄單元中的反射式空間光調(diào)制器上。

拍攝源場(chǎng)光強(qiáng)的步驟為：用電荷耦合元件拍攝高斯濾波片之后產(chǎn)生的拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束的光強(qiáng)。

10、反射式空間光調(diào)制器：用于加載取景框和擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分布如圖3。純相位反射式空間光調(diào)制器，像素?cái)?shù)1920×1080，像素大小8μm，放置在待測(cè)光源平面并垂直于光軸，用于加載擾動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)取景框，該取景框的大小即為最后關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的范圍大小。該取景框的尺寸為1.92mm×1.92mm，擾動(dòng)的尺寸為280μm×280μm，擾動(dòng)的相位賦值為0.1π，擾動(dòng)的放置位置為取景框的中心。本方法涉及兩次光強(qiáng)拍攝，兩次光強(qiáng)拍攝需使用不同的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，即圖3中的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，一個(gè)為取景框和位于其中心的擾動(dòng)點(diǎn)，另一個(gè)僅有取景框。該反射式空間光調(diào)制器到分束鏡9的距離應(yīng)盡量短。

11、透射式空間光調(diào)制器：用于加載多孔陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖4。振幅型空間光調(diào)制器，像素?cái)?shù)為1024×768，像素尺寸為18μm，垂直于光軸放置，與反射式空間光調(diào)制器10的距離為1700mm，加載的振幅結(jié)構(gòu)由周期排列的二維陣列孔和一個(gè)參考孔構(gòu)成，二維陣列孔的周期間距為270μm，孔的尺寸為54μm×54μm，參考孔位于二維周期陣列孔的中心并向x和y方向各偏移18μm，參考孔的尺寸和二維周期陣列孔的尺寸一致，為54μm×54μm。實(shí)際應(yīng)用中，入射光應(yīng)對(duì)準(zhǔn)參考孔。

12、傅里葉透鏡：焦距100mm，放置多孔陣列11之后，距離多孔陣列一倍焦距，用于實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的傅里葉變換。

13、電荷耦合元件：像素?cái)?shù)為1296×964，像素大小3.75μm，放置在傅里葉透鏡12的焦距處，用于拍攝傅里葉平面處的光強(qiáng)。

14、計(jì)算機(jī)：連接反射式空間光調(diào)制器10和電荷耦合元件13，同步控制著反射式空間光調(diào)制器的加載和電荷耦合元件的光強(qiáng)拍攝，并完成數(shù)據(jù)的處理。

記錄光強(qiáng)：光源產(chǎn)生單元產(chǎn)生的拉蓋爾-高斯關(guān)聯(lián)部分相干激光束入射到反射式純相位空間光調(diào)制器10上，由該反射式空間光調(diào)制器調(diào)制后的光束到達(dá)透射式空間光調(diào)制器11，最終由放置在傅里葉平面處的電荷耦合元件13記錄光強(qiáng)。不加載擾動(dòng)時(shí)，拍攝一次光強(qiáng)；加載擾動(dòng)時(shí)，拍攝一次光強(qiáng)，但是兩次拍攝的光路需要完全相同，改變的只是反射式空間光調(diào)制器3上的加載。兩次光強(qiáng)記錄的光路需要完全相同，改變的只是擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的有無(wú)。

計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)步驟為：將傅里葉平面拍攝到的有擾動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)兩種情況下的光強(qiáng)，分別進(jìn)行反傅里葉變換和篩選陣列的過(guò)濾，將篩選后的結(jié)果相減，并反傳輸至源平面，即可得到源平面的交叉譜密度函數(shù)，此時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)、交叉譜密度函數(shù)和源場(chǎng)光強(qiáng)的關(guān)系，即可得到光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中，所述光源擾動(dòng)加載單元為與計(jì)算機(jī)連接的相位型空間光調(diào)制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出控制指令控制相位型空間光調(diào)制器來(lái)分別產(chǎn)生給待測(cè)光源引入擾動(dòng)、不給待側(cè)光源引入擾動(dòng)的取景框和擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)光源的引入擾動(dòng)和不引入擾動(dòng)，其中，擾動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸為取景框尺寸的0.05至0.15倍；取景框的相位賦值為π，取景框外的部分為0，擾動(dòng)的相位賦值與取景框的相位賦值不同即可。

本實(shí)施例中，所述多孔陣列結(jié)構(gòu)垂直于經(jīng)空間光調(diào)制器反射輸出光束的光軸放置，所述多孔陣列結(jié)構(gòu)由周期排列的二維陣列孔和一個(gè)參考孔構(gòu)成，多孔陣列結(jié)構(gòu)其余部分不透光；參考孔應(yīng)位于二維周期陣列孔的中心并橫向縱向各偏移預(yù)定距離，該預(yù)定距離應(yīng)介于a/2與d/2-a/2之間，其中a為孔的尺寸，d為二維陣列孔的周期，二維陣列的周期d≤z*λ/l。

本實(shí)施例中，篩選陣列：由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，用于篩選數(shù)據(jù)，其分布與實(shí)驗(yàn)用的多孔陣列接近，他們的唯一區(qū)別就是篩選陣列沒(méi)有位于中心的參考點(diǎn)，其他參數(shù)與多孔陣列的二維周期陣列小孔一致，周期間距為270μm，孔的尺寸為54μm×54μm。

所述多孔陣列結(jié)構(gòu)為與計(jì)算機(jī)連接的透射式空間光調(diào)制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出控制指令控制透射式空間光調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生多孔陣列結(jié)構(gòu)；或所述多孔陣列結(jié)構(gòu)為由激光刻蝕制作而成。

所述光源擾動(dòng)加載單元和多孔陣列結(jié)構(gòu)之間設(shè)有將光源反射至所述光源擾動(dòng)加載單元的分束鏡。

所述光強(qiáng)傅里葉變換光源元件為設(shè)置在多孔陣列和拍照裝置之間的一傅里葉透鏡；所述傅里葉透鏡距離多孔陣列結(jié)構(gòu)和拍攝裝置的距離均等于所述傅里葉透鏡的焦距，或?qū)⒏道锶~透鏡距多孔陣列結(jié)構(gòu)的距離小于等于1mm；

所述篩選陣列是由計(jì)算機(jī)在恢復(fù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中產(chǎn)生的用于篩選數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，所述篩選陣列由周期排列的二維陣列孔構(gòu)成，其參數(shù)與多孔陣列的二維周期陣列孔一致。

實(shí)施例3

本實(shí)施例測(cè)量部分相干光空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方法，以測(cè)量未知光源構(gòu)為例。

測(cè)量未知光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的步驟：拍攝待測(cè)未知光源的光強(qiáng)；該待測(cè)光源分別經(jīng)過(guò)加載和不加載擾動(dòng)的反射式空間光調(diào)制器反射，傳輸至多孔陣列并由放置在傅里葉平面處的電荷耦合元件拍攝兩次光強(qiáng)；計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。

一、拍攝源場(chǎng)光強(qiáng)的步驟為：用電荷耦合元件拍攝待測(cè)未知光源21的光強(qiáng)。

二、記錄光強(qiáng)：

待測(cè)光源入射到反射式純相位空間光調(diào)制器23上，由該反射式空間光調(diào)制器調(diào)制后的光束到達(dá)多孔陣列板24，最終由放置在傅里葉平面處的電荷耦合元件26記錄光強(qiáng)。

21、待測(cè)光源；

22、分束鏡：半透半反鏡，將待測(cè)光源反射至反射式空間光調(diào)制器上。

23、反射式空間光調(diào)制器：用于加載取景框和擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分布如圖3。純相位反射式空間光調(diào)制器，像素?cái)?shù)1920×1080，像素大小8μm，放置在待測(cè)光源平面并垂直于光軸，用于加載擾動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)取景框，該取景框的大小即為最后關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的范圍大小。該取景框的尺寸為2mm×2mm，擾動(dòng)的尺寸為200μm×200μm，擾動(dòng)的相位賦值為0.6π，擾動(dòng)的放置位置為取景框的中心。本方法涉及兩次光強(qiáng)拍攝，兩次光強(qiáng)拍攝需使用不同的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，即圖3中的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，一個(gè)為取景框和位于其中心的擾動(dòng)點(diǎn)，另一個(gè)僅有取景框。該反射式空間光調(diào)制器到分束鏡22的距離應(yīng)盡量短。

24、多孔陣列板：由激光刻蝕制成，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖4，黑色部分不透光，白色部分為透光小孔，透光小孔由周期排列的二維陣列孔和一個(gè)參考孔構(gòu)成，二維陣列孔的周期間距為300μm，孔的尺寸為60μm×60μm，參考孔位于二維周期陣列孔的中心并向x和y方向各偏移40μm，參考孔的尺寸和二維周期陣列孔的尺寸一致，為40μm×40μm。多孔陣列板應(yīng)垂直于光軸放置，與反射式空間光調(diào)制器3的距離為2000mm，入射光應(yīng)對(duì)準(zhǔn)參考孔。

25、傅里葉透鏡：焦距250mm，緊挨著放置在多孔陣列板4之后，用于實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的傅里葉變換。

26、電荷耦合元件：像素?cái)?shù)為2448×2050，像素大小3.45μm，放置在傅里葉透鏡5的焦距處，用于拍攝傅里葉平面處的光強(qiáng)。

27、計(jì)算機(jī)：連接反射式空間光調(diào)制器23和電荷耦合元件26，同步控制著反射式空間光調(diào)制器的加載和電荷耦合元件的光強(qiáng)拍攝，并同時(shí)完成數(shù)據(jù)的處理。

光強(qiáng)記錄的步驟為：不加載擾動(dòng)時(shí)，拍攝一次光強(qiáng)；加載擾動(dòng)時(shí)，拍攝一次光強(qiáng)，但是兩次拍攝的光路需要完全相同，改變的只是反射式空間光調(diào)制器3上的加載。

計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)步驟為：將傅里葉平面拍攝到的有擾動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)兩種情況下的光強(qiáng)，分別進(jìn)行反傅里葉變換和篩選陣列的過(guò)濾，將篩選后的結(jié)果相減，并反傳輸至源平面，即可得到源平面的交叉譜密度函數(shù)，此時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)、交叉譜密度函數(shù)和源場(chǎng)光強(qiáng)的關(guān)系，即可得到光源的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

篩選陣列：由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，用于篩選數(shù)據(jù)的陣列，其分布與實(shí)驗(yàn)用的多孔陣列接近，他們的唯一區(qū)別就是篩選陣列沒(méi)有位于中心的參考點(diǎn)，其他參數(shù)與多孔陣列的二維周期陣列小孔一致，周期間距為300μm，孔的尺寸為60μm×60μm。

上述各實(shí)施例中，將電荷耦合元件放置在待測(cè)光源平面拍攝光強(qiáng)，若無(wú)法直接放置在待測(cè)平面，利用4f系統(tǒng)拍攝源場(chǎng)光強(qiáng)。

上述各實(shí)施例中，光束的關(guān)聯(lián)函數(shù)通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中γ0(r1,r0)指的是該光場(chǎng)的交叉譜密度，i(r1)指的是該處的光斑光強(qiáng)，i(r0)指的是r0處的光強(qiáng)值；

計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)的步驟分為三步：

(1)拍攝源場(chǎng)光強(qiáng)i(r1,r1)

i(r0,r0)指的是r0處的光強(qiáng)，因此，令r1＝r0，即可得到i(r0,r0)。

(2)由傅里葉平面處的光強(qiáng)計(jì)算多孔陣列前的交叉譜密度γ(ρmn,0)：

因?yàn)槎嗫钻嚵械男】鬃銐蛐?，所以其透射率函?shù)可以表示為參考孔和二維陣列孔位置處的δ函數(shù)的疊加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若將傅里葉平面的光強(qiáng)反傅里葉變換可以得到穿過(guò)多孔陣列后的光場(chǎng)：

f^-1{i}＝γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijγ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+∑ijγ(0,ρij)^*δ(ρ+ρij)+∑mnγ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)

篩選陣列的透射率函數(shù)與多孔陣列中周期重復(fù)的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，這個(gè)反傅里葉變換的結(jié)果經(jīng)過(guò)篩選陣列的篩選并變換坐標(biāo)便可以得到γ(ρmn,0)。

(3)設(shè)計(jì)兩次拍攝與反傳輸處理，得到γ0(r1,r0)：

因?yàn)槭遣糠窒喔晒?，若直接進(jìn)行反傳輸并不能得到源場(chǎng)的交叉譜密度。因此，設(shè)計(jì)了不添加和添加擾動(dòng)兩種情況下拍攝，光強(qiáng)反傅里葉變換和篩選后的結(jié)果分別為：

γ(ρmn,0)＝∫∫γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)^*dr1dr2

γ′(ρmn,0)＝∫∫γ0(r1,r2)[1+cδ(r1-r0)][1+cδ(r2-r0)]^*h(r1,ρmn)h(r2,0)^*dr1dr2

其中，h(r1,ρ1)是傳輸項(xiàng)，δ函數(shù)表示的是擾動(dòng)項(xiàng)，兩者結(jié)果相減可得：

δγ(ρmn,0)＝ch(r0,ρmn)(c^*γ0(r0,r0)h(r0,0)^*+c∫γ0(r0,r2)h(r2,0)^*dr2)+c^*h(r0,0)^*∫γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1

此時(shí)再進(jìn)行反向傳輸，就可以得到γ0(r1,r0)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。