CN107329389A - 一种层叠衍射成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层叠衍射成像装置，属于衍射成像和全息成像领域。本方法利用分光棱镜组、光纤等分光装置将含物体信息额入射光分为多个出射光束，每个出射光束对应一个接收装置；在进入接收装置前，利用空间光调制器或者固定的模板对每个出射光束的振幅、相位或者仅对二者之一的分布进行调节，从而可获得一组相关的衍射图样，之后便利用层叠衍射算法进行重建，得到物体的振幅相位信息，即全息像。利用本装置，可以一次拍照同时获得多张物体的衍射图样，大大减少图样接收时间，而且重建样品像时无需分离光斑，装置组装好之后，其参数可固定在某一值，再次使用时无需重复调节，有利于工业化应用。

Description

一种层叠衍射成像装置

技术领域

本发明属于衍射成像和全息成像领域，具体涉及利用分光装置将含物体信息的入射光分为多个子光束，进而对每个子光束的振幅、相位或二者之一进行调节，来获得多个相关的衍射图样；之后利用层叠衍射算法进行重建，获得物体的全息像。

背景技术

层叠衍射（Ptychography）是近十几年来发展起来的一种新型获取物体全息图的方法，与传统的全息方法（holography）不同，该方法无需参考光，而是通过改变光波和物体的相对位置获取一系列衍射光斑，照射在物体上的光斑和其它至少一个光斑有重叠部分。衍射光斑通过CMOS、CCD等装置进行记录，之后可以利用计算机程序对这些光斑进行衍射迭代计算，来获取物体的相位、振幅信息，实现对物体的全息成像 (J. M. Rodenburg, Adv.Imag. Elect. Phys. 150, 87-184, 2008)。如果光波函数未知的话，还可以获得光波函数信息（P.Thibault et al, Ultramicroscopy, 109, 338-343, 2009）。然而，传统的层叠衍射方法需要微机械装置来移动光斑和样品，这对机械装置提出了很高的要求，为了提高测量精度，该方法需要提高各个光斑间重叠面积，这使得迭代计算时时间代价消耗较大。G.Zheng等人在传统层叠衍射方法基础上于2013年提出了Fourier空间的相干衍射成像方法，该方法无需机械装置，而是利用高能量发光二极管产生激光阵列，利用CCD接收不同二极管照射时的光斑（G. Zheng et al, Nature Photonics,7,739-745,2013）；为提高测量精度该方法同样需要增加二极管个数或改变其发光阵列形态，这也在一定程度上增加了设备的复杂程度。O. Cohen等人提出提出了单曝光层叠衍射技术，其利用多孔阵列在4f系统后焦面上得到一组含物体信息的光斑，这相当于传统层叠衍射所得到的衍射光斑组；由于只需要一次曝光，因此光斑接收时间大大缩短；不过该方法需要从一次曝光的图样中分离出各个衍射光斑，这又增加了后期处理的难度（O. Cohen et al, Optica, 3, 9-14, 2016）。董昭等人在已公开的专利文件（申请号201610028448.3）中提出了一种基于相位层叠衍射的全息方法，即利用空间光调制器或者相位模板来改变入射光相位，从而实现无机械移动的层叠衍射，从而减少接收时间；该方法在相位重建时无需分离光斑，而且迭代时间较传统层叠衍射短。然而该方法依然需要调整相位模板，这依然需要一定数据采集时间。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够同时接收经过不同调制的含物体信息的入射光的层叠衍射装置，从而在减少接收时间的同时，对物体进行快速重建。本方法利用分光棱镜组、光纤等分光装置将含物体信息的入射光分为多个出射光束，每个出射光束对应一个接收装置；在进入接收装置前，利用空间光调制器或者固定的模板对每个出射光束的振幅、相位或者仅对二者之一的分布进行调节，从而可获得一组相关的衍射图样，之后便利用层叠衍射算法进行重建，得到物体的振幅相位信息，即全息像。

本发明技术方案如下：

一种层叠衍射成像装置，按入射光束传播的方向依次包括：

（1）将入射光束分成若干出射光束的分光装置；

（2）每一条出射光束对应的光束调节装置，该装置能够调节光束的振幅相位分布，或者仅对二者之一进行调节；

（3）每一条出射光束对应的图像接收装置。

对于分光装置而言，其可以利用棱镜组、半反射镜组或者光纤束进行分光，所分的出射光束光强尽量相等。

对于光束调节装置，此处需要该装置能够调节光束振幅或相位分布，或者同时调节二者分布，而不是对光振幅或相位整体调节；并且对每一条出射光束对应一个光束调节装置，对该光束的调节不影响其他光束；而且每一调节装置对光束的调节情况均不相同。光束调节装置可以是空间光调制器或者固定的模板，如相位板、透光率随机分布的振幅调节板等。

对于图像接收装置，此处也要求每一条出射光束对应一个图像接收装置。所有的图像接收装置应该同时拍摄，为达到这一目的，可以在入射光入口处（即在分光装置前）放置一快门，当快门开启时，所有图像接收装置同时接收图样。为能够更有效地重建物体的全息像，所有的图像接收装置应该和对应光束主轴垂直，并且主轴入射点在图像接收装置光敏面中心。一般图像接收装置可以是互补金属氧化物半导体（CMOS）工业相机、电荷耦合元件（CCD）相机等。

由于分光装置中不同光束分光不同，不同出射光束接收装置所感受到光强度可能不同，为提高重建物体全息像的精确度，在部分或全部接收装置前放置有光衰减装置（如光衰减片），来保证各个接收器接收到的光强基本一致。

由于距离物体的光程差不一致，接收器所接收到图样的衍射状况也可能不一致，这会给后期数据处理带来一定的复杂度；为提高后期物体全息像重建效率，该装置让各个图像接收装置到入射光束第一个分光处的光程差相同（实际操作中一般应保证误差不超过0.5微米），以此来保证它们到物体的光程差一致。

本发明的技术效果如下：

（1）本发明对物体进行层叠衍射时，可以一次拍照同时获得多张物体的衍射图样，大大减少图样接收时间。此时图样接收时间一般只取决于接收装置曝光处理时间；

（2）本发明重建样品像无需分离光斑；

（3）本发明装置组装好之后，其参数可固定在某一值，再次使用时无需重复调节，有利于工业化应用。

附图说明

图1 一种层叠衍射成像装置图, 1为快门，2、3、4为分光棱镜，6为空间光调制器，8为CMOS工业相机，9为装置外壳，10为分光棱镜夹具。

图2 空间光调制器6典型的加载图及其灰度对应的相位值。

图3 振幅型样品（a）及加载有其信息的光通过空间光调制器后典型衍射图样（b）和重建强度像（c），图a中刻度尺为最小单位为毫米，图b、c中标尺长度为2毫米。

图4 另一种层叠衍射成像装置图，1为快门，2、3、4、5为分光棱镜，61-65为棋盘网格状振幅模板，7为衰减片，81-85为CMOS工业相机，9为装置外壳。

图5 一种典型的网格状振幅模板（a）及其互补模板（b）。

图6 模拟样品的振幅（a）及相位（c）分布，以及和重建振幅（b）、相位像（d）。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

实施例一：一种使用相位型空间光调制器的层叠衍射成像装置

一种层叠衍射成像装置，其主要结构如图1所示，其光束调节装置使用透射式空间光调制器6，该空间光调制器固定在装置内部（夹具未显示），空间光调制器6入射光和出射光部分均自带已调节好角度的偏振片（图中未显示）来保证它们工作在纯相位模式。

以下按入射光束的传播方向详细介绍本装置其它部分。本装置包括快门1，快门1按下时，所有接收装置电荷耦合元件（CCD）工业相机8同时拍照。相机8的曝光时间可调，最低为0.005秒。

本装置分光装置由3块分光棱镜组成的棱镜组构成，这些分光棱镜可将入射光分成光强相同的两束光，即透射光和反射光，它们被相应的夹具10固定。入射光束在分光棱镜2处首先分光。如图1所示，反射光经棱镜2向上传播，又经棱镜3再次分为两束光，其中一束经棱镜3反射后水平向右传播，另一束则透射继续向上传播；这两束光均经过其对应的空间光调制器6到达对应的接收装置CCD工业相机8。另一束光经棱镜2透射，和经棱镜2反射的那束光类似，其经棱镜4再次分为两束光，而后这两束光经过对应的空间光调制器6，也到达对应的CCD工业相机8。，由于每一条出射光束均相当于分光两次的产物，因此这些出射光束光强相同，故本装置没有采用光衰减装置。

具体应用时，为方便使用，装置内部件被放置、固定在外壳9内。所有的CCD工业相机8到分光棱镜2中心位置（也即入射光分光处）的光程差相同，并且它们到对应空间光调制器的距离也一样。本例中棱镜2到棱镜3、4的距离分别为50毫米，棱镜3、4到它们对应的工业相机8的距离也均为50毫米，空间光调制器到对应工业相机8光敏面的距离均为20毫米。应用时，所有的空间光调制器加载不同的随机相位，典型的加载图如图2所示

采用中间半透明振幅型样品（如图3a所示）来展示该装置应用。该样品中心半透明区域大体呈正方形，边长为3毫米，四周则不透明，波长为532纳米平行激光束经过该样品后进入到层叠衍射装置。调节光束让其垂直入射到分光棱镜2的中心，这样可以保证所有的工业相机8均能在其中心区域接收到样品的像。打开快门，则这些相机同时拍摄到样品的像，并且这些像均经过空间光调制器调制。采集时间取决于曝光处理时间，此处为0.005秒。

CCD工业相机通过有线或无线连接装置（图中未显示），将其接收到的图样传送到计算机中进行处理，此时可直接按照传统的层叠衍射迭代算法进行处理，而无需分离光斑。图3b、c子图显示的是分别是其典型衍射图以及层叠衍射算法获得的强度分布，计算时间为6秒。由此可见，该装置能够对物体进行快速层叠衍射成像。

实施例二：一种使用棋盘网格状振幅模板的层叠衍射成像装置

一种层叠衍射成像装置，其主要结构如图4所示，其光束调节装置使用振幅型格状模板61-65，该模板固定在装置内部（夹具未显示），其工作部分由若干个网格组成，网格分为全透明和半透明或不透明两类，前者透光率接近于1，后者透光率小于0.8，甚至为0，本例中后者透光率为0。这两种网格随机分布，使用时为防止光束某一部分对应的网格常为0或常为1，我们把相邻两个出射光束的模板作为互补的，即,一个模板透光率为0的网格在另一个模板对应的网格透光率为1，一个典型的模板及其互补模板如图5所示。对于图4所显示的成像装置，其出射光束数量为5，我们将模板61、62和64、65设置为互补模板，而将模板63所有网格设计为透光率为1。

以下按入射光束的传播方向详细介绍本装置其它部分。本装置包括快门1，快门1按下时，所有接收装置CMOS工业相机81-85同时拍照。工业相机81-85的曝光时间可调，最低为0.005秒。

本装置分光装置由4块分光棱镜组成的棱镜组构成，这些分光棱镜可将入射光分成光强相同的两束光，即透射光和反射光，它们被相应的夹具10固定。入射光束在分光棱镜2处首先分光。如图4所示，反射光经棱镜2向上传播，又经棱镜3再次分为两束光，其中一束经棱镜3反射后水平向右传播，经过模板63到达工业相机83；另一束则透射继续向上传播，经棱镜5再次分为两束光，这两束光均经过其对应的模板61、62到达对应的接收装置CMOS工业相机81、82。另一束光经棱镜2透射，其经棱镜4再次分为两束光，而后这两束光经过对应64、65，也到达对应的CMOS工业相机84、85。注意到棱镜5所分得的两条出射出射光束相当于分光三次的产物，而其它出射光束则相当于分光两次的产物，因此若无模板的影响，工业相机81、82所对应的光强是工业相机83、84、85接收光强的1/2。为消除此影响，我们在模板63、64、65前加装光衰减装置（如图4所示），具体做法是在模板63、64、65前的外壳9上分别开出一条可以放置衰减片的狭缝，然后将衰减片7插入狭缝即可，通过调整衰减片7，让通过其的光强整体减小为原来的1/2。

具体应用时，为方便使用，装置内部件被放置、固定在外壳9内。所有的CMOS工业相机81-85到分光棱镜2中心位置（也即入射光分光处）的光程差相同，并且它们到对应空间光调制器的距离也一样。本例中棱镜2到棱镜3的距离为25毫米，到棱镜4的距离里为50毫米，棱镜3到棱镜5的距离为25毫米，棱镜3到工业相机83的距离为50毫米，棱镜4、5到它所对应工业相机84、85及81、82的距离也为50毫米，模板到对应工业相机8光敏面的距离均为20毫米，模板中每一个网格的边长为0.025毫米。

采用模拟样品来显示其应用，图6中a、c子图分别是其振幅和相位分布。该样品呈正方形，设定边长为3毫米，四周则不透明，波长为532纳米平行激光束经过该样品后进入到层叠衍射装置。调节光束让其垂直入射到分光棱镜2的中心，这样可以保证所有的工业相机81-85均能在其中心区域接收到样品的像。打开快门，则这些相机同时拍摄到样品的像，并且这些像均经过模板调制。

CMOS工业相机通过有线或无线连接装置（图中未显示），将其接收到的图样传送到计算机中进行处理，按照传统的层叠衍射迭代算法获得其相位、强度分布，无需分离光斑。图6b、d子图显示的是分别是经层叠衍射算法获得的强度、相位分布，其和原样品非常吻合。复原计算时间为4秒。由此可见，该装置能够对物体进行快速层叠衍射成像。

Claims (8)

1.一种基于层叠衍射技术的成像装置，按入射光束传播的方向依次包括：

（1）将入射光束分成若干出射光束的分光装置；

（2）每一条出射光束对应的光束调节装置，该装置能够调节光束振幅或相位分布，或者同时调节二者分布；

（3）每一条出射光束对应的图像接收装置。

2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于分光装置由含若干个分光棱镜的棱镜组构成。

3.如权利要求1中所述的装置，其特征在于光束调节装置为空间光调制器。

4.如权利要求1中所述的装置，其特征在于光束调节装置为振幅型格状模板。

5.如权利要求1中所述的装置，其特征在于每一个图像接收装置到入射光束第一个分光处的光程差相同。

6.如权利要求1中所述的装置，其特征在于部分或全部图像接收装置前面放置有光衰减装置。

7.如权利要求1中所述的装置，其特征在于分光装置前有一个快门装置，开启后，各接收装置同时接收图样。

8.如权利要求6中所述的光衰减装置，其特征在于其为光衰减片。