一种新型三步无透镜相干衍射成像方法技术

一种新型三步无透镜相干衍射成像的方法。应用经准直和扩束的激光束照明待测物体，分别记录下在CCD前端无平行平晶、有一块平行平晶和有两块平行平晶的三幅衍射图样；用本发明专利技术所提出的滤波与相干衍射衍射成像相结合的算法对采集的三幅衍射图样进行处理，重建待测样品的复振幅图像。该发明专利技术有效的解决了传统的相干衍射成像方法存在的需多次移动CCD或待测样品的瓶颈问题，同时也解决在移动过程的随机误差以及实验的可操作性问题。本发明专利技术实验操作简单快捷，可操作性强，以及相干衍射成像算法与滤波的有效结合，提高了收敛速度与样本的恢复效果。

【技术实现步骤摘要】
一种新型三步无透镜相干衍射成像方法
本专利技术涉及光学衍射成像
，具体涉及一种新型三步无透镜相干衍射成像方法。
技术介绍
无透镜相干衍射成像近年来已经有了许多的发展，该方法技术一般采用迭代算法。从物体的衍射强度图样中重现出物体的复振幅信息而不需要参考光，具有非常宽广的波长适用范围，已经广泛运用于X射线和电子束的无透镜相干衍射成像中。参见(Opt.Lett.31，3095-3097(2006)；J.Opt.Soc.Am.A25，416-422(2008)；Nat.Phys.，4，394-398(2008)；Appl.Opt.21，2758-2769(1982)；J.Opt.Soc.Am.A23，1179-1200(2006))由一束相干光照射样品后，在CCD上接收到由样品产生的衍射图样。为了获得更加精确的振幅与相位信息，通过不断的改变CCD与样品的相对距离以获得更多不同衍射距离的衍射图样。参见(Opt.Lett.30(8)，833-5(2005))但上这些技术方案，它们有如下技术缺陷：需要获得多个不同距离的衍射面，在实施过程中采取移动样品或CCD的方式来改变距离，这种方法需要不断重复的改变样品或CCD的摆放位置，需要大量的重复工作，与此同时引入了直接影响实验结果的随机误差，所获得采样图样精度不高，且需要过采样，实验操作周期长以及可操作性弱，成像的时效性很差。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述问题，本专利技术的目的是提供一种新型三步无透镜相干衍射成像方法。本专利技术提高成了像系统的时效性与可操作性，简化实施操作的步骤，改进需要通过改变CCD或样品的摆放位置来改变它们之间相对距离的方法，克服大量改变相对距离的重复性工作，降低由于实验操作所带的随机误差，避免过采样，能对复振幅型物体做到快速且成像质量好的恢复重建，使具体实验操作简单易实现。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现，一种新型三步无透镜相干衍射成像的方法，包括以下步骤：1)搭建三步无透镜相干衍射成像系统的光路，加入待测样品；2)以一束可见平行光束照射待测样品，利用CCD采集到第一幅衍射图样；3)在待测样品与CCD之间加入第一块平行平晶，利用CCD采集到第二幅衍射图样；4)在待测样品与CCD之间加入第二块平行平晶，利用CCD采集到第三幅衍射图样；5)利用步骤2)～4)得到的三幅不同距离的衍射图样，以相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，对待测样品的图像振幅与相位恢复重建，得到无透镜的相干衍射成像图像；其中，所述步骤5)中的相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，物平面上的初始的复振幅分布为g0(x0,y0)任意的复振幅分布。所述待测样品为纯振幅型，第k+1次迭代后物平面上的复振幅分布如公式(2)所示：g(k+1)(x0,y0)＝|g(k)(x0,y0)|(1)。所述待测样品为为复振幅型，第k+1次迭代后物平面上的复振幅分布如公式(3)所示：g(k+1)(x0,y0)＝g(k)(x0,y0)(2)。所述g(k)(x0,y0)表示第k次迭代获得的物函数的复振幅分布，g(k)(x0,y0)由公式(4)-公式(14)迭代得到：式中，FrT表示菲涅耳衍射正变换，IFrT表示菲涅耳衍射逆变换，分别为第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代后的复振幅分布，|F1(x1，y1)|2、|F2(x2，y2)|2、|F3(x3，y3)|2分别为在第1、第2、第3衍射平面上实际测得的振幅分布，φ1(x,y)、φ2(x,y)、φ3(x,y)分别表示第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代后的相位分布，G1(k)'(x1,y1)、G2(k)'(x2,y2)、G3(k)'(x3,y3)分别为第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代振幅部分经过校正的复振幅分布。其中(4)-(14)为一个循环，初始k＝0。随着循环次数k的增加，直至输出理想的物体的复振幅重建图样。所述无透镜相干衍射成像系统的光路，包括氦氖激光器、第一平行平晶和第二平行平晶，氦氖激光器的光源产生激光后，光线经准直扩束系统扩束后，平行光依次经待测样品所处的第一衍射平面、第一平行平晶所处的第二衍射平面、以及第二平行平晶所处的第三衍射平面后，由CCD图像传感器记录成像图像、并将成像图像传输给计算机，计算机对CCD图像传感器记录的成像图像进行处理。所述氦氖激光器的光源产生波长为632nm的红光。本专利技术与现有的技术方案相比存在以下有益效果：1)将“想要得到多距离衍射面上的不同衍射图样，而需重复的移动CCD或移动待测样品的相对距离”这样的实验操作方式进行了根本的变比，使得实验实施性得到质的提升。2)通过插入平行平晶来获得不同距离的衍射面上的衍射图样，避免在移动过程所带来的随机误差，实验操作时效性很大幅提升，增强实验的可操作性。3)在算法中引入了滤波处理，将滤波和相干衍射算法进行了有效的融合，使得在图像恢复过程中，收敛速度与精确度大幅度提升。4)所述的待测样品，可以为纯振幅或复振幅型样品，且对复振幅样品的恢复效果更具有优势。由于采取本专利技术提出的依次加入平行平晶的方法，使得人为引起的随机误差减小，不需要过采样，利用三幅衍射图样，完成对样品的图样的恢复重建，采用本专利技术的所提出的三步无透镜相干衍射成像系统，大大的简化实验操作步骤。附图说明图1是本专利技术的新型三步无透镜相干衍射成像方法原理图；图2是本专利技术的新型三步无透镜相干衍射成像方法的光路原理图；图3是本专利技术的无平行平晶时图像采集器CCD接收第一幅衍射图样；图4是本专利技术插入一块平行平晶后图像采集器CCD接收第二幅衍射图样；图5是本专利技术插入两块平行平晶后图像采集器CCD接收第三幅衍射图样；图6是本专利技术对纯振幅型样品的仿真实验系列图；图7是本专利技术对复振幅型样品的仿真实验系列图。图中，1为氦氖激光器；2为准直扩束系统；3为待测样品；4为第一平行平晶；5为第二平行平晶；6为CCD图像传感器；7为计算机。具体实施方式为了更好的理解本专利技术的具体内容及实施过程，下面将结合说明书附图，对实施新型三步无透镜相干衍射成像方法的具体过程进行详细说明。参照图1～图5，一种新型三部无透镜相干衍射成像方法的光路系统，包括氦氖激光器、第一平行平晶和第二平行平晶，氦氖激光器的光源产生激光后，光线经准直扩束系统扩束后，平行光依次经待测样品所处的第一衍射平面、第一平行平晶所处的第二衍射平面、以及第二平行平晶所处的第三衍射平面后，由CCD图像传感器记录成像图像、并将成像图像传输给计算机，计算机对CCD图像传感器记录的成像图像进行处理。参照图2，搭建实验光路图，使用，氦氖激光器波长为632nm的红光，安装准直扩束系统，然后摆放待测样品，分别准备纯振幅型与复振幅型的样品以便在实验中可以形成样品对比，相隔距离Z0后摆放CCD图像传感器，并将CCD图像传感器连接至计算机，并且准备实验所需要的两块平行平晶、以便在实验过程中使用。参照图3，搭建好光路图后，第一步，打开图像采集器CCD采集第一幅样品衍射图样，并保存。如图4所示，第二步，在与样品的的距离为Z1处插入第一块平行平晶，CCD采集第二幅衍射图样，并保存。如图5所示，第三步，在与平行平晶的距离为Z2处插入第二块平行平晶，CCD采集第三幅衍射图样，并保存。按上述过程实施具体的操作步骤，然后利用计算机对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型三步无透镜相干衍射成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)搭建三步无透镜相干衍射成像系统的光路，加入待测样品；2)以一束可见平行光束照射待测样品，利用CCD采集到第一幅衍射图样；3)在待测样品与CCD之间加入第一块平行平晶，利用CCD采集到第二幅衍射图样；4)在待测样品与CCD之间加入第二块平行平晶，利用CCD采集到第三幅衍射图样；5)利用步骤2)～4)得到的三幅不同距离的衍射图样，以相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，对待测样品的图像振幅与相位恢复重建，得到无透镜的相干衍射成像图像；其中，所述步骤5)中的相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，物平面上的初始的复振幅分布g

【技术特征摘要】
1.一种新型三步无透镜相干衍射成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)搭建三步无透镜相干衍射成像系统的光路，加入待测样品；2)以一束可见平行光束照射待测样品，利用CCD采集到第一幅衍射图样；3)在待测样品与CCD之间加入第一块平行平晶，利用CCD采集到第二幅衍射图样；4)在待测样品与CCD之间加入第二块平行平晶，利用CCD采集到第三幅衍射图样；5)利用步骤2)～4)得到的三幅不同距离的衍射图样，以相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，对待测样品的图像振幅与相位恢复重建，得到无透镜的相干衍射成像图像；其中，所述步骤5)中的相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，物平面上的初始的复振幅分布g(0)(x0,y0)为任意的复振幅分布。2.根据权利要求1所述的一种新型三步无透镜相干衍射成像的方法，其特征在于，所述g(k)(x0,y0)表示物平面上的复振幅分布，由任意选取的物平面上初始复振幅分布公式g(0)(x0,y0)，代入(4)～(14)迭代k次后计算得到迭代得到(初始迭代次数k＝0)：

【专利技术属性】
技术研发人员：李拓，刘丹，刘辉，代饶，张芝琳，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61