CN103246077A - 利用光栅实现物体成像的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用光栅实现物体成像的装置，其构成包括光源、二维光栅、固定待测样品的载物台和衍射斑记录器，所述的光源发出的光依次经过二维光栅、待测样品和衍射斑记录器，所述的光源、二维光栅、待测样品和衍射斑记录器的位置关系应满足：所述的衍射斑记录器能同时记录N×N个子衍射光斑，其中N>=3，且相邻子光斑中心之间距大于每个子光斑的直径。本发明利用光栅结合现有的PIE算法实现成像的装置，能够实现成像质量不依赖平移台精度，只需要单次曝光就能够通过PIE算法进行成像。

Description

利用光栅实现物体成像的装置

技术领域

本发明涉及物体成像，特别是一种利用光栅实现物体成像的装置。

背景技术

当测量出物体出射波函数传播一定距离后的振幅和相位分布之后，可以通过角谱理论或者菲涅尔公式逆推计算出物体出射波函数的分布，去掉照明光的复振幅分布后即为物体的透过率或者反射率函数，即能实现物体成像，但由于通常仪器不能直接测量相位分布，只能提供光强分布，而物体的结构信息主要体现在相位中，因此相位分布的测量是成像领域的一个必须解决的问题。目前常见一种方式是通过全息光路对波前进行恢复，但需要引入参考光，对光路的稳定性要求较高；另外一种方式为记录一幅或多幅衍射斑，通过计算机进行反复迭代而得到波前相位分布，即为相干衍射成像（Coherent Diffraction Imaging，简称为CDI）,其主体思想最早由Fienup在1978年提出（参见J.R.Fienup,Optics Letters2,27(1978)），但对于相位复杂的样品Fienupd的方法往往不能恢复，直到2004年Rodenburg提出一种通过扫描样品或者照明光记录多幅衍射光斑进行波前相位恢复的PIE（参见A phaseretrieval algorithm for shifting illumination，Rodenburg,Applied PhysicsLetters,2004,85(20),4795-4797；Error tolerance of an iterative phaseretrieval algorithm for moveable illumination microscopy，FaulknerUltramicroscopy,2005,103(2),153-164；Hard-X-Ray Lensless Imaging ofExtended Objects，Rodenburg Physical Review Letters,2007,98(3),034801.）算法。

PIE的基本光路为，发散球面波传播一段距离后传播到待测样品面，其分布作为照明光P，待测样品相对于照明光在(x,y)平面内逐行逐列移动，并记录其照射待测样品后的出射光传播距离z的衍射光斑I，考虑待测样品移动的相对性，其扫描过程等价于待测样品不动，照明光进行相对移动，因此可以认为照明光P在(x,y)平面内移动，并且移动矩阵为m行n列，分别对应x方向和y方向的移动，若照明光移动步长为step，则在移动(m-1)step和(n-1)step后，照明光可以表示为P_m,n，其照射待测样品后出射波函数为ψ_m,n＝P_m,n·O，用符号F和F^-1分别表示光束的正向传播过程和逆向传播过程，则样品出射波函数传播到光斑记录面的复振幅分布为E_m,n=F(ψ_m,n)，记录到的相应衍射光斑光强分布为I_m,n＝|E_m,n|²。PIE算法能够成功的关键在于相邻两次扫描范围有部分重叠，以4×4移动矩阵为例，其扫描关系如图1所示，照明光扫描的范围即为四个出射波函数ψ_1,1、ψ_1,2、ψ_2,1、ψ_2,2的范围，它们相邻之间彼此部分重叠，因此记录到的四个衍射光斑中都包含待测样品的部分相同信息。

待测样品分布重建的过程如下：

对待测样品的分布O给一个随机猜测，比如0～1的随机分布。

1)取出记录的光斑I_m,n，计算对应的照明光P_m,n照射样品O后出射波函数：

ψ_m,n＝P_m,n·O传播到光斑记录面的衍射光斑E_m,n：

其中

为对应的相位分布。

2)使用实际记录的衍射光斑的振幅分布sqrt(I_m,n)代替|E_m,n|，并保留相位不变，得到更新后的E'_m,n：

3)逆传播E'_m,n到待测样品面，得到更新的样品出射波函数D_m,n：

D_m,n=F^-1(E′_m,n)

4)通过以下公式根据照明光分布P_m,n对待测样品分布O进行更新，得到O':

$O^{\′}=O+\frac{\left|P_{m,n}\right|}{{\left|P_{m,n}\right|}_{\max }}\frac{\mathrm{conj}\left(P_{m,n}\right)}{{\left|P_{m,n}\right|}^2+\mathrm{\α}}(D_{m,n}-P_{m,n}\·O)$

其中，α为防止|P_m,n|²为0处分母无意义。

5)若一共扫描记录了p×q个光斑，则依次使用这些光斑重复上述步骤2)～5)，不过需要注意的是，第一次循环上述步骤时，步骤2)中的O为步骤1)产生的随机分布，而往后的步骤2)中的O为利用上一个衍射光斑更新得到的O'。

6)当所有记录的光斑都迭代过一次之后计算误差

其中N为矩阵的像素个数，若SSE足够小，则计算得到的O即为最终重建结果，否则再重复以上步骤2)-6)，直到获得较小的SSE为止。

以4×4个移动矩阵为例，其迭代过程如图1所示，首先对待测样品分布随机猜测，①计算样品出射波函数ψ_1,1＝P_1,1·O的衍射光斑并用sqrt(I_m,n)更新其振幅，逆向传播到样品面对样品分布进行更新后得到样品分布O_1,1，②计算样品出射波函数ψ_1,2＝P_1,2·O_1,1的衍射光斑并用sqrt(I_1,2)更新其振幅，逆向传播到样品面对样品分布进行更新后得到样品分布O_1,2，③计算样品出射波函数ψ_2,1＝P_2,1·O_1,2的衍射光斑并用sqrt(I_2,1)更新其振幅，逆向传播到样品面对样品分布进行更新后得到样品分布O_2,1，④计算样品出射波函数ψ_2,2＝P_2,2·O_2,1的衍射光斑并用sqrt(I_2,2)更新其振幅，逆向传播到样品面对样品分布进行更新后得到样品分布O_2,2，⑤计算误差SSE，若较大，则继续步骤①～④，且步骤①中O的初始值为O_2,2，否则即为重建的最终结果。

虽然PIE算法收敛速度快，对噪声具有良好的抗性，理论上能够达到衍射极限的分辨率，同时由于采用扫描方式使所成像具有扩展性，能够对复杂物体成像，在激光、x射线和电子束成像领域都得到成功实现，使相干衍射成像能够实际应用，但由于采用扫描方式，对扫描台的精度要求比较高，扫描过程需要一定时间，若波前变化较快，或者光源能量较高，多次扫描对待测样品具有破坏性时，比如电子束由于能量较高，待测样品往往在多次扫描后会破坏，该种方案将不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光栅实现物体成像的装置，该装置利用光栅结合现有的PIE算法实现成像的装置，能够实现成像质量不依赖平移台精度，只需要单次曝光就能够通过PIE算法进行成像。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用光栅实现物体成像的装置，特点在于其构成包括光源、二维光栅、固定待测样品的载物台和衍射斑记录器，所述的光源发出的光依次经过二维光栅、待测样品和衍射斑记录器，所述的光源、二维光栅、待测样品和衍射斑记录器的位置关系应满足：所述的衍射斑记录器能同时记录N×N个子衍射光斑，其中N>=3，且相邻子光斑中心之间距大于每个子光斑的直径。

所述的光源为相干光源或部分相干光源，包括激光、X射线或电子束。

所述的光栅为透射式光栅或反射式光栅。

所述的衍射光斑记录器为光电耦合器件CCD。

所述的二维光栅为反射式光栅时，调整二维光栅和载物台的位置，使光源发出的光通过二维光栅反射的多个子照明光照射在待测样品需要成像的区域，并且各个子照明光到达待测样品时的分布满足PIE算法中扫描光分布的关系，即相邻两个子照明光中心之间有部分重叠。

所述的二维光栅为透射式光栅时，调整二维光栅和载物台的位置，使光源发出的光通过二维光栅透射的多个子照明光照射在待测样品需要成像的区域，并且各个子照明光到达待测样品时的分布满足PIE算法中扫描光分布的关系，即相邻两个子照明光中心之间有部分重叠。

所述的待测样品为反射式时，调整衍射斑记录器的位置，使衍射斑记录器能够同时记录经待测样品的反射光的N×N（N>=3)个子衍射斑，且相邻子光斑中心之间距大于每个光斑的直径。

所述的待测样品为透射式时，调整衍射斑记录器的位置，使记录透过待测样品的N×N（N>=3)个子衍射斑，且相邻子光斑中心之间距大于每个光斑的直径。

光斑记录的过程如下：依据待测样品3的特点，选择合适的光源1，二维光栅2和衍射斑记录器5。调整光路，打开光源1，调整衍射斑记录器5曝光时间，记录衍射光斑I并存储，由于同时记录了多个子衍射光斑，相当于用标准PIE算法扫描了N×N次，因此对记录的光斑I进行截取，可以用PIE算法进行成像。

附图说明

图1是照明光对待测样品进行扫描4次时照明光的扫描分布及迭代顺序示例

图2是利用光栅实现物体成像的装置实施例1示意图，照明光为发散光

图3是利用光栅实现物体成像的装置实施例2示意图，照明光为平行光

图4是使用光栅实现物体成像的装置实施例3示意图，光栅为反射式二维光栅

图5是利用光栅实现反射式物体成像的装置实施例4示意图，待测样品3为反射式的待测样品

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅附图2，图2是利用光栅实现物体成像的装置。由图可见，本发明利用光栅实现物体成像的装置的构成包括光源1、二维光栅2、固定待测样品3的载物台4和衍射斑记录器5，所述的光源1发出的光依次经过二维光栅2、待测样品3和衍射斑记录器5，调整光源1、二维光栅2、待测样品3和衍射斑记录器5的位置，使所述的衍射斑记录器5同时记录N×N（N>=3)个子衍射斑，且相邻子光斑之间距大于每个光斑的直径。

光源1照射光栅2，经过光栅2透射后传播距离L照射到待测物体3上，经过待测物体3透射后的光波传播距离T后由衍射斑记录器件5接收。

下面是一个具体实施例的参数：光源1为632.8nm的激光，光栅2为50线透射型二维光栅，待测样品3为透射型生物样品，光斑记录器件5为2048×2048,分辨率7.4微米的CCD，采用焦距为100mm的凸透镜提供汇聚球面波，调整光路，使L=8.5mm,T=91.5mm,Z=16.5mm。使得待测样品3上的照明光分布满足PIE的要求，CCD靶面大小能够同时记录4×4个子衍射斑，并且相邻光斑之间距离大于每个光斑的直径。

打开光源，记录衍射光斑I并存储，衍射光斑包含16个子光斑并以4行4列形式分布，用边长为512个像素的方框分别截取出16个子衍射光斑，并且放在2048*2048的矩阵中作为新的光斑分布，其子光斑在矩阵中的相对位置和在光斑Ｉ中的完全一样，得到的16幅光斑对应的照明光只有相位倾斜因子不同，振幅相同，因此可以等价于使用PIE算法中扫描待测样品4×4次并记录16幅光斑，可以使用PIE算法进行恢复成像。

图3是利用光栅实现物体成像的装置实施例2示意图，照明光为平行光。

图4是使用光栅实现物体成像的装置实施例3示意图，光栅为反射式二维光栅。

图5是利用光栅实现反射式物体成像的装置实施例4示意图，待测样品3为反射式待测样品。

Claims (8)

1.一种利用光栅实现物体成像的装置，特征在于其构成包括光源(1)、二维光栅(2)、固定待测样品（3）的载物台（4）和衍射斑记录器(5)，所述的光源（1）发出的光依次经过二维光栅(2)、待测样品（3）和衍射斑记录器(5)，调整光源(1)、二维光栅（2）、待测样品（3）和衍射斑记录器(5)的位置，使所述的衍射斑记录器(5)同时记录N×N个子衍射斑，其中N>=3，且相邻子光斑之间距大于每个光斑的直径。

2.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的光源为激光、X射线或电子束。

3.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的光栅为透射式光栅或反射式光栅。

4.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的衍射光斑记录器为光电耦合器件CCD。

5.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的二维光栅（2）为反射式光栅时，调整二维光栅（2）和载物台（4）的位置，使光源(1)发出的光通过二维光栅（2）反射的多个子照明光照射在待测样品（3）需要成像的区域，并且各个子照明光到达待测样品（3）时的分布满足PIE算法中扫描光分布的关系，即相邻两个子照明光中心之间有部分重叠。

6.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的二维光栅（2）为透射式光栅时，调整二维光栅（2）和载物台（4）的位置，使光源(1)发出的光通过二维光栅（2）透射的多个子照明光照射在待测样品（3）需要成像的区域，并且各个子照明光到达待测样品（3）时的分布满足PIE算法中扫描光分布的关系，即相邻两个子照明光中心之间有部分重叠。

7.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的待测样品（3）为反射式时，调整衍射斑记录器(5)的位置，使衍射斑记录器(5)能够同时记录经待测样品（3）的反射光的N×N个子衍射斑，其中N>=3，且相邻子光斑中心之间距大于每个光斑的直径。

8.根据权利要求1所述的利用光栅实现物体成像的装置，其特征在于所述的待测样品（3）为透射式时，调整衍射斑记录器(5)的位置，使记录透过待测样品（3）的N×N个子衍射斑，其中N>=3，且相邻子光斑中心之间距大于每个光斑的直径。

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