透射型樣品振幅和相位成像裝置和方法
2023-10-06 08:00:29 1
專利名稱：透射型樣品振幅和相位成像裝置和方法
技術領域：
本發明涉及透射型樣品的成像及相位測量，特別是一種不依賴於平移臺精度的透射型樣品振幅和相位成像的裝置和方法。
背景技術：
相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,簡稱為0)1)算法是一種直接從光場的散射斑強度中獲得樣品的位相信息的方法，是一種直接用迭代方法逐次逼近目標的『重建』法，該方法1970年前後由Hoppe等人提出，後經Fienup等人的完善逐步發展起來(參見 J· R· Fienup. Phase retrieval algorithms: a comparison [J], Appl.Opt.，1982，21 (15) :2758 2769)。該方法是，在緊靠樣品的後表面放置一個帶孔的空間分布 已知的遮光屏，用相干光源照射物體並使物體只有一小部分的光透過概念小孔被相隔一定距離處的CXD記錄。⑶I算法如下假設CXD所記錄的光強為I，則相應的重建過程為(a)首先給樣品一個任意的猜測值O(r);(b)利用菲涅爾衍射計算其經過小孔到達CXD時的復振幅分布G(X);(c)保持G(X)的位相不變，但用實際測量的光場I的平方根sqrt(I)振幅代替其幅值，得到一個更新後的G』(X)；(d)再次利用菲涅爾衍射計算出G』(X)反向傳播回物體平面上的復振幅O』 (r);(e)令O』 (r)在透光孔外的值被強制為零，然後重複步驟(b) (d)，重建出孔內部分物體的透射函數。⑶I算法具有結構簡單，理論上可以達到衍射極限的解析度，但這種成像方法要求樣品是孤立物體，同時理論上它不能區別出物體自身和其自身的共軛以及自身與其它函數的卷積組合，對於稍微複雜的物體往往很難得到理想的重構像，極大地限制了其應用範圍。PIE (ptychographical iterative engine)算法是一種基於 CDI 算法的迭代算法，通過掃描樣品不同部分的衍射斑(相鄰掃描位置有重疊)來進行振幅和位相重建，克服了 CDI的缺點，該算法理論上可以獲得波長決定的極限解析度，這種方式需要記錄不同掃描位置處的衍射斑，在實際操作中大概需要至少100個衍射斑，但是該算法對掃描裝置的移動精度要求較高，而目前的平移臺很難滿足對精度的要求，而平移臺誤差成為該算法誤差的一個主要來源，這也限制了該算法的應用範圍。
發明內容
本發明的目的是為解決上述現有技術的不足，提出一種透射型樣品相位顯微裝置和相位顯微方法，該裝置記錄的每一幅掃描的光強分布不僅包含了衍射斑分布還能夠記錄掃描小孔光闌的移動信息和小孔光闌的實際位置，克服了平移臺精度不夠帶來的誤差，同時通過迭代算法實現對樣品的振幅和位相成像。本發明的技術解決方案如下
一種透射型振幅和位相成像裝置，特點在於其構成包括相干光源，沿該相干光源的輸出光束方向依次是光束空間濾波器、準直透鏡、小孔光闌、待測透射型樣品、透鏡組、探測器，所述的小孔光闌固定在所述的二維電動平移臺上，該小孔光闌在所述的二維電動平移臺的驅動下在垂直於光束傳播方向的平面內移動，在所述的透鏡組的小孔光闌的像平面設置所述的探測器，該探測器和二維電動平移臺與所述的計算機相連；相干光源發出的光經過光束空間濾波器後變成點光源並經過所述的準直透鏡後變為平行光，經過小孔光闌的出射光波作為待測透射型樣品的照明光，即照明光為小孔光闌的衍射光斑，調整小孔光闌、待測透射型樣品到透鏡組的距離大於其焦距，並且待測透射型樣品的出射光波經過透鏡後在小孔光闌的像平面上成放大的實像，並由放在像平面上的探測器接收並記錄光斑分布送所述的計算機，同時探測器和二維電動平移臺由計算機進行控制。利用上述成像裝置對透射型樣品的振幅透過率和位相進行測量，包括以下步驟(I)數據記錄計算機控制二維電動平移臺使小孔光闌在垂直於光束傳播方向的 平面內進行逐行逐列掃描，相鄰兩個掃描位置處透光部分必須有重疊，最好重疊50%左右，小孔光闌的移動可以由a行b列的矩陣表示，在掃描過程中的i行j列處，通過探測器記錄衍射光斑的光強分布Ι 其中i為l"a的正整數,j為l b的正整數,a, b分別表不小孔光闌掃描矩陣的總行數和總列數。將Iu存儲在計算機中並編號以便進行計算。掃描後的光斑全部記錄完成後，拿掉透射型樣品，記錄只有小孔光闌時的光強分布，即記錄小孔光闌的放大的實像hole(l。去掉透射型樣品和小孔光闌，探測器位置不變，記錄光強分布Background。測量小孔光闌到透射型樣品的距離Z，測量小孔光闌的實像的放大倍數D。(2)數據處理(a)計算衍射斑Iiij所對應的掃描小孔光闌在掃描位置(i，j)處的屏函數CiriJCiriij的計算可以通過以下方式將小孔光闌的實像Iioleci取合適的閾值得到小孔的二值像hole,孔內為I,孔外為O ;將Iu取合適的閾值,大於閾值為1，小於閾值為O,閾值的選取標準為能夠獲得清晰的小孔光闌4的輪廓，輪廓內為O的點可以人為設定為1，得到掃描位置(i, j)處的衍射斑二值像I』由於記錄Iu處為小孔光闌的實像，因此Γ M即可表示在掃描位置(i，j)處相對探測器靶面小孔的屏函數，即I』 u可作為Ciru，但考慮到這樣得到的小孔光闌輪廓會有誤差，因此需要用hole中的小孔光闌輪廓來代替更加準確。計算I』 ,j與hole的相關性(即兩二值圖像在不同的相對位置處值為I的點的重合面積)並得到相關性最大時hole相對I' ,j移動的距離，並根據此距離移動hole得到準確的(b)所述計算機9首先對透射型樣品5的復振幅透過率Obj = abs{obj)exp{/^)(包括振幅透過率和相位改變量)產生一個隨機猜測值guess,並且guess =E*rand(m, n)*exp(i*rand(m, η)* π ),其中:Ε 為振幅，rand(m, η)為產生 m 行 η 列的隨機數的函數，在計算機中以矩陣的形式存在，同時探測器記錄的數據的矩陣也為m行η列。即obj = guess作為最開始的初始值,小孔光闌4在掃描位置(i, j)處obj的更新步驟為(C)計算小孔光闌在掃描位置(i，j)處時在透射型樣品5處的光斑分布Proi,計算方法如下 Ptui , = ffexp(i— a2 — β~I)Z)exp 2π(—χ + ^- y) d — d^—
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其中
權利要求
1.一種透射型振幅和位相成像裝置，特徵在於其構成包括相干光源(I)，沿該相干光源(I)的輸出光束方向依次是光束空間濾波器(2)、準直透鏡(3)、小孔光闌(4)、待測透射型樣品(5)、透鏡組￠)、探測器(8)，所述的小孔光闌(4)固定在所述的ニ維電動平移臺(10)上，該小孔光闌(4)在所述的ニ維電動平移臺(10)的驅動下在垂直於光束傳播方向的平面內移動，在所述的透鏡組(6)的小孔光闌⑷的像平面(7)設置所述的探測器⑶，該探測器(8)和ニ維電動平移臺(10)與所述的計算機(9)相連； 相干光源(I)發出的光經過光束空間濾波器(2)後變成點光源並經過所述的準直透鏡(3)後變為平行光，經過小孔光闌(4)的出射光波作為待測透射型樣品(5)的照明光，即照明光為小孔光闌(4)的衍射光斑，調整小孔光闌(4)、待測透射型樣品(5)到透鏡組(6)的距離大於其焦距，並且待測透射型樣品(5)的出射光波經過透鏡組(6)後在小孔光闌(4)的像平面(7)上成放大的實像，並由放在像平面(7)上的探測器(8)接收並記錄光斑分布送所述的計算機(9)，同時探測器(8)和ニ維電動平移臺由計算機(9)進行控制。
2.利用權利要求I所述的裝置實現透射型樣品振幅和相位成像的方法，特徵在於該方法包括下列步驟 (1)數據記錄計算機(9)控制ニ維電動平移臺(10)使小孔光闌(4)在垂直於光束傳播方向的平面內進行逐行逐列掃描，相鄰兩個掃描位置處透光部分必須有重疊，最好重疊50%，小孔光闌(4)的移動由a行b列的矩陣表示，在掃描過程中的i行j列處，通過探測器⑶記錄衍射光斑的光強分布Iu，其中i為fa的正整數，j為1飛的正整數，a, b分別表示小孔光闌掃描矩陣的總行數和總列數。將I。存儲在計算機(9)中並編號以便進行計算；掃描後的光斑全部記錄完成後，拿掉待測透射型待測透射型樣品(5)，記錄只有小孔光闌(4)時的光強分布，即記錄小孔光闌(4)的放大的實像Iioleci ;去掉待測透射型樣品(5)和小孔光闌(4)，探測器位置不變，記錄光強分布Background;測量小孔光闌(4)到待測透射型樣品(5)之間的距離Z，測量小孔光闌(4)的實像的放大倍數D; (2)數據處理 (a)計算衍射斑IiJ所對應的掃描小孔光闌在掃描位置(i，j)處的屏函數CiriJ=Ciri^j的計算可以通過以下方式將小孔光闌(4)的實像Iioleci取合適的閾值得到小孔的ニ值像hole,孔內為(I),孔外為0 ;將し」.取合適的閾值,大於閾值為1，小於閾值為0,閾值的選取標準為能夠獲得清晰的小孔光闌⑷的輪廓，輪廓內為0的點可以人為設定為1，得到掃描位置(i，j)處的衍射斑ニ值像I’m，由於記錄し處為小孔光闌的實像，因此I』い即可表示在掃描位置(i，j)處相對探測器靶面小孔的屏函數，即I』 u可作為Ciru，但考慮到這樣得到的小孔光闌輪廓會有誤差，因此需要用hole中的小孔光闌輪廓來代替更加準確；計算I』 ,j與hole的相關性(即兩ニ值圖像在不同的相對位置處值為I的點的重合面積)並得到相關性最大時hole相對I' ,j移動的距離，井根據此距離移動hole得到準確的Ciru ； (b)所述計算機(9)首先對待測透射型樣品(5)的復振幅透過率<^/= 〃/ _(〃/ /_)6\丨!(ゆ)產生ー個隨機猜測值guess guess = Errand(m, n)氺exp(i*rand(m, n； * n), 其中E為振幅，rand(m，n)為產生m行n列的隨機數的函數，在計算機中以矩陣的形式存在，同時探測器記錄的數據的矩陣也為m行n列，即待測透射型樣品(5)的復振幅透過率obj = guess作為最開始的初始值,小孔光闌(4)在掃描位置(i, j)處obj的更新步驟為(C)計算小孔光闌(4)在掃描位置(i，j)處時在待測透射型樣品(5)處的光斑分布pr0i』j。
計算方法如下
3.根據權利要求2所述的實現透射型樣品振幅和相位成像的方法，特徵在於所述的精度函數SSE的計算方法，若探測器處記錄的光強分布由矩陣Im表示，而Em相應為表示相應的Uu逆傳播到小孔光闌⑷處的復振幅分布，則= Kz, . _].こ.,> 』其中i = 1，2. . . a，j = 1，2. b0
全文摘要
一種透射型樣品振幅和位相成像的裝置和方法，通過移動掃描小孔光闌用其在一定距離處的衍射斑作為樣品的照明光，並在小孔光闌在成像系統中的像面內用探測器其記錄小孔光闌在不同位置時的衍射光斑，通過計算機進行迭代運算的方式獲得樣品的復振幅透過率函數，不僅能夠獲得振幅信息還能夠實現相位成像。同時每一幅衍射圖樣不僅能夠記錄衍射斑光強分布，還能夠通過相關性運算獲得與之相對應的小孔光闌的實際位置，實現不依賴平移臺精度的再現像重建，克服了平移臺精度不足帶來的誤差。
文檔編號G01N21/59GK102866133SQ201210335109
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者潘興臣, 劉誠, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所