CN109884101B - 样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置 - Google Patents

Abstract

本申请的样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置，包括：沿光轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统及图像重建系统；光源产生相干光源至探针光斑产生器件以衍射形成探针光斑输出；样品台装载供探针光斑照射的样品；步进电机能驱动样品台进行沿或垂直光轴运动；漂移反馈矫正系统控制步进电机令样品台沿垂直光轴方向多次运动以令图像传感器采集到每次运动后所在位置的衍射图样；由衍射图样得到探针光斑的平均形貌来确定样品投影局部轴向漂移量，令步进电机驱动样品台反向移动校正该漂移量，再进行图像重建形成样品图像。通过校正样品局部漂移量以使样品成像质量有了大大的提升。

Description

样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置

技术领域

本申请涉及一种扫描相干衍射显微成像技术，特别是涉及一种样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置。

背景技术

扫描相干衍射成像是一种将传统相干衍射成像技术与ptychography技术相结合的新型相干衍射成像方法，它的提出解决了传统的相干衍射成像技术要求样品为孤立样品，成像视场小，重建算法收敛慢、停滞、重建结果不唯一等一系列缺陷。传统扫描相干衍射成像方法可从一系列衍射图像中重建出一个样品投影图像和一个扫描探针图像，要求各个扫描局部区域处对应的探针形貌是一致的。在理想情况下，样品平面是一个垂直于光轴的理想二维平面，样品重建结果对应于样品在该平面上的二维投影，此时，各局域位置的探针光斑都由入射光通过光斑产生器件后传输相同的距离产生，传输过程符合菲涅尔衍射定律，各局域扫描位置处的探针光斑形貌是一致的。但是实际成像过程中的真实样品都是三维立体的，通常为表面带有微米尺度起伏的薄层，因此，该样品投影不是位于样品平面的理想二维平面，而是带有局部微米尺度起伏的近似平面。由于扫描相干衍射成像中一般使用光斑产生器件衍射产生探针光斑，光斑形貌在延光轴传输的过程中是不断变化的，样品表面起伏导致的样品投影平面局部轴向漂移必然会使得对应不同扫描位置的光斑形貌一致性被破坏。各局域扫描位置处光斑形貌一致是保证扫描相干衍射成像方法成像质量的前提条件，样品投影平面局部轴向漂移导致的光斑形貌特异性必然会影响成像质量。

申请内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置，用于解决现有技术中由于扫描相干衍射成像中一般使用光斑产生器件衍射产生探针光斑，光斑形貌在延光轴传输的过程中是不断变化的，样品表面起伏导致的样品投影平面局部轴向漂移必然会使得对应不同扫描位置的光斑形貌一致性被破坏的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种样品成像系统，包括：沿光轴共轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统以及图像重建系统；所述光源，用于产生相干光源；所述探针光斑产生器件，用于接收所述相干光源，并经衍射形成探针光斑输出；所述样品台，用于装载样品，所述样品一侧对应供探针光斑照射；所述步进电机，连接并驱动所述样品台进行运动，所述运动包括：沿光轴前后运动、垂直光轴运动；所述图像传感器，设于样品另一侧，用于采集样品的衍射图样；所述漂移反馈矫正系统，耦接所述步进电机及所述图像传感器，用于控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个局部扫描探测区域，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样；用于根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正；所述图像重建系统，耦接所述图像传感器，根据校正样品投影局部轴向漂移量之后的各衍射图样进行图像重建，形成样品图像。。

于本申请的一实施例中，所述漂移反馈矫正系统由所述探针光斑的平均形貌获得的多个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。

于本申请的一实施例中，所述漂移反馈矫正系统根据由所在位置与所述光斑波前计算并得到的差异最小值确定该位置的样品投影局部轴向漂移量。

于本申请的一实施例中，所述相干光源为激光光源。

于本申请的一实施例中，所述光源包括光源优化装置；其中所述光源优化装置包括：焦点重合的光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑和长焦会聚透镜。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种样品成像方法，应用于样品成像系统，系统包括：所述光源，用于产生相干光源；探针光斑产生器件，用于接收所述相干光源，并经衍射形成探针光斑输出；样品台，用于装载样品，所述样品一侧对应供探针光斑照射；步进电机，连接并驱动所述样品台进行运动，所述运动包括：沿光轴前后运动、垂直光轴运动；图像传感器，设于样品另一侧，用于采集样品的衍射图样；所述方法包括：控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个局部扫描探测区域，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样；根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数；令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正；根据校正样品投影局部轴向漂移量之后的各衍射图样进行图像重建，形成样品图像。

于本申请的一实施例中，根据所述探针光斑的平均形貌获得的多个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。

于本申请的一实施例中，根据由所在位置与所述光斑波前计算并得到的差异最小值确定该位置的样品投影局部轴向漂移量。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种计算机存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序运行时实现所述的样品成像方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种计算机装置，包括：一或多个存储器，用于存储计算机程序；一或多个处理器，用于执行所述的样品成像方法。

如上所述，本申请的一种样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置，具有以下有益效果：于解决现有技术中由于扫描相干衍射成像中一般使用光斑产生器件衍射产生探针光斑，光斑形貌在延光轴传输的过程中是不断变化的，样品表面起伏导致的样品投影平面局部轴向漂移必然会使得对应不同扫描位置的光斑形貌一致性被破坏的问题，矫正了样品表面起伏导致的样品投影局部轴向漂移，使样品投影平面在更大程度上近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌具有很高的一致性，消除了样品投影平面局部轴向漂移导致的成像质量下降问题，可对表面形貌复杂的有机以及无机样品清晰成像。

附图说明

图1显示为本申请一实施例中的样品成像系统的结构示意图。

图2显示为本申请一实施例中的样品成像方法的流程示意图。

图3显示为本申请一实施例中的直接对样品进行扫描相干衍射成像获得的成像结果图。

图4显示为本申请一实施例中的带有样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统的成像结果图。

图5显示为本申请一实施例中的模拟实验的投影局部轴向漂移量曲线图。

图6显示为本申请一实施例中的计算机装置的结构示意图。

元件标号说明

10 样品成像系统

11 光源

111 出光设备

112 光强衰减片

113 短焦会聚透镜

114 光阑

115 长焦会聚透镜

12 探针光斑产生器件

13 样品台

14 步进电机

15 图像传感器

16 漂移反馈矫正系统

17 图像重建系统

30 计算机装置

31 存储器

32 处理器

S201～S204 方法步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

扫描相干衍射成像中一般使用光斑产生器件衍射产生探针光斑，光斑形貌在延光轴传输的过程中是不断变化的，样品表面起伏导致的样品投影平面局部轴向漂移必然会使得对应不同扫描位置的光斑形貌一致性被破坏的问题，如果能矫正了样品表面起伏导致的样品投影局部轴向漂移，就能使样品投影平面在更大程度上近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌就具备很高的一致性，从而消除了样品投影平面局部轴向漂移导致的成像质量下降问题，可对表面形貌复杂的有机以及无机样品清晰成像。

基于此目的，本申请实施例中提供一种样品成像系统，用于矫正了样品表面起伏导致的样品投影局部轴向漂移，使样品投影平面在更大程度上近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌具有很高的一致性，消除了样品投影平面局部轴向漂移导致的成像质量下降问题，可对表面形貌复杂的有机以及无机样品清晰成像。

所述样品成像系统包括：沿光轴共轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统以及图像重建系统；所述光源，用于产生相干光源；所述探针光斑产生器件，用于接收所述相干光源，并经衍射形成探针光斑输出；所述样品台，用于装载样品，所述样品一侧对应供探针光斑照射；所述步进电机，连接并驱动所述样品台进行运动，所述运动包括：沿光轴前后运动、垂直光轴运动；所述图像传感器，设于样品另一侧，用于采集样品的衍射图样；所述漂移反馈矫正系统，耦接所述步进电机及所述图像传感器，用于控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个局部扫描探测区域，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样；用于根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正；所述图像重建系统，耦接所述图像传感器，根据校正样品投影局部轴向漂移量之后的各衍射图样进行图像重建，形成样品图像。

如图1所示，展示本申请实施例中的样品成像系统10；

可选的，所述样品成像系统10包括：光源11、探针光斑产生器件12、样品台13、步进电机14、图像传感器15、漂移反馈矫正系统16以及图像重建系统17；所述光源11、探针光斑产生器件12、样品台13、步进电机14、图像传感器15、漂移反馈矫正系统16以及图像重建系统17沿光轴共轴排列。

所述光源11用于产生相干光源；具体的，所述光源11包括一出光设备111，所述出光设备111提供相干光源；需要注意的是，根据实际应用需求不同，所述相干光源可以选择不同种类。优选的，所述相干光源可以为激光光源或相干同步辐射光源。

所述探针光斑产生器件12与所述光源11的相干光源的光轴共轴排列，并接收来自所述光源11产生的相干光源；所述相干光源经过所述探针光斑产生器件12形成衍射，进而产生相应的探针光斑。具体的，探针光斑产生器件12包括探针光斑产生器件，从波动光学角度来讲，所述探针光斑产生器件是对入射光施加强度或相位调制，以在其后方的衍射区形成小的局域亮斑，以作为探针光斑。所述探针光斑产生器件根据相干光源的不同可以选择限光微孔、聚焦透镜或者波带片中的一种或多种。举例来说，若相干光源为同步辐射光源，所述探针光斑产生器件选择限光微孔或波带片。需要说明的是，所述的探针光斑产生器件不仅是限光微孔、聚焦透镜或者波带片中的一种或多种等，还可以为任一可以产生局域光斑的光学器件，在本申请中对此不做限定。

其中，所述探针光斑是局部探针光斑，所述局部探针光斑的大小范围可以根据所述探针光斑产生器件12与所述光源11的距离进行调整。具体的，所述探针光斑产生器件12与所述光源11的距离是可以根据实际的局部探针光斑的大小范围需求进行适当的调整的任意距离。优选的，所述探针光斑产生器件12产生直径为0.01um～500um的局域探针光斑，根据此范围调整所述探针光斑产生器件12与所述光源11的距离。

所述样品台13，用于装载样品，所述样品台13可以为保证所述样品一侧对应供探针光斑照射的任意形状。所述样品台13与探针光斑产生器件12的相干光源的光轴共轴排列，所述样品台13与探针光斑产生器件12形成一定距离，该距离是可以根据实际需求进行适当的调整的任意距离。优选的，样品台13与探针光斑产生器件12的距离范围为0.01mm～50mm，具体距离由具体所述探针光斑产生器件的特性所决定。

所述步进电机14连接并驱动所述样品台13进行运动，所述运动包括：沿光轴前后运动、垂直光轴运动，以供扫描到样品的完整探测区域。具体的，所述运动包括沿光轴向前移动、沿光轴向后移动、垂直光轴向上移动以及垂直光轴向下移动。所述步进电机14垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，根据设定不同步长的设定，所述步进电机14驱动所述样品台13进行设定的步长的进行运动，把所述所有需要探测的区域分为不同的局部探测区域，进而令局部探测区域组合起来覆盖完整探测区域。优选的，步进电机控制样品台13在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，已令样品的待测区域分为不同的局部探测区域，所述不同的局部探测区域构成的所有需要探测的区域。

所述图像传感器15，设于样品另一侧，与样品共轴排列，用于采集样品的衍射图样；所述图像传感器15设于与样品一定距离处采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样。所述图像传感器15可以为一图像采集设备，优选的，所述图像传感器15为一CCD图像传感器，所述CCD图像传感器采集样品的衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样。需要说明的是，所述的图像传感器15不仅是CCD图像传感器，还可以为任一可图像采集设备，在本申请中对此不做限定。所述图像传感器15与样品之间的距离可以根据具体需求进行调整，优选的，所述图像传感器15位于目标样品后5cm～1000cm采集衍射信号。

所述漂移反馈矫正系统16耦接所述步进电机14，用于控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移；其中所述步进电机14垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，根据设定不同步长的设定，所述驱动件驱动所述样品台13进行设定的步长的进行运动，把所述所有需要探测的区域分为不同的局部探测区域，进而令局部探测区域组合起来覆盖完整探测区域。具体的，所述漂移反馈矫正系统设定所述驱动件的步长保证相邻局部探测区域有一定面积的重叠视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，以保证覆盖整个样品待测区域，根据不同个数的步数，得到相应不同个数的局部扫描区域。所述漂移反馈矫正系统16耦接所述图像传感器15，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，进而所述图像传感器15采集相应个数的衍射图样。举例来说，步长选0.01um～300um以保证相邻探测区域间有30％以上的重叠，视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为n，以保证覆盖整个样品待测区域，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的n个局部扫描探测区域；所述图像传感器15对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，进而所述图像传感器15采集共收集到n幅衍射图样。

所述漂移反馈矫正系统16根据所述图像传感器15采集的衍射图样；用于根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正。具体的，所述漂移反馈矫正系统接收到所述图像采集设备采集某一局部扫描探针区域的衍射图样后，由于所述图像传感器15只能采集衍射图样的光强，并不能采集相位，则需要将采集到衍射图样进行恢复相位；所述漂移反馈矫正系统16将接收到的衍射图样导入传统的ptychography相位恢复重建算法进行迭代重建直到收敛，得到各扫描位置处对应的探针光斑的平均形貌，根据该位置的探针光斑的平均形貌得到样品投影局部轴向漂移，将得到的样品投影局部轴向漂移作为步进电机的反馈参数，根据所述反馈参数经过所述漂移反馈矫正系统可找到一偏移量，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正，校正了样品投影局部轴向漂移之后，样品投影平面可近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌是一致的。

所述图像重建系统17，耦接所述图像传感器15，将收集到的校正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据导入到ePIE算法中进行重建，得到清晰的样品图像。

需要说明的是，所述漂移反馈矫正系统16耦接所述步进电机14及所述图像传感器15，所述图像重建系统17，耦接所述图像传感器15这里提到的耦接包括直接连接和间接连接，本申请对此不作限定。

可选的，所述漂移反馈矫正系统16由所述探针光斑的平均形貌获得的多个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量，具体的，所述漂移反馈矫正系统16将接收到的衍射图样导入传统的相位恢复重建算法进行迭代重建直到收敛，得到各探针光斑的平均形貌，再根据菲涅尔衍射积分理论将所得到的探针光斑的平均形貌向前后以已固定距离为单位各传输一定距离，一共得到多个沿光轴方向顺次排列的光斑波前，所述漂移反馈矫正系统由该位置的多个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。举例来说，根据菲涅尔衍射积分理论所得探针光斑的平均形貌向前后以10-500nm为单位各传输1-50um，一共得到m个沿光轴方向顺次排列的光斑波前，所述漂移反馈矫正系统由该位置的m个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。

可选的，所述漂移反馈矫正系统16根据由所在位置与所述光斑波前计算并得到的差异最小值确定该位置的样品投影局部轴向漂移量。具体的，由于根据菲涅尔衍射积分理论将所得到的探针光斑的平均形貌向前后以已固定距离为单位各传输一定距离，一共得到多个沿光轴方向顺次排列的光斑波前。将多个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品该扫描位置点乘，再将其经傅里叶变换到频域，进而取相应的两者之间距离的模值，计算其与该扫面位置的衍射图样的差异，进而画出差异曲线，差异最小点对应的轴向传输距离即为该扫描位置的样品投影局部轴向漂移量。将得到的每个局部扫描位置的衍射图样分别与该位置多个对应不同传输距离的光斑波前计算并找到最小差异值，以得到该位置的样品投影局部轴向漂移量。

在一些实施例中，所述漂移反馈矫正系统16可以通过一台或多台计算机设备实现，例如服务器、台式机、笔记本电脑、智能手机或平板电脑等；例如，一台计算机设备既耦接所述图像传感器15，也耦接所述步进电机14，一台计算机设备负责控制图像采集和驱动控制；又或者，两台计算机设备分别耦接图像传感器15和步进电机14，且两台计算机设备间通过有线或无线方式耦接，以分别进行所述图像采集和驱动控制，且相互间可以交互数据。

一些实施例中，所述图像重建系统17可以通过一台或多台计算机设备实现，例如服务器、台式机、笔记本电脑、智能手机或平板电脑等；例如，一台计算机设备包括所述漂移反馈矫正系统16和图像重建系统17，即耦接所述图像传感器15，也耦接所述步进电机14，一台计算机设备负责控制图像采集和驱动控制；又或者，一台计算机耦接所述图像传感器15，与包含所述漂移反馈矫正系统16的计算机装置可以相互间交互数据。

可选的，所述光源11，用于产生相干光源；所述相干光源为激光光源。具体的，所述光源11包括一出光设备111，所述出光设备111提供激光光源。

可选的，所述光源11，用于产生相干光源，所述相干光源为激光光源。所述光源11包括光源优化装置，其中所述光源优化装置包括：焦点重合的光强衰减片112、短焦会聚透镜113、光阑114和长焦会聚透镜115。具体的，所述光强衰减片112选择调节光强与所述图像传感器的动态感光范围相匹配且具有一定衰减倍数的光强衰减片；所述短焦会聚透镜113和长焦会聚透镜115的分别设定一固定焦距，两透镜按焦距的比例拓展准直光束，光阑114位于短焦会聚透镜和长焦会聚透镜115的焦点上用以摒除杂散光。优选的，选择衰减倍数为80倍～150倍的光强衰减片112，短焦会聚透镜113的焦距为10mm～200mm，长焦会聚透镜115的焦距为220mm～3000mm。

根据所述的样品成像系统10，具体举例实际应用中的实施例。

举例来说，样品成像系统包括沿光轴共轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统及图像重建系统；其中光源包括He-Ne激光器，输出光的波长为0.543um，还包括光源优化装置：焦点重合的光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑和长焦会聚透镜；所述光强衰减片衰减倍数为80倍～150倍；所述短焦会聚透镜焦距40mm～80mm，长焦会聚透镜焦距分为400mm～800mm，两个透镜的焦点重合，两透镜按焦距的比例对光束进行扩束，同时减小光束发散角，产生平行光；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的公共焦点上用于消除光路中的杂散光；探针光斑产生器件利用限光微孔产生探针光斑，所述微孔为孔径150um～300um的圆孔，置于透镜组后方，只允许经透镜组扩束准直后的平面波波前的中心均匀区域透过，产生的透射光斑即为用来探测样品的探针；步进电机采用精密步进电机控制样品台可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描，其中步长选40um，这样相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了80％。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为11×11＝121步。图像传感器采用CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；其中CCD的像素数是1300×1340，像素大小为20um。所述漂移反馈矫正系统通过计算机装置实现，所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机，由计算机运行样品投影局部轴向漂移量计算程序计算偏移量，作为轴向步进电机的矫正参数。所述计算机装置可以对CCD接收到的衍射光波的探针光斑的平均形貌向前后以500nm为单位各传输5um，一共得到20个沿光轴方向顺次排列的光斑波前，将20个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品扫描位置点乘，傅里叶变换到频域，取模值，计算其与扫描位置对应的实验收集到的衍射图的差异，画出差异曲线。差异曲线最小点对应的轴向传输距离即为扫描位置的样品投影局部轴向漂移量；将CCD收集到的矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据导入图像重建系统中的计算机中使用ePIE算法中进行重建，最终得到清晰的样品图像。

举例来说，样品成像系统包括沿光轴共轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统及图像重建系统；其中光源为同步辐射相干光源输出光为850eV的单色X射线，探针光斑产生器件利用波带片产生探针光斑，所述波带片为直径200um，对应850eV焦距4mm，在垂直光轴平面上微调微孔位置，将离焦60um左右平面作为样品平面，该平面上聚焦光斑直径约为3um，以该聚焦光斑作为扫描探针；步进电机采用精密步进电机控制样品台可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描，其中步长选400nm，这样相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了60％以上。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为11×11＝121步。图像传感器采用CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；其中CCD的像素数是2048×2048，像素大小为13.5um。所述漂移反馈矫正系统通过计算机装置实现，所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机，由计算机运行样品投影局部轴向漂移量计算程序计算偏移量，作为轴向步进电机的矫正参数。所述计算机装置可以对CCD接收到的衍射光波的探针光斑的平均形貌向前后以100nm为单位各传输2.5um，一共得到50个沿光轴方向顺次排列的光斑波前。将50个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品扫描位置点乘，傅里叶变换到频域，取模值，计算其与扫描位置对应的实验收集到的衍射图的差异，画出差异曲线。差异曲线最小点对应的轴向传输距离即为扫描位置的样品投影局部轴向漂移量；将CCD收集到的矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据导入图像重建系统中的计算机中使用ePIE算法中进行重建，最终得到清晰的样品图像。

如图2所示，展示本申请实施例中的样品成像方法的流程示意图。

所述方法应用于例如图1所示的样品成像系统，例如应用于图1中的漂移反馈矫正系统。所述方法包括：

步骤S201：控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个局部扫描探测区域，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样。

可选的，控制所述步进电机在垂直于光路的方向内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选定一定范围以保证相邻探测区域间有一定的重叠，视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，以保证覆盖整个样品待测区域，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个个局部扫描探测区域，所述图像传感器对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样。举例来说，步长选0.01um～300um以保证相邻探测区域间有30％以上的重叠，视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为n，以保证覆盖整个样品待测区域，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的n个局部扫描探测区域；所述图像传感器对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，进而所述图像传感器采集共收集到n幅衍射图样。

步骤S202：根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正。

可选的，所述漂移反馈矫正系统接收到所述图像采集设备采集某一局部扫描探针区域的衍射图样后，所述漂移反馈矫正系统将接收到的衍射图样导入传统的相位恢复重建算法进行迭代重建直到收敛，得到各扫描位置处对应的探针光斑的平均形貌，根据该位置的探针光斑的平均形貌得到漂移量。需要注意的是，此步骤需要进行多次，当所述漂移量近似不再变化，将此漂移量作为最终漂移量，以保证最佳的精度。将各个局部扫描探测区域位置的衍射图样都经过以上步骤获得该位置的漂移量。

步骤S203：令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正。

可选的，将得到的样品投影局部轴向漂移作为步进电机的反馈参数，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正，校正了样品投影局部轴向漂移之后，样品投影平面可近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌是一致的。如图3和图4分别为模拟实验中未考虑样品投影局部轴向漂移量直接对样品进行扫描相干衍射成像获得的成像结果和是带有样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统的扫描相干衍射成像方法对模拟样品的成像结果，可以清楚的看到经过校正了样品投影局部轴向漂移之后的投影图更清晰。

步骤S204：据校正样品投影局部轴向漂移量之后的各衍射图样进行图像重建，形成样品图像。

可选的，将收集到的校正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据导入到ePIE算法中进行重建，得到清晰的样品图像。

可选的，根据所述探针光斑的平均形貌获得的多个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。具体的，所述漂移反馈矫正系统16将接收到的衍射图样导入传统的相位恢复重建算法进行迭代重建直到收敛，得到各探针光斑的平均形貌，再根据菲涅尔衍射积分理论将所得到的探针光斑的平均形貌向前后以已固定距离为单位各传输一定距离，一共得到多个沿光轴方向顺次排列的光斑波前，所述漂移反馈矫正系统由该位置的多个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。举例来说，根据菲涅尔衍射积分理论所得探针光斑的平均形貌向前后以10-500nm为单位各传输1-50um，一共得到m个沿光轴方向顺次排列的光斑波前，所述漂移反馈矫正系统由该位置的m个光斑波前来确定样品投影局部轴向漂移量。

可选的，根据由所在位置与所述光斑波前计算并得到的差异最小值确定该位置的样品投影局部轴向漂移量。具体的，由于根据菲涅尔衍射积分理论将所得到的探针光斑的平均形貌向前后以已固定距离为单位各传输一定距离，一共得到多个沿光轴方向顺次排列的光斑波前。将多个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品该扫描位置点乘，再将其经傅里叶变换到频域，进而取相应的两者之间距离的模值，计算其与该扫面位置的衍射图样的差异，进而画出差异曲线，差异最小点对应的轴向传输距离即为该扫描位置的样品投影局部轴向漂移量。将得到的每个局部扫描位置的衍射图样分别与该位置多个对应不同传输距离的光斑波前计算并找到最小差异值，以得到该位置的样品投影局部轴向漂移量。举例来说，图5为模拟实验所用细胞在65个局部扫描区域处的投影局部轴向漂移量曲线，模拟漂移量在正负2.5um范围内。

根据所述的样品成像方法，具体举例实际应用中的实施例。

实施例1带有样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统的扫描相干衍射成像装置的应用

具体应用步骤如下：

第一步：部署一套激光相干衍射成像装置，包括：激光光源(激光器)1；激光光束优化组件，包括：光强衰减片，短焦会聚透镜，光阑，长焦会聚透镜；探针光斑产生器件3----这里使用限光微孔；样品台；样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统，由承载样品台并可延光轴方向做精确位移的步进电机以及与其控制器相连并安装有样品投影局部轴向漂移量计算程序的计算机组成；图像重建系统，由CCD图像传感器以及与CCD图像传感器相连并安装有图像重建程序的计算机组成。；所述激光器为He-Ne激光器，输出光的波长为0.543um，CCD的像素数是1300×1340，像素大小为20um。

第二步：扩束，准直和净化光束，方法如下：

选择光强衰减片，衰减倍数为100倍，衰减从激光器出射的激光光强，选择短焦会聚透镜的焦距为50mm和长焦会聚透镜的焦距为500mm，两透镜的焦点重合，按两个透镜焦距的比例1:10扩束光束，同时减小光束发散角，产生平行光；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上用于消除光路的杂散光。

第三步：调节限光微孔位置，优化探针质量，方法如下：

在光路中放入直径200um的限光微孔，在垂直光轴平面上微调微孔位置，只允许经扩束准直后的平面波波前强度较均匀的微小区域通过微孔，作为扫描探针。

第四步：使用传统扫描相干衍射成像方法中的二维重叠关联扫描方法扫描样品，采集衍射信号，方法如下：

将样品台置于限光微孔后1mm处，利用一组精密步进电机控制样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选40um，这样相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了80％。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为11×11＝121步。采集衍射信号时，移动目标样品台，使样品面对扫描探针。CCD图像传感器位于目标样品后14cm采集衍射信号，对应每个局域扫描区域收集一幅衍射图样，共收集到121幅衍射图样；

第五步：将衍射数据导入样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统，确定样品投影局部轴向漂移量，方法如下：将收集到的衍射数据导入ePIE算法迭代重建到收敛，得到一个探针光斑的平均形貌。根据菲涅尔衍射积分理论将步骤1所得探针光斑的平均形貌向前后以500nm为单位各传输5um，一共得到20个沿光轴方向顺次排列的光斑波前。将20个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品扫描位置1点乘，傅里叶变换到频域，取模值，计算其与扫描位置1对应的实验收集到的衍射图pattern1的差异，画出差异曲线。差异曲线最小点对应的轴向传输距离即为扫描位置1的样品投影局部轴向漂移量；重复上个步骤，找出全部n个样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量；

第六步：进行带样品投影局部轴向漂移量矫正的二维重叠关联扫描，采集衍射信号，方法如下：

使用与第四步相同的参数进行二维重叠关联扫描，在每个样品局域扫描位置处，将第五步获得的对应该扫描位置的样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数，使用样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统中的轴向步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正。CCD图像探测器位于第四步相同位置处，以相同的设定参数收集衍射数据。

第七步：重复第五步与第六步，确定准确的样品投影局部轴向漂移量，采集矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据，方法如下：

在第五步计算得到的样品投影局部轴向漂移量不会很准确，需要重复第五步与第六步的操作，直到该漂移量不在变化，得到准确的数值，并以此作为参数，对样品投影局部轴向漂移量进行校正，使用CCD图像探测器收集矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据；

第八步：将第七步收集到的衍射数据代入ePIE算法重建样品图像，方法如下：

矫正了样品投影局部轴向漂移之后，样品投影平面可近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌是一致的。将第七步收集到的矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据导入到ePIE算法中进行重建，最终可得到清晰的样品图像。

实施例2带有样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统的扫描相干衍射成像装置的应用

具体应用步骤如下：

第一步：部署一套以同步辐射为光源的相干衍射成像装置，，包括：同步辐射相干光源；探针光斑产生器件----这里使用波带片；样品台；样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统5，由承载样品台并可延光轴方向做精确位移的步进电机以及与其控制器相连并安装有样品投影局部轴向漂移量计算程序的计算机组成；图像重建系统，由CCD图像传感器以及与CCD图像传感器相连并安装有图像重建程序的计算机组成。所述同步辐射相干光源输出光为850eV的单色X射线，CCD的像素数是2048×2048，像素大小为13.5um。所述光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜、探针光斑产生器件固定在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；

第二步：以同步辐射相干光源的出射光为净化光束；

第三步：调节波带片位置，优化探针质量，方法如下：

在光路中放入直径200um，对应850eV焦距4mm的波带片，在垂直光轴平面上微调微孔位置，将离焦60um左右平面作为样品平面，该平面上聚焦光斑直径约为3um，以该聚焦光斑作为扫描探针。

第四步：使用传统扫描相干衍射成像方法中的二维重叠关联扫描方法扫描样品，采集衍射信号，方法如下：

将样品台置于波带片后4060um左右，聚焦光斑直径3um处，利用一组精密步进电机控制样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选400nm，这样相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了60％以上。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为11×11＝121步。采集衍射信号时，移动目标样品台，使样品面对扫描探针。CCD图像传感器位于目标样品后7cm采集衍射信号，对应每个局域扫描区域收集一幅衍射图样，共收集到121幅衍射图样；

第五步：将衍射数据导入样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统，确定样品投影局部轴向漂移量，方法如下：将收集到的衍射数据导入ePIE算法迭代重建到收敛，得到一个探针光斑的平均形貌。根据菲涅尔衍射积分理论将步骤1所得探针光斑的平均形貌向前后以100nm为单位各传输2.5um，一共得到50个沿光轴方向顺次排列的光斑波前。将50个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品扫描位置1点乘，傅里叶变换到频域，取模值，计算其与扫描位置1对应的实验收集到的衍射图pattern1的差异，画出差异曲线。差异曲线最小点对应的轴向传输距离即为扫描位置1的样品投影局部轴向漂移量；重复上个步骤，找出全部n个样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量；

第六步：进行带样品投影局部轴向漂移量矫正的二维重叠关联扫描，采集衍射信号，方法如下：

使用与第四步相同的参数进行二维重叠关联扫描，在每个样品局域扫描位置处，将第五步获得的对应该扫描位置的样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数，使用样品投影局部轴向漂移反馈矫正系统中的轴向步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正。CCD图像探测器位于第四步相同位置处，以相同的设定参数收集衍射数据。

第七步：重复第五步与第六步，确定准确的样品投影局部轴向漂移量，采集矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据，方法如下：

在第五步计算得到的样品投影局部轴向漂移量不会很准确，需要重复第五步与第六步的操作，直到该漂移量不在变化，得到准确的数值，并以此作为参数，对样品投影局部轴向漂移量进行校正，使用CCD图像探测器收集矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据；

第八步：将第七步收集到的衍射数据代入ePIE算法重建样品图像，方法如下：

矫正了样品投影局部轴向漂移之后，样品投影平面可近似为一个垂直于光轴的理想二维平面，各局域扫描位置处的探针光斑形貌是一致的。将第七步收集到的矫正了样品投影局部轴向漂移的二维重叠关联扫描相干衍射数据导入到ePIE算法中进行重建，最终可得到清晰的样品图像。

本申请还提供计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序运行时实现所述的样品成像方法。所述计算机可读存储介质可包括，但不限于，软盘、光盘、CD-ROM(只读光盘存储器)、磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存、或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。所述计算机可读存储介质可以是未接入计算机设备的产品，也可以是已接入计算机设备使用的部件。

在具体实现上，所述计算机程序为执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。

如图6所示，展示本申请实施例中的计算机装置30的结构示意图。

所述计算机装置30包括：

一或多个存储器31，用于存储计算机程序；

一或多个处理器32，耦接所述一或多个存储器31，用于执行所述的样品成像方法。

可选的，所述存储器31，可能包括但不限于高速随机存取存储器、非易失性存储器。例如一个或多个磁盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备；所述处理器32，可能包括但不限于中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可选的，所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

综上所述，本申请的样品成像系统、样品成像方法、计算机存储介质及计算机装置，包括：沿光轴共轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统以及图像重建系统；所述光源，用于产生相干光源；所述探针光斑产生器件，用于接收所述相干光源，并经衍射形成探针光斑输出；所述样品台，用于装载样品，所述样品一侧对应供探针光斑照射；所述步进电机，连接并驱动所述样品台进行运动，所述运动包括：沿光轴前后运动、垂直光轴运动；所述图像传感器，设于样品另一侧，用于采集样品的衍射图样；所述漂移反馈矫正系统，耦接所述步进电机及所述图像传感器，用于控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个局部扫描探测区域，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局域扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样；用于根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正；所述图像重建系统，耦接所述图像传感器，根据校正样品投影局部轴向漂移量之后的各衍射图样进行图像重建，形成样品图像。解决样品表面起伏导致的样品投影平面局部轴向漂移必然会使得对应不同扫描位置的光斑形貌一致性被破坏的问题，使样品成像质量有了大大的提升。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种样品成像系统，其特征在于，包括：沿光轴共轴排列的光源、探针光斑产生器件、样品台、步进电机、图像传感器、漂移反馈矫正系统以及图像重建系统；

所述光源，用于产生相干光源；

所述探针光斑产生器件，用于接收所述相干光源，并经衍射形成探针光斑输出；

所述样品台，用于装载样品，所述样品一侧对应供探针光斑照射；

所述步进电机，连接并驱动所述样品台进行运动，所述运动包括：沿光轴前后运动、垂直光轴运动；

所述图像传感器，设于样品另一侧，用于采集样品的衍射图样；

所述漂移反馈矫正系统，耦接所述步进电机及所述图像传感器，用于控制步进电机驱动所述样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，将样品待测区域划分为了邻域部分重叠的多个局部扫描探测区域，所述图像传感器位于目标样品后采集衍射信号，对应每个局部扫描探针区域收集一幅衍射图样，共收集到多幅衍射图样；根据由每个衍射图样得到的探针光斑的平均形貌来分别确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量，并将样品投影局部轴向漂移量作为反馈参数，令步进电机驱动样品台及样品反向移动与根据反馈参数确定的偏移量相等的距离，对样品投影局部轴向漂移量进行校正；其中，样品投影局部轴向漂移量根据由每个探针光斑的平均形貌分别获得的对应各探针光斑的平均形貌的多个光斑波前获得；根据由衍射图样得到的探针光斑的平均形貌获得多个光斑波前包括：将接收到的衍射图样导入相位恢复重建算法进行迭代重建直到收敛，得到各探针光斑的平均形貌，再根据菲涅尔衍射积分理论将所得到的探针光斑的平均形貌向前后以固定距离为单位各传输一定距离，一共得到多个沿光轴方向顺次排列的光斑波前；根据获得的多个光斑波前来确定样品局部扫描位置对应的样品投影局部轴向漂移量包括：将多个对应不同传输距离的光斑波前分别与样品该扫描位置点乘，再将其经傅里叶变换到频域，取两者之间距离的模值，计算各模值与该扫描位置的衍射图样的差异，并画出差异曲线，令差异最小点对应的光轴方向传输距离为该扫描位置的样品投影局部轴向漂移量；

所述图像重建系统，耦接所述图像传感器，根据校正样品投影局部轴向漂移量之后的各衍射图样进行图像重建，形成样品图像。

2.根据权利要求1所述的样品成像系统，其特征在于，所述相干光源为激光光源。

3.一种样品成像方法，其特征在于，应用于如权利要求1或2所述的样品成像系统。

4.一种计算机存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序运行时实现如权利要求3所述的样品成像方法。

5.一种计算机装置，其特征在于，包括：

一或多个存储器，用于存储计算机程序；

一或多个处理器，用于执行如权利要求3所述的样品成像方法。

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