用于分析高清晰度电磁波的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种方法，包括：通过衍射元件(2)接收入射电磁波(9)，并通过衍射元件(2)将入射电磁波(9)转换为衍射电磁波(10)；由矩阵阵列传感器(4)接收衍射电磁波(10)，该矩阵阵列传感器(4)包括沿一个或两个像素对准轴(13、14)排列的像素的矩阵阵列。该方法包括通过矩阵阵列传感器(4)对衍射电磁波(10)的信号进行几次采集，该采集与衍射元件(2)和矩阵阵列传感器(4)之间的多个相对位置相对应。本发明专利技术还涉及实现该方法的设备(1)。

Method and equipment for analysis of high resolution electromagnetic waves

The present invention relates to a method for receiving an incident electromagnetic wave (9) by a diffraction element (2) and converting the incident electromagnetic wave (9) into a diffraction electromagnetic wave (10) by a diffraction element (2); and receiving a diffraction electromagnetic wave (10) by a matrix array sensor (4), which comprises a matrix array of pixels arranged along one or two alignment axes (13, 14). The method includes several acquisitions of the signal of the diffracted electromagnetic wave (10) by a matrix array sensor (4), which corresponds to multiple relative positions between the diffraction element (2) and the matrix array sensor (4). The invention also relates to a device (1) for realizing the method.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于分析高清晰度电磁波的方法和设备
本专利技术涉及一种用于分析(通常测量复数域)高清晰度电磁波的方法。本专利技术还涉及一种实现根据本专利技术的方法的设备。本专利技术允许用户在波前分析仪的分辨率和清晰度方面改进性能。本专利技术的领域更具体地是电磁波或“波前”的相位分析仪的领域。
技术介绍
相位图像的分辨率带来了很大的问题。根据现有技术，基于Shack-Hartmann技术的波前分析仪是已知的。该技术使用放置在矩阵阵列传感器前面的微透镜矩阵阵列。这种微透镜的矩阵阵列使得可以对入射波前进行空间采样。每个微透镜都聚焦在传感器的每个波前的不同样本上。测量传感器上的这些不同点的位置使得可以计算入射波前的相位梯度。然而，为了能够计算每个斑点的质心，必须将其扩散分布在传感器的几个像素上。因此后者被细分，每个子部分对应于数个像素，通常为16×16个像素。这些子部分中的每一个使得可以获得单个相位测量点。相位图像的空间分辨率相对于传感器的分辨率降低了。为了提高空间分辨率，根据现有技术已知一种包括面向传感器的光栅的波前分析仪，例如Phasics销售的SID4参考系列，如2009年发表于OpticsExpress期刊(第17卷第15期)上的文章“Quadriwavelateralshearinginterferometryforquantitativephasemicroscopyoflivingcells”中所用到的。这些分析仪使得可以通过称为四波横向剪切干涉的技术来表征入射波前。由于记录的干涉图是准正弦曲线，因此少量像素，优选4×4像素，允许对其变形进行采样，并可以计算入射波前的相位梯度，从而相对于Shack-Hartmann技术，提高了测量的分辨率。然而，应当注意，相位图像的空间分辨率仍然低于传感器的分辨率。相位分析方法也是已知的，例如2012年发表于OpticsExpress期刊(第20卷第15期)的文章“Spatialcarrierphase-shiftingalgorithmbasedonprincipalcomponentanalysismethod”中描述的方法。根据该方法，记录单个干涉图，然后假设某些数据，特别是相位数据在一定数量的像素上是恒定的，由计算机生成在空间上偏移了该数量的相邻像素的其他干涉图。该方法使得可以快速获得相位图像。然而，由于假设相位在几个像素上是恒定的，因此得到的相位图像的分辨率仍然不是所使用的传感器的分辨率。相位测量的分辨率因此相对于传感器的分辨率降低了。根据现有技术的该方法的目的不是得到具有高分辨率的相位图像，而是以稍微降低的分辨率快速地获得相位图像。本专利技术的目的是提出一种用于分析电磁波的方法和/或设备，其相对于现有技术更快和/或更紧凑和/或具有改进的清晰度或分辨率。
技术实现思路
该目的通过一种用于分析电磁波的方法来实现，该方法包括：-由衍射元件接收入射电磁波，并且由该衍射元件将该入射电磁波转换成衍射电磁波，通常包括由衍射元件的透射或反射，-由矩阵阵列传感器接收衍射电磁波的干涉图案，矩阵阵列传感器具有沿一个或两个像素对准轴排列的像素矩阵阵列，该方法包括由矩阵阵列传感器对衍射电磁波的信号进行几次采集，该几次采集对应于衍射元件与矩阵阵列传感器之间的几个相对位置。该方法包括根据对应于衍射元件和矩阵阵列传感器之间的几个相对位置的几次采集来计算入射电磁波的不同感兴趣点的强度和/或相位梯度和/或相位的值。优选地，在衍射元件和传感器之间没有光学掩模和/或其他衍射元件。优选地，在衍射元件和传感器之间没有光学元件。衍射元件能够产生入射电磁波到传感器的衍射级，优选地：-入射电磁波到传感器的至少两个衍射级，特别是在具有一个维度的情况下(例如在衍射元件是具有沿周期性轴的空间周期性的周期图案的情况下)。-入射电磁波到传感器的至少三个衍射级(优选至少四个级)，特别是在具有两个维度的情况下(例如在衍射元件是具有沿两个或两个以上周期性轴的空间周期性的周期图案的情况下)。由矩阵阵列传感器接收并且在计算强度和/或相位梯度和/或相位的值时所考虑的干涉图案能够包括至少九个谐波，或甚至至少十三个谐波，通常为：-九个谐波，例如在常规笛卡尔网格上的完美正弦光栅的四个衍射级的情况下，-十三个谐波，例如在五个衍射级的情况下，该五个衍射级对应于上述四个级和沿光学(或镜面)轴的0级。几个相对位置的数量能够等于干涉图案的谐波的数量，该干涉图案由矩阵阵列传感器接收并且被处理装置在计算强度和/或相位梯度和/或相位的值时考虑。根据本专利技术的方法能够包括仅由衍射元件产生入射电磁波的衍射级。衍射元件优选地是周期图案，其具有沿着至少一个或两个周期性轴的空间周期性(和/或优选地分别沿至少一对或两对空间衍射方向的衍射特性)。优选地，在以下各项之间存在倾斜角度：-周期图案的周期性轴，与-传感器的像素的对准轴和/或衍射元件与矩阵阵列传感器之间的相对位置的移位轴在周期图案的平面上的投影。周期图案的周期性轴与像素的对准轴之间的角度能够具有与像素的对准轴和移位轴之间的另一角度不同的值。根据本专利技术的方法能够包括计算倾斜角度的最优值。计算倾斜角度的最优值能够包括使对应于方程组的矩阵的行列式或条件数最大化，该方程组优选地包括与衍射元件和矩阵阵列传感器之间的几个相对位置的数量一样多的方程。根据本专利技术的方法还能够包括调整该角度，优选地调整到其最优值。对于入射电磁波的固定位置，该几个位置优选地对应于衍射元件和矩阵阵列传感器之间的几个相对位置。对于入射电磁波的固定位置和对于矩阵阵列传感器的固定位置，该几个位置优选地与衍射元件的几个位置相对应。该几个位置优选对应于沿一个或两个或更多的位移轴的在衍射元件和矩阵阵列传感器之间的相对位置，移位轴优选彼此正交。每个移位轴或至少一个移位轴能够与入射电磁波在衍射元件上的传播方向正交。按照以下各项，衍射元件和矩阵阵列传感器之间的每个相对位置能够与其他相对位置中的至少一个不同：-沿第一移位轴的第一间距，该第一间距优选地对于所有相对位置是恒定的，和/或-沿第二移位轴的第二间距，该第二间距优选地对于所有相对位置是恒定的。根据本专利技术的方法能够包括计算第一间距的最优值和/或第二间距的最优值(包括当间距不恒定时的计算)。计算第一间距的最优值和/或第二间距的最优值能够包括使与方程组相对应的矩阵的行列式或条件数最大化，该方程组优选地包括与衍射元件和矩阵阵列传感器之间的几个相对位置的数量一样多的方程。所述几个位置能够对应于至少三个不同的位置。所述几个位置能够对应于至少九个不同的位置，或甚至至少十三个不同的位置。衍射元件优选地具有沿至少两个周期性轴的空间周期性。在一个变型中，该衍射元件能够是可相对于矩阵阵列传感器移动的衍射元件。衍射元件能够包括Hartmann掩模、Shack-Hartmann掩模、衍射光栅和/或强度光栅与相位光栅的组合。在另一个变型中，衍射元件能够由相对于矩阵阵列传感器固定的光学部件承载或显示，所述光学部件被布置成使衍射元件(或该衍射元件的显示)相对于矩阵阵列传感器移位，所述光学部件优选是(例如具有液晶的)空间光调制器。计算强度和/或相位梯度和/或相位的值能够包括求解方程组，该方程组优选地包括与衍射元件和矩阵阵列传感器之间的几个相对位置的数量一样多的方程。能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于分析电磁波的方法，包括：‑由衍射元件(2)接收入射电磁波(9)，并且由所述衍射元件(2)将该入射电磁波(9)转换为衍射电磁波(10)，‑由矩阵阵列传感器(4)接收衍射电磁波(10)的干涉图案，所述矩阵阵列传感器(4)具有沿一个或两个像素对准轴(13、14)排列的像素矩阵阵列，所述方法包括由矩阵阵列传感器(4)对衍射电磁波(10)的信号进行几次采集，所述采集对应于衍射元件(2)与矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置，所述方法包括：根据对应于衍射元件(2)与矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置的几次采集来计算入射电磁波(9)的不同感兴趣点的强度和/或相位梯度和/或相位的值，其特征在于，衍射元件(2)产生入射电磁波(9)到传感器(4)的至少三个衍射级。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 FR 16594111.一种用于分析电磁波的方法，包括：-由衍射元件(2)接收入射电磁波(9)，并且由所述衍射元件(2)将该入射电磁波(9)转换为衍射电磁波(10)，-由矩阵阵列传感器(4)接收衍射电磁波(10)的干涉图案，所述矩阵阵列传感器(4)具有沿一个或两个像素对准轴(13、14)排列的像素矩阵阵列，所述方法包括由矩阵阵列传感器(4)对衍射电磁波(10)的信号进行几次采集，所述采集对应于衍射元件(2)与矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置，所述方法包括：根据对应于衍射元件(2)与矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置的几次采集来计算入射电磁波(9)的不同感兴趣点的强度和/或相位梯度和/或相位的值，其特征在于，衍射元件(2)产生入射电磁波(9)到传感器(4)的至少三个衍射级。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在衍射元件(2)和传感器(4)之间不存在光学掩模和/或任何其他衍射元件。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在衍射元件(2)和传感器(4)之间不存在光学元件。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，衍射元件(2)产生入射电磁波(9)到传感器(4)的至少四个衍射级。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，矩阵阵列传感器接收的并且在计算强度和/或相位梯度和/或相位的值时所考虑的干涉图案包括至少九个谐波。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括仅由衍射元件(2)产生入射电磁波(9)的衍射级。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述衍射元件是具有沿至少一个或两个周期性轴的空间周期性的周期图案。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在以下之间存在倾斜角度(15)：-周期性轴(11、12)，与-像素对准轴(13、14)和/或在衍射元件与矩阵阵列传感器之间的相对位置的移位轴在衍射元件的平面上的投影。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括计算倾斜角度(15)的最优值：-计算强度和/或相位梯度和/或相位的值的步骤包括求解方程组，该方程组包括与衍射元件(2)和矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置的数量一样多的方程，-设置倾斜角度(15)的最优值，以最小化所述方程组的未知数的计算误差，-所述方法包括将该倾斜角度(15)调节成所计算的最优值。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，计算倾斜角度(15)的最优值的步骤包括使对应于该方程组的矩阵的行列式或条件数最大化，该方程组包括与衍射元件(2)和矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置的数量一样多的方程。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于入射电磁波(9)的固定位置，所述几个位置对应于在衍射元件(2)和矩阵阵列传感器(4)之间的几个相对位置。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于入射电磁波(9)的固定位置以及对于矩阵阵列传感器(4)的固定位置，所述几个位置对应于衍射元件(2)的几个相对位置。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述几个位置对应于在衍射元件(2)和矩阵阵列传感器(4)之间的沿两个移位轴(16、17)的几个相对位置，所述移位轴优选彼此正交。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，两个移位轴(16、17)中的至少一个与衍射元件(2)上入射电磁波(9)的传播方...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯诺瓦·瓦特利耶，阿奈·圣托扬，
申请(专利权)人：菲兹克斯公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR