多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方法技术

本发明专利技术提供一种波长同时照明的非相干叠层衍射成像方法，成像过程包括以下过程：采用至少一种以上的不同激光器照明；出射的激光经过双全反射镜将光线调整至水平射出后通过双宽带分光棱镜合束；再经过空间滤波器扩束，再经过复消色差透镜准直后打到探针上；探针对待测样品进行叠层扫描；使用成像探测器记录各探针扫描位置的衍射图像的强度信息；将记录的衍射图像强度信息代入基于叠层扫描的多路复用迭代算法，恢复待测样品的复振幅分布、探针的复振幅分布和光谱权重。本发明专利技术的成像方案与相对应的算法，不仅能够恢复不同波段下对应的复振幅待测样品，同时也能恢复不同波段的光谱权重和不同波段下对应的照明探针的复振幅分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于叠层衍射成像技术(Ptychography)领域，具体涉及一种将待测待测样品用多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案，提出多路复用的叠层衍射成像算法。
技术介绍
生物和材料科学等领域中，传统的使用透镜的光学成像技术无法满足如今日益增长的高分辨率成像的需求。这些成像技术的分辨率主要受限于透镜的数值孔径大小，尤其在X射线领域中，大数值孔径的透镜是极其难以制造的。因此，叠层成像术作为一种新兴的无透镜的成像技术正受到越来越多的关注。叠层成像技术是一种无透镜的扫描相干衍射成像技术，通过控制照明光束或者待测样品，照明待测样品上的不同位置，进而用获得的一系列衍射图样进行迭代恢复出待测样品图像。参见(Ultramicroscopy10(3):187～198，1987)。叠层迭代算法本质上属于一种相位恢复算法，但是它又与传统的相位恢复算法不一样，在对每个位置的衍射分布进行相位恢复时都进行了约束，消除了解的二义性，因此相对于传统的相位恢复算法，收敛速度有了一定的提高，可以较快的恢复出样本图像信息。传统的叠层成像技术往往采用单波长照明，即使使用多波长照明来提升恢复质量也是采用依次照明的方式，参见(ActaPhys.Sin.Vol.65，No.1(2016)014204)，操作繁琐，处理周期较长；同时对光的相干性要求很高，非相干光照明一直被认为不利于衍射成像，参见(DongSY，ShiradkarR，NandaP，ZhengGA2014Biomed.Opt.Express51757)
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多波长同时照明的菲涅尔域非相干叠层衍射成像技术，可以恢复不同波段下对应的待测样品的复振幅信息，同时也能恢复不同波段的光谱权重和不同波段下对应的不同照明探针的复振幅分布。本专利技术的技术解决方案是：一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特别之处在于：包括沿光路依次设置的双宽带分光棱镜、空间滤波器、复消色差透镜、探针及成像探测器；还包括激光器，所述激光器的出射光通过双全反射镜垂直射入双宽带分光棱镜；待测样品位于探针和成像探测器之间。上述激光器为三个，分别为红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器。为了方便使用，采用孔径光阑作为探针。上述成像探测器为面阵CCD，型号为CoolsnapEZ型，单像素尺寸为6.45um×6.45um，窗口大小为1392pixels×1040pixels。上述探针距离待测样品d＝28mm，待测样品衍射至成像探测器的距离D＝100mm。本专利技术还提供一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方法，其特别之处在于：成像过程包括以下过程：1)采用至少一种以上的不同激光器照明；2)出射的激光分别经过相应的双全反射镜将光线调整至水平射出后通过双宽带分光棱镜合束；3)合束后的光线经过空间滤波器扩束，再经过复消色差透镜准直后打到探针上；4)探针通过精密机械平移台实现固定步长的扫描，对待测样品进行叠层扫描；相邻两次扫描时照射部分有交叠；使用成像探测器记录各探针扫描位置的衍射图像的强度信息；5)将步骤4)记录的衍射图像强度信息代入基于叠层扫描的多路复用迭代算法，恢复待测样品的复振幅分布、探针的复振幅分布和光谱权重。上述基于叠层扫描的多路复用迭代算法详细步骤如下：步骤5.1设待测样品的复振幅分布为Om[r(x，y)]，探针的复振幅分布为Pm[r(x，y)]，光谱权重为Sc，m，其中r(x，y)为物平面笛卡尔坐标系所对应的坐标；探针扫描步长为Rc＝(Rx，c，Ry，c)，c＝1，2，…，n，其中c为探针个数，m为波长个数；像平面笛卡尔坐标系所对应的坐标为u(x，y)；采用全1矩阵的评估方式分别随机评估不同波长下对应的待测样品复振幅分布Om[r(x，y)]、探针的复振幅分布Pm[r(x，y)]和光谱权重Sc，m；；步骤5.2结合步骤5.1评估的光谱权重Sc，m、待测样品复振幅分布Om[r(x，y)]及探针的复振幅分布Pm[r(x，y)]，根据公式(1)计算多波长同时照明待测样品后所得到的出射波的复振幅分布：Ec,m[r(x,y)]=Sc,mΣx,y|Pm[r(x,y)]|2·Pm[r(x,y)]·Om[r(x,y)]---(1)]]>步骤5.3根据公式(2)使步骤5.2的出射波衍射至像面，得到待测样品的衍射图样的复振幅分布：Ec，m[u(x，y)]＝ofrt[Ec，m[r(x，y)]](2)步骤5.4保留步骤5.3中待测样品的衍射图样相位信息，利用更新待测样品的衍射图样的振幅信息，得到更新后的衍射图样的复振幅分布：Ec,m′[u(x,y)]=Ic[u(x,y)]·Ec,m[u(x,y)]Σm|Ec,m[u(x,y)]|2---(3)]]>式中Ic[u(x，y)]为成像探测器所接收到的各个探针照明下所对应的待测样品的强度值；步骤5.5根据公式(4)对步骤5.4得到的更新的衍射图样做逆菲涅尔衍射至物面；得到更新后的多波长同时照明待测样品后的出射波的复振幅分布：Ec，m[r′(x，y)]＝iofrt[E′c，m[u(x，y)]](4)其中，ofrt和iofrt分别定义为菲涅尔衍射和逆菲涅尔衍射；步骤5.6根据步骤5.2得到的Ec，m[r(x，y)]和步骤5.5得到的Ec，m[r′(x，y)]利用公式(5)和公式(6)，并采用ePIE算法的更新式，参见(MaidenAM，RodenburgJM2009Ultramicroscopy1091256)，更新出不同波长下对应的待测样品的复振幅分布和探针的复振幅分布：式中α，β分别对应于算法的搜索步长，令α，β均为1，*代表复共轭计算，且步骤5.7根据步骤5.6得到的探针的复振幅分布更新不同波长对应的光谱权重：Sc，m＝∑x，y|Pm[r(x，y)]|2(8)重复步骤5.2-5.7直到各个探针照明下成像探测器所接收的衍射图样的强度信息即Ic[u(x，y)]都被使用完后，视为完成了一次迭代；经过多次迭代后，当相应的步骤5.4得到的E′c，m[u(x，y)]与步骤5.3得到的Ec，m[u(x，y)]的均方误差小于0.01时，该算法达到收敛；收敛的条件即均方误差的大小视具体需求而定，这里的0.03是经过多次尝试选择的经验值。均方误差的计算公式为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的双宽带分光棱镜、空间滤波器、复消色差透镜、探针及成像探测器；还包括激光器，所述激光器的出射光通过双全反射镜垂直射入双宽带分光棱镜；待测样品位于探针和成像探测器之间。

【技术特征摘要】
1.一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特征在于：包括沿光路依次设
置的双宽带分光棱镜、空间滤波器、复消色差透镜、探针及成像探测器；还包括激光器，所述
激光器的出射光通过双全反射镜垂直射入双宽带分光棱镜；待测样品位于探针和成像探测
器之间。
2.根据权利要求1所述的一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特征在
于：所述激光器为三个，分别为红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器。
3.根据权利要求1或2所述的多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特征在
于：采用孔径光阑作为探针。
4.根据权利要求1或2所述的多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特征在
于：所述成像探测器为面阵CCD，型号为CoolsnapEZ型，单像素尺寸为6.45um×6.45um，窗
口大小为1392pixels×1040pixels。
5.根据权利要求1所述的多波长同时照明的非相干叠层衍射成像系统，其特征在于：所
述探针距离待测样品d＝28mm，待测样品衍射至成像探测器的距离D＝100mm。
6.一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方法，其特征在于：成像过程包括以下
过程：
1)采用至少一种以上的不同激光器照明；
2)出射的激光分别经过相应的双全反射镜将光线调整至水平射出后通过双宽带分光
棱镜合束；
3)合束后的光线经过空间滤波器扩束，再经过复消色差透镜准直后打到探针上；
4)探针通过精密机械平移台实现固定步长的扫描，对待测样品进行叠层扫描；相邻两
次扫描时照射部分有交叠；使用成像探测器记录各探针扫描位置的衍射图像的强度信息；
5)将步骤4)记录的衍射图像强度信息代入基于叠层扫描的多路复用迭代算法，恢复待
测样品的复振幅分布、探针的复振幅分布和光谱权重。
7.根据权利要求6所述的多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方法，其特征在于：步
骤5)的具体过程如下：
步骤5.1设待测样品的复振幅分布为Om[r(x,y)]，探针的复振幅分布为Pm[r(x,y)]，光
谱权重为Sc,m，其中r(x,y)为物平面笛卡尔坐标系所对应的坐标；探针扫描步长为Rc＝
(Rx,c,Ry,c),c＝1,2,…,n，其中c为探针个数，m为波长个数；像平面笛卡尔坐标系所对应的
坐标为u(x,y)；
采用全1矩阵的评估方式分别随机评估不同波长下对应的待测样品复振幅分布Om[r(x,
y)]、探针的复振幅分布Pm[r(x,y)]和光谱权重Sc,m；
步骤5.2结合步骤5.1评估的光谱权重Sc,m、待测样品复振幅分布Om[r(x，y)]及探针的复
振幅分布Pm[r(x,y)]，根据公式(1)计算多波长同时照明待测样品后所得到的出射波的复
振幅分布：
Ec,m[r(x,y)]=Sc,mΣx,y|Pm[r(x,y)]|2·Pm[r(x,y)]·Om[r(x,y)]---(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩洋，何俊华，闫亚东，韦明智，潘安，万能，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61