CN108204949A - 基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，基于搭建反射式交叠衍射成像装置，在反射位置放置待测物体，使待测物体相对照明光逐行逐列地进行移动，在CCD靶面采集样品的衍射图样，取下待测物体，在反射位置放置反射镜，在CCD靶面采集照明光经过反射后的衍射图样，利用两次PIE算法，最终获得待测样品的相位信息。本发明具有无透镜成像，视场宽，收敛快，可检测反射式样品的优点。

Description

基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法。
背景技术
相干衍射成像技术(CDI)在几十年间得到了快速发展，但是受到算法的影响，在很长一段时间内陷入了停滞。2004年英国谢菲尔德大学Rodenburg教授于2004年提出了一种基于横向扫描的相位恢复成像方法，并命名为ptycholographic iterative engine，简称PIE。该方法利用空间局域照明光对待测物体进行扫描并用电荷耦合器件(CCD)同步记录扫描时所产生的多幅衍射斑，只要扫描时相邻两次照明区域有一定比例的重叠，PIE就可以快速准确地恢复出被测物体的振幅和相位信息，因此可以快速地获得对大尺寸物体进行成像。
Rodenburg提出的PIE算法必须包含三个特征：(1)一个透射型样品被一个有限范围的照明光照明，或者在物体前放置小孔限制照明范围，并记录其相干衍射光的光强信息；(2)至少记录两幅上述相干衍射图样，这两个光斑是由照明光和物体的相对位置移动一个已知值而得到的；(3)使用至少两幅上述衍射光斑来重建衍射面的相位分布或者样品的复振幅分布。
交叠衍射成像迭代算法的分辨率和精度都严格的受限于转化平台的不确定性，包括扫描精度和漂移，由实验不确定性引起的转化平台的误差很难处理。为了校正转化平台误差，研究人员提出了一些交叠成像位置校正算法，包括共轭梯度算法、遗传算法、退火处理、全漂移模型、互相关技术和基于模拟退火和非线性回归技术的pcFPM方法。这些方法可以得到正确的转化位置，并且有很高的精度。
传统的角谱衍射是基于平行的物平面和观察面推导得到的，但是，在反射式照明系统中，当物平面和观察面不平行时，这些衍射公式就不再适用，因此要在原有的衍射基础上进行坐标投影变换。Kyoji Matsushima在《Fast calculation method for opticaldiffraction on tilted planes by use of the angular spectrum of plane waves》一文中提出了利用角谱衍射在倾斜平面间快速计算传输结果的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，摆脱了透镜的限制，可直接恢复反射式待测样品的相位信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，算法步骤如下：
步骤1、搭建反射式交叠衍射成像装置：
反射式交叠衍射成像装置包括光源、X-Y平移台、待测样品、反射镜和CCD，沿光路方向依次设置光源、X-Y平移台和CCD；反射镜和待测样品不同时设置在X-Y平移台上，光源与CCD处于同一水平高度。
步骤2、打开光源，将待测样品置于X-Y平移台上，光源以入射角θ入射到待测样品上，反射光线被CCD接收，调整X-Y平移台，使得待测样品相对于光源逐行逐列地进行移动，移动间隔L小于CCD靶面尺寸的0.4倍，每次移动间隔相等，每次移动后在CCD靶面上接收到1幅衍射图样，总共采集M幅衍射图样，M≥2。
步骤3、取下待测样品，将反射镜置于X-Y平移台上，光源以入射角θ入射到反射镜上，反射光线被CCD接收，在CCD靶面上采集到1幅光源直接反射后的衍射图样。
步骤4、利用PIE算法处理步骤2中得到的M幅待测样品衍射图样和步骤3中得到的光源衍射图样，恢复光源信息和待测样品的信息，具体方法如下：
步骤4-1、对光源的照明场信息Hillum和待测样品信息O作一个任意估计，转入步骤4-2；
步骤4-2、照明光场Hillum和待测样品O作用后的出射波函数 转入步骤4-3；
步骤4-3、将出射波函数为通过倾斜角谱衍射传播到CCD上，得到CCD上接收到的衍射场的估计值转入步骤4-4；
步骤4-4、的振幅由代替，其中为加入待测样品后第m幅衍射图样的强度值，m＝1,2,3…M，转入步骤4-5；
步骤4-5、将更新之后的传播回到待测样品上，采用PIE算法的规则来更新照明光场Hillum和待测样品信息O，转入步骤4-6；
步骤4-6、返回步骤4-2，直到M幅衍射图样全部用完，停止计算，获得一个迭代周期后的照明光场Hillum和待测样品O，转入步骤4-7；
步骤4-7、将照明光场Hillum利用倾斜角谱衍射直接传播到CCD上，得到CCD上接收到的衍射场的估计值Uillum，转入步骤4-8；
步骤4-8、Uillum的振幅由代替，其中Iillum为加入反射镜后衍射图样的强度值，转入步骤4-9；
步骤4-9、将更新之后的Uillum传播回到反射镜上，得到被进一步限制后更为准确的照明光场Hillum，转入步骤4-10；
步骤4-10、返回步骤4-2，直到加入待测样品后CCD上恢复得到的衍射场的振幅和之间的差距小于10-4时，停止计算，获得最终光源的照明场信息Hillum和待测样品信息O。
所述待测样品为反射式二元光学元件。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)无透镜成像：与传统的强度传输方程法相比，强度传输方程法需要透镜对被测透镜进行成像，但本发明中通过使得样品相对照明光移动，得到不同的衍射图样，通过衍射图样计算得到待测样品的相位信息，避免引入了透镜和透镜带来的成像误差。
(2)视场宽：与传统的CDI技术相比，交叠相干衍射成像中，样品相对照明光逐行逐列地进行移动，物体被照明区域可以根据需要不断扩展，因此无需拼接技术就可以获得较大的视场。
(3)与传统的透射式交叠相干衍射成像相比，本发明可以检测反射式样品的相位信息。
附图说明
图1为本发明的基于反射式交叠衍射成像的装置示意图。
图2为本发明的实施例1仿真结果，其中图(a)是初始的振幅和相位，图(b)是恢复得到的结果。
图3为本发明基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图3，一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，算法步骤如下：
步骤1、搭建反射式交叠衍射成像装置：
结合图1，反射式交叠衍射成像装置包括光源1、X-Y平移台2、待测样品3、反射镜4、和CCD5，沿光路方向依次设置光源1、X-Y平移台2和CCD5；反射镜4和待测样品3不同时设置在X-Y平移台2上，光源1与CCD5处于同一水平高度。
步骤2、打开光源1，将待测样品3置于X-Y平移台2上，光源1以入射角θ入射到待测样品3上，反射光线被CCD5接收，调整X-Y平移台2，使得待测样品3相对于光源1逐行逐列地进行移动，移动间隔L小于CCD5靶面尺寸的0.4倍，每次移动间隔相等，每次移动后在CCD5靶面上接收到1幅衍射图样，总共采集M幅衍射图样，M≥2。
步骤3、取下待测样品3，将反射镜4置于X-Y平移台2上，光源仍然以入射角θ入射到反射镜4上，反射光线被位于和光源同一水平高度的CCD5所接收，在CCD5靶面上采集到1幅光源经过反射镜直接反射后的衍射图样。
步骤4、利用PIE算法处理步骤2中得到的M幅待测样品3的衍射图样和步骤3中得到的光源衍射图样，恢复得到光源1的信息和待测样品3的相位信息，具体方法如下：
步骤4-1、对光源1的照明场信息Hillum和待测样品3信息O作一个任意估计，转入步骤4-2；
步骤4-2、照明光场Hillum和待测样品3O作用后的出射波函数 转入步骤4-3；
步骤4-3、将出射波函数为通过倾斜角谱衍射传播到CCD5上，得到CCD5上接收到的衍射场的估计值转入步骤4-4；
步骤4-4、的振幅由代替，其中为加入待测样品3后第m幅衍射图样的强度值，m＝1，2，3…M，转入步骤4-5；
步骤4-5、将更新之后的传播回到待测样品3上，采用PIE算法的规则来更新照明光场Hillum和待测样品3的信息O，转入步骤4-6；
步骤4-6、返回步骤4-2，直到M幅衍射图样全部用完，停止计算，获得一个迭代周期后的照明光场Hillum和待测样品3O，转入步骤4-7；
步骤4-7、将照明光场Hillum利用倾斜角谱衍射直接传播到CCD5上，得到CCD5上接收到的衍射场的估计值Uillum，转入步骤4-8；
步骤4-8、Uillum的振幅由代替，其中Iillum为加入反射镜4后衍射图样的强度值，转入步骤4-9；
步骤4-9、将更新之后的Uillum传播回到反射镜4上，得到被进一步限制后更为准确的照明光场Hillum，转入步骤4-10；
步骤4-10、返回步骤4-2，直到加入待测样品3后CCD5上恢复得到的衍射场的振幅和之间的差距小于10-4时，停止计算，获得最终光源1的照明场信息Hillum和待测样品3信息O，从而得到待测样品3的相位信息。
所述待测样品3为反射式二元光学元件。
所述X-Y平移台2为可以沿X方向和Y方向移动的二维平移机械台。
实施例1
结合图1至图3，一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，算法步骤如下：
步骤1、搭建反射式交叠衍射成像装置：
结合图1，反射式交叠衍射成像装置包括光源1、X-Y平移台2、待测样品3、反射镜4、和CCD5，沿光路水平方向依次设置光源1、X-Y平移台2和CCD5，光源1与CCD5处于同一水平高度。
步骤2、打开光源1，将待测样品3置于X-Y平移台2上，利用X-Y平移台2调整待测样品3的位置，使得光源以入射角θ入射到待测样品3上，并且反射光线和对应的入射光线位于同一水平面上，反射光线被位于和光源同一水平高度的CCD5所接收，调整X-Y平移台2，使得待测样品3相对于光源1逐行逐列地进行移动，移动间隔L小于CCD5靶面尺寸的0.4倍，每次移动相同的间隔，每次移动后在CCD5靶面上接收到1幅衍射图样，总共采集M幅衍射图样，M≥2。CCD5靶面尺寸为256×256像素，取θ＝π/4，移动间隔L＝30像素间距，移动3行3列，总共采集9幅衍射图样，即M＝9。
步骤3、取下待测样品3，将反射镜4置于X-Y平移台2上，光源仍然以入射角θ＝π/4入射到反射镜4上，反射光线被位于和光源同一水平高度的CCD5所接收，在CCD5靶面上采集到1幅光源经过反射镜直接反射后的衍射图样。
步骤4、利用PIE算法处理步骤2中得到的M幅待测样品3的衍射图样和步骤3中得到的光源衍射图样，恢复得到光源1的信息和待测样品3的相位信息，具体方法如下：
步骤4-1、对光源1的照明场信息Hillum和待测样品3信息O作一个任意估计，转入步骤4-2；
步骤4-2、照明光场Hillum和待测样品3O作用后的出射波函数为转入步骤4-3；
步骤4-3、将出射波函数为通过倾斜角谱衍射传播到CCD5上，得到CCD5上接收到的衍射场的估计值转入步骤4-4；
步骤4-4、的振幅由代替，其中为加入待测样品3后第m幅衍射图样的强度值，m＝1，2，3…M，转入步骤4-5；
步骤4-5、将更新之后的传播回到待测样品3上，采用PIE算法的规则来更新照明光场Hillum和待测样品3的信息O，转入步骤4-6；
步骤4-6、返回步骤4-2，直到M幅衍射图样全部用完，停止计算，获得一个迭代周期后的照明光场Hillum和待测样品3O，转入步骤4-7；
步骤4-7、将照明光场Hillum利用倾斜角谱衍射直接传播到CCD5上，得到CCD5上接收到的衍射场的估计值Uillum，转入步骤4-8；
步骤4-8、Uillum的振幅由代替，其中Iillum为加入反射镜4后衍射图样的强度值，转入步骤4-9；
步骤4-9、将更新之后的Uillum传播回到反射镜4上，得到被进一步限制后更为准确的照明光场Hillum，转入步骤4-10；
步骤4-10、返回步骤4-2，直到加入待测样品3后CCD5上恢复得到的衍射场的振幅和之间的差距小于10-4时，停止计算，获得最终光源1的照明场信息Hillum和待测样品3信息O，从而得到待测样品3的相位信息，如图2所示。
本发明与传统的强度传输方程法相比，强度传输方程法需要透镜对被测透镜进行成像，但本发明中通过移动物体使得物体相对照明光产生逐行逐列的移动，从而得到不同的衍射图样，通过衍射图样计算得到待测样品的相位信息，避免引入了透镜和透镜带来的成像误差。采集的衍射图样数目M影响了算法的收敛速度，这标志着重建像的精度。与传统的透射式交叠成像迭代算法相比，本发明可以恢复反射式光学元件的相位信息，当样品对照明光不是部分透明的时候，传统的透射式交叠成像迭代算法无法复原样品的相位信息。与传统的相干衍射成像相比，本发明收敛速度更快，收敛速度快，稳定性好。

Claims (3)

1.一种基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，其特征在于，算法步骤如下：
步骤1、搭建反射式交叠衍射成像装置：
反射式交叠衍射成像装置包括光源(1)、X-Y平移台(2)、待测样品(3)、反射镜(4)和CCD(5)，沿光路方向依次设置光源(1)、X-Y平移台(2)和CCD(5)；反射镜(4)和待测样品(3)不同时设置在X-Y平移台(2)上，光源(1)与CCD(5)处于同一水平高度；
步骤2、打开光源(1)，将待测样品(3)置于X-Y平移台(2)上，光源(1)以入射角θ入射到待测样品(3)上，反射光线被CCD(5)接收，调整X-Y平移台(2)，使得待测样品(3)相对于光源(1)逐行逐列地进行移动，移动间隔L小于CCD(5)靶面尺寸的0.4倍，每次移动间隔相等，每次移动后在CCD(5)靶面上接收到1幅衍射图样，总共采集M幅衍射图样，M≥2；
步骤3、取下待测样品(3)，将反射镜(4)置于X-Y平移台(2)上，光源以入射角θ入射到反射镜(4)上，反射光线被CCD(5)接收，在CCD(5)靶面上采集到1幅光源直接反射后的衍射图样；
步骤4、利用PIE算法处理步骤2中得到的M幅待测样品(3)衍射图样和
步骤3中得到的光源衍射图样，恢复光源信息和待测样品的信息。
2.根据权利要求1所述的基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，其特征在于：所述步骤4中，利用PIE算法处理步骤2中得到的M幅待测样品(3)衍射图样和步骤3中得到的光源衍射图样，恢复光源(1)信息和待测样品(3)的相位信息，具体方法如下：
步骤4-1、对光源(1)的照明场信息Hillum和待测样品(3)信息O作一个任意估计，转入步骤4-2；
步骤4-2、照明光场Hillum和待测样品(3)O作用后的出射波函数转入步骤4-3；
步骤4-3、将出射波函数为通过倾斜角谱衍射传播到CCD(5)上，得到CCD(5)上接收到的衍射场的估计值转入步骤4-4；
步骤4-4、的振幅由代替，其中为加入待测样品(3)后第m幅衍射图样的强度值，m＝1,2,3…M，转入步骤4-5；
步骤4-5、将更新之后的传播回到待测样品(3)上，采用PIE算法的规则来更新照明光场Hillum和待测样品(3)信息O，转入步骤4-6；
步骤4-6、返回步骤4-2，直到M幅衍射图样全部用完，停止计算，获得一个迭代周期后的照明光场Hillum和待测样品(3)O，转入步骤4-7；
步骤4-7、将照明光场Hillum利用倾斜角谱衍射直接传播到CCD(5)上，得到CCD(5)上接收到的衍射场的估计值Uillum，转入步骤4-8；
步骤4-8、Uillum的振幅由代替，其中Iillum为加入反射镜(4)后衍射图样的强度值，转入步骤4-9；
步骤4-9、将更新之后的Uillum传播回到反射镜(4)上，得到被进一步限制后更为准确的照明光场Hillum，转入步骤4-10；
步骤4-10、返回步骤4-2，直到加入待测样品(3)后CCD(5)上恢复得到的衍射场的振幅和之间的差距小于10-4时，停止计算，获得最终光源(1)的照明场信息Hillum和待测样品(3)信息O。
3.根据权利要求1所述的基于反射式交叠衍射成像的相位恢复算法，其特征在于：所述待测样品(3)为反射式二元光学元件。
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