CN110687078B - 相位恢复成像装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

一种相位恢复成像装置和成像方法，包括光源、光纤、变焦光纤准直器、聚焦透镜、二维位移平台、第一鱼眼轴承、第二鱼眼轴承、空心管道、样品、二维光电探测器、电脑以及数据采集与处理软件。通过变焦光纤准直器将光束的焦点调节到第一鱼眼轴承的球心处，第一鱼眼轴承作为一个支撑点；第二鱼眼轴承与二维位移平台相连接；通过控制二维位移平台，使激光束绕其焦点转动，样品上的每一个扫描位置都与周围的扫描位置有重叠，从而提高系统的成像分辨率和视场。二维光电探测器用来记录衍射斑，由二维位移平台的位置信息计算出每一幅衍射斑的角度信息，利用迭代成像算法将样品的复振幅分布恢复出来。本发明装置结构简单，相位恢复收敛速度快，成像测量精度高。

Description

相位恢复成像装置和成像方法

技术领域

本发明涉及激光衍射成像，特别是一种相位恢复成像装置和成像方法。

背景技术

光学显微成像技术在生命科学、医学和材料学等领域具有重要应用，传统显微成像技术例如基于强度成像的明场显微技术、暗场显微技术以及荧光显微技术、基于相位调制的相衬显微技术和微分干涉相衬显微技术都难以实现待测样品的高分辨率大视场定量相位测量。随着现代科学研究的不断进步，对光学显微成像技术的成像分辨率和测量视场提出了进一步要求。众所周知，单一的光学显微成像系统采集的信息量由成像芯片的像元数决定，成像分辨率和视场是一对相互矛盾的参数，难以同时得到提高。为解决这一问题，近年来研究人员提出了计算照明、计算调制与计算探测等方法，实现了多种方式的成像分辨率和视场提升。相位恢复成像技术从采集的衍射光斑中能够迭代恢复出待测光场的复振幅，从而实现待测样品相位的定量测量，在现代光学成像领域得到了广泛应用。基于叠层衍射成像(PIE)的相位恢复成像技术具有精度高、对环境抗干扰能力强等优点，但该技术需要对待测样品进行扫描平移来实现测量视场的扩展，结构复杂，操作也比较繁琐，因此对于新型高分辨率大视场的相位恢复成像方法的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有相位恢复成像技术的不足，提出一种结构简单、操作方便的高分辨率大视场的相位恢复成像装置和成像方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种相位恢复成像装置，其特点在于，包括光源、光纤、变焦光纤准直器、聚焦透镜、二维位移平台、第一鱼眼轴承、第二鱼眼轴承、空心管道、样品、二维光电探测器和数据采集与处理软件的电脑；

所述的光纤将所述的光源中的激光束导入所述的变焦光纤准直器中，所述的变焦光纤准直器的一端与所述的光纤相连，另一端与所述的聚焦透镜相连，所述的变焦光纤准直器与所述的聚焦透镜共同固定在所述的空心管道的一端，所述的第一鱼眼轴承作为支点，与所述的空心管道的另一端连接，所述的空心管道可以绕所述的第一鱼眼轴承转动，所述的第二鱼眼轴承与所述的二维位移平台相连接，该第二鱼眼轴承位于所述的空心管道的中部；所述的二维光电探测器的输出端与所述的电脑的输入端相连，所述的电脑的输出端与所述的二维位移平台的控制端相连，所述的电脑控制所述的二维位移平台，所述的二维位移平台带动所述的第二鱼眼轴承绕所述的空心管道)的轴向转动或横向滑动，调节所述的变焦光纤准直器，使激光束的焦点位于所述的第一鱼眼轴承的球心处。

所述的光纤带有衰减器，用于控制输出光的光强。

所述的二维光电探测器为CCD，采集和记录样品的衍射光斑。

利用上述相位恢复成像装置对样品进行成像的方法，其特点在于该成像方法包括下列步骤：

1)根据衍射光斑的实际大小，设置所述的二维位移平台的步长和步数，使相邻光斑的重叠面积为60％，所述的二维位移平台通过所述的电脑控制其移动步长和步数，使得每次得到的衍射光斑都与周围的射光斑有部分重叠；

2)根据实际入射光斑的尺寸大小和采集数据矩阵的大小，将所述的二维光电探测器(10)放在合适的距离上，使待记录的光斑能够被所述的二维光电探测器完全接收；

3)所述的二维光电探测器在共J个扫描位置记录J个衍射光斑，并输入所述的电脑(11)中，

4)令j＝1

5)所述的电脑利用所述的数据采集与处理软件对第j扫描位置的衍射光斑，进行下列迭代运算，包括以下步骤：

a)第一次迭代时，初始猜测样品的分布为O(r)，照明光的分布为P(r)；

b)令n＝n+1，进行第n次迭代过程描述如下：根据所述的二维位移平台第j扫描位置的位置信息，计算出光束偏移的角度，利用相似三角形定理，计算出光束在所述样品和所述的二维光电探测器上相应的位移信息：

d/h＝D1/H1

d/h＝(D1+D2)/(H1+H2)

其中，d表示所述的二维位移平台移动的距离，h表示所述的二维位移平台到所述的第一鱼眼轴承球心的垂直距离，H1表示所述的第一鱼眼轴承球心到所述的样品的垂直距离，H2表示所述的样品到所述的二维光电探测器的垂直距离，D1表示照明光束在所述的样品上的位移距离，D2表示照明光束在所述的二维光电探测器上的位移距离；

c)假设样品足够薄，样品后表面的透射光场

为照明光函数与样品函数的乘积：

其中，rj表示第j扫描位置，n表示迭代次数；

d)将得到的透射光场

传播到衍射面，得到衍射面的光场分布：

其中，u是衍射面上的空间坐标，Π是衍射传播算子，在远场ptychography中Π为夫琅禾费衍射，在近场ptychography中Π为角谱传播或者菲涅尔衍射，ψ_n(u,u_j)可以写成振幅和相位乘积的形式：

ψ_n(u,u_j)＝|ψ_n(u,u_j)|exp[iθ_n(u,u_j)]

e)应用衍射强度约束更新衍射面光强分布，保持光场相位值不变，振幅值用记录到的衍射强度的平方根来替换：

Iuj是第j扫描位置所述的二维光电探测器记录到的衍射强度；

f)将更新后的光场反向传播到样品面，得到更新的样品透射光场分布：

其中，Π^-是反向传播算子；

g)使用下面的公式更新照明光及样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，{|Pn(r)|²}_max是照明光强度的最大值，{|On(r-rj)|²}_max是当前位置处样品强度的最大值，α与β为常数，用于控制更新步长；

h)移动至下一个扫描位置，令j＝j+1，返回步骤5中的步骤b)，当j>J时，进入下一步：

i)计算均方根误差Erms，其定义为：(右侧第八个框图)

j)当衍射光斑均方根误差Erms小于自己设定的精度要求，比如10^-3时，进入步骤6)，当衍射光斑均方根误差Erms大于自己设定的精度要求时，令n＝n+1，返回步骤b)；

6)结束，获得高分辨率大视场的相位恢复成像。

本发明的技术效果如下：

本发明相位恢复成像装置的光路可以提供多角度的照明光场。本发明采用多角度照明光扫描待测样品，增加系统的成像视场，同时提高系统的分辨率。系统的分辨能力主要受到二维光电探测器的限制，我们在实验中用的是像素尺寸分别为9微米的二维光电探测器，最后成像的分辨率能够达到10微米。因为照明系统提供的照明光场如图2所示，是一个喇叭状，所以距离焦点越远，能够照到的面积就越大，系统的视场也就越大。也就是说，视场的大小和样品放置的位置有关。

本发明计算结果收敛速度快，测量精度高。

附图说明

图1是本发明相位恢复成像装置的结构示意图

图中：1-光源、2-光纤、3-变焦光纤准直器、4-聚焦透镜、5-二维位移平台、6-第一鱼眼轴承、7-第二鱼眼轴承、8-空心管道、9-样品、10-二维光电探测器、11-带有相应软件的电脑。

图2是本发明相位恢复成像原理图

图3是本发明利用相干衍射成像原理利用迭代算法对样品进行复振幅恢复的流程图

具体实施方式

参见图1、图2，由图可见，本发明相位恢复成像装置，包括光源1、光纤2、变焦光纤准直器3、聚焦透镜4、二维位移平台5、第一鱼眼轴承6、第二鱼眼轴承7、空心管道8、样品9、二维光电探测器10和数据采集与处理软件的电脑11；

所述的光纤2将所述的光源1中的激光束导入所述的变焦光纤准直器3中，所述的变焦光纤准直器3的一端与所述的光纤2相连，另一端与所述的聚焦透镜4相连，所述的变焦光纤准直器3与所述的聚焦透镜4共同固定在所述的空心管道8的一端，所述的第一鱼眼轴承6作为支点，与所述的空心管道8的另一端连接，所述的空心管道8可以绕所述的第一鱼眼轴承6转动，所述的第二鱼眼轴承7与所述的二维位移平台5相连接，该第二鱼眼轴承7位于所述的空心管道8的中部；所述的二维光电探测器10的输出端与所述的电脑11的输入端相连，所述的电脑11的输出端与所述的二维位移平台5的控制端相连，所述的电脑11控制所述的二维位移平台5，所述的二维位移平台5带动所述的第二鱼眼轴承7绕所述的空心管道8的轴向转动或横向滑动，调节所述的变焦光纤准直器3，使激光束的焦点位于所述的第一鱼眼轴承6的球心处。

所述的光纤2带有衰减器，控制入射光的光强。

所述的变焦光纤准直器3的一端与所述的光纤2相连，另一端与所述的聚焦透镜4相连。

实施例中：

所述的聚焦透镜4为消色差透镜，焦距为50毫米至200毫米之间，固定在所述的空心管道8的一端，与所述的变焦透镜4组合使用，将入射光的焦点调节到所述的第一鱼眼轴承6的球心处。

所述的的二维位移平台5通过所述的电脑11编写程序，控制其移动步长和步数。

所述的第一鱼眼轴承6作为支点，与所述的空心管道8的一端连接，所述的空心管道可以绕所述的第一鱼眼轴承6转动。

所述的第二鱼眼轴承7处在所述的空心管道8的中间部分，与所述的二维位移平台5连接，所述的二维位移平台5拖动所述的第二鱼眼轴承7绕所述的空心管道8的轴向转动，并且可以沿轴向滑动。

所述的二维光电探测器10为CCD，与所述的电脑11连接，采集和记录衍射光斑。

利用上述相位恢复成像装置对样品的成像方法，该成像方法包括下列步骤：

1)根据实际入射光斑的尺寸大小，设置所述的二维位移平台的步长和步数，使得每次得到的衍射光斑都与周围的衍射光斑有重叠；

2)根据实际入射光斑的尺寸大小和采集数据矩阵的大小，将所述的二维光电探测器放在合适的距离上，使待记录的光斑能够被所述的二维光电探测器完全接收；

3)所述的二维光电探测器记录下每一幅衍射光斑，并记录在所述的电脑中，所述的电脑利用所述的数据采集与处理软件进行下列迭代运算，包括以下步骤(参见图3)

a)第一次迭代时，初始猜测样品的分布为O(r)，照明光的分布为P(r)；

b)令n＝n+1，进行第n次迭代过程描述如下：根据所述的二维位移平台每次移动的位置信息，利用相似三角形定理，计算出衍射光斑在所述的二维光电探测器上相应的位移信息

d/h＝D1/H1

d/h＝(D1+D2)/(H1+H2)

其中，d表示所述的二维位移平台移动的距离，h表示所述的二维位移平台到所述的第一鱼眼轴承球心的垂直距离，H1表示所述的第一鱼眼轴承球心到所述的样品的垂直距离，H2表示所述的样品到所述的二维光电探测器的垂直距离，D1表示衍射光斑在所述的样品上的位移距离，D2表示衍射光斑在所述的二维光电探测器上的位移距离；

c)假设样品足够薄，样品后表面的透射光场分布为照明光函数与样品函数的乘积：

其中r_j表示j次扫描的位置，n表示迭代次数。

d)将得到的透射光场

传播到衍射面，得到衍射面的光场分布

其中u是衍射面上的空间坐标，∏是衍射传播算子，在远场ptychography中∏为夫琅禾费衍射，在近场ptychography中∏为角谱传播或者菲涅尔衍射。ψ_n(u,u_j)可以写成振幅和相位乘积的形式

ψ_n(u,u_j)＝|ψ_n(u,u_j)|exp[iθ_n(u,u_j)]

e)应用衍射强度约束更新衍射面光强分布，保持光场相位值不变，振幅值用记录到的强度的平方根来替换

I_uj是第j次扫描是探测器记录到的衍射强度。

f)将更新后的光场反向传播到样品面，得到更新的样品透射光场分布

Π^-是反向传播算子。

g)使用下面的公式更新照明光及样品分布函数

其中，*代表复共轭操作，{|P_n(r)|²}_max是照明光强度的最大值，{|O_n(r-r_j)|²}_max是当前位置处样品强度的最大值，α与β为常数，用于控制更新步长。

h)移动至下一个扫描位置，重复步骤(b)-(g)，直到遍历完所有扫描位置；

i)计算均方根误差E_rms，其定义为

j)当衍射光斑均方根误差E_rms小于自己设定的精度要求时，比如10^-3时，迭代过程结束。当衍射光斑均方根误差E_rms大于自己设定的精度要求时，程序进入下一个迭代过程。

下面是本发明一个实施例的参数：

聚焦透镜焦距为100毫米，衍射光斑矩阵大小为10×10，测量样品为南瓜茎横切片，CCD的分辨率为4008*2672，最小单元为9微米，记录一组衍射光斑，通过相干衍射理论计算传播过程，具体步骤包括：

a)第一次迭代时，n＝1，初始猜测样品的分布为O(r)，照明光的分布为P(r)；

b)令n＝n+1，进行第n次迭代，过程描述如下：根据所述的二维位移平台每次移动的位置信息，利用相似三角形定理，计算出衍射光斑在所述的二维光电探测器上相应的位移信息：

d/h＝D1/H1

d/h＝(D1+D2)/(H1+H2)

其中，d表示所述的二维位移平台移动的距离，h表示所述的二维位移平台到所述的第一鱼眼轴承球心的垂直距离，H1表示所述的第一鱼眼轴承球心到所述的样品的垂直距离，H2表示所述的样品到所述的二维光电探测器的垂直距离，D1表示衍射光斑在所述的样品上的位移距离，D2表示衍射光斑在所述的二维光电探测器上的位移距离；

c)假设样品足够薄，样品后表面的透射光场分布

为照明光函数与样品函数的乘积：

其中，r_j表示j次扫描的位置，n表示迭代次数；

d)将得到的透射光场

传播到衍射面，得到衍射面的光场分布ψ_n(u,u_j)：

其中u是衍射面上的空间坐标，∏是衍射传播算子，在远场ptychography中∏为夫琅禾费衍射，在近场ptychography中Π为角谱传播或者菲涅尔衍射。所述的衍射面的光场分布ψ_n(u,u_j)可以写成振幅和相位乘积的形式：

ψ_n(u,u_j)＝|ψ_n(u,u_j)|exp[iθ_n(u,u_j)]

e)应用衍射强度约束更新衍射面光强分布，保持光场相位值不变，振幅值用记录到的强度的平方根来替换：

其中，I_uj是第j次扫描所述的探测器记录到的衍射强度；

f)将更新后的光场反向传播到样品面，得到更新的样品透射光场分布：

∏^-是反向传播算子；

g)使用下面的公式更新照明光及样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，{|P_n(r)|²}_max是照明光强度的最大值，{|O_n(r-r_j)|²}_max是当前位置处样品强度的最大值，α与β为常数，取值在[0,1]之间，用于控制更新步长；

h)移动至下一个扫描位置，重复步骤b)-g)直到遍历完所有扫描位置；

i)计算均方根误差E_rms，其定义为

当衍射光斑均方根误差E_rms足够小时，迭代过程结束。当衍射光斑均方根误差E_rms大于自己设定的精度要求时，程序进入下一个迭代过程。

实验表明，本发明所述的装置可以有效提高成像系统的空间分辨率和成像视场，通过采集一组衍射光斑，可以精确的恢复出样品的复振幅。本发明有结构简单、相位恢复收敛速度快和测量精度高的特点。

Claims (4)

1.一种相位恢复成像装置，其特征在于，包括光源(1)、光纤(2)、变焦光纤准直器(3)、聚焦透镜(4)、二维位移平台(5)、第一鱼眼轴承(6)、第二鱼眼轴承(7)、空心管道(8)、样品(9)、二维光电探测器(10)和数据采集与处理软件的电脑(11)；

所述的光纤(2)将所述的光源(1)中的激光束导入所述的变焦光纤准直器(3)中，所述的变焦光纤准直器(3)的一端与所述的光纤(2)相连，另一端与所述的聚焦透镜(4)相连，所述的变焦光纤准直器(3)与所述的聚焦透镜(4)共同固定在所述的空心管道(8)的一端，所述的第一鱼眼轴承(6)作为支点，与所述的空心管道(8)的另一端连接，所述的空心管道(8)可以绕所述的第一鱼眼轴承(6)转动，所述的第二鱼眼轴承(7)与所述的二维位移平台(5)相连接，该第二鱼眼轴承(7)位于所述的空心管道(8)的中部；所述的二维光电探测器(10)的输出端与所述的电脑(11)的输入端相连，所述的电脑(11)的输出端与所述的二维位移平台(5)的控制端相连，所述的电脑(11)控制所述的二维位移平台(5)，所述的二维位移平台(5)带动所述的第二鱼眼轴承(7)绕所述的空心管道(8)的轴向转动或横向滑动，调节所述的变焦光纤准直器(3)，使激光束的焦点位于所述的第一鱼眼轴承(6)的球心处。

2.根据权利要求1所述的相位恢复成像装置，其特征在于所述的光纤(2)带有衰减器，用于控制输出光的光强。

3.根据权利要求1所述的相位恢复成像装置，其特征在于所述的二维光电探测器(10)为CCD，采集和记录样品(9)的衍射光斑。

4.利用权利要求1所述的相位恢复成像装置对样品进行成像的方法，其特征在于该成像方法包括下列步骤：

1)根据衍射光斑的实际大小，设置所述的二维位移平台(5)的步长和步数，使相邻光斑的重叠面积为60％，所述的二维位移平台(5)通过所述的电脑(11)控制其移动步长和步数，使得每次得到的衍射光斑都与周围的衍射光斑有部分重叠；

2)根据实际入射光斑的尺寸大小和采集数据矩阵的大小，将所述的二维光电探测器(10)放在合适的距离上，使待记录的光斑能够被所述的二维光电探测器(10)完全接收；

3)所述的二维光电探测器(10)在J个扫描位置共记录J个射光斑，并输入所述的电脑(11)中，

4)令j＝1

5)所述的电脑(11)利用所述的数据采集与处理软件(12)对第j扫描位置的衍射光斑，进行下列迭代运算，包括以下步骤：

a)第一次迭代时，初始猜测样品(9)的分布为O(r)，照明光的分布为P(r)；

b)令n＝n+1，进行第n次迭代过程描述如下：根据所述的二维位移平台(5)第j扫描位置的位置信息，计算出光束偏移的角度，利用相似三角形定理，计算出光束在所述样品(9)和所述的二维光电探测器(10)上相应的位移信息：

d/h＝D1/H1

d/h＝(D1+D2)/(H1+H2)

其中，d表示所述的二维位移平台(5)移动的距离，h表示所述的二维位移平台(5)到所述的第一鱼眼轴承(6)球心的垂直距离，H1表示所述的第一鱼眼轴承(6)球心到所述的样品(9)的垂直距离，H2表示所述的样品(9)到所述的二维光电探测器(10)的垂直距离，D1表示照明光束在所述的样品(9)上的位移距离，D2表示照明光束在所述的二维光电探测器(10)上的位移距离；

c)假设样品(9)足够薄，样品后表面的透射光场

为照明光函数与样品函数的乘积：

其中，rj表示第j扫描位置，n表示迭代次数；

d)将得到的透射光场

传播到衍射面，得到衍射面的光场分布：

其中，u是衍射面上的空间坐标，Π是衍射传播算子，在远场ptychography中Π为夫琅禾费衍射，在近场ptychography中Π为角谱传播或者菲涅尔衍射，ψ_n(u，u_j)可以写成振幅和相位乘积的形式：

ψ_n(u，u_j)＝|ψ_n(u，u_j)|exp[iθ_n(u，u_j)]

e)应用衍射强度约束更新衍射面光强分布，保持光场相位值不变，振幅值用记录到的衍射强度的平方根来替换：

Iuj是第j扫描位置所述的二维光电探测器(10)记录到的衍射强度；

f)将更新后的光场反向传播到样品面，得到更新的样品透射光场分布：

其中，Π^-是反向传播算子；

g)使用下面的公式更新照明光及样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，{|Pn(r)|²}_max是照明光强度的最大值，{|On(r-rj)|²}_max是当前位置处样品强度的最大值，α与β为常数，用于控制更新步长；

h)移动至下一个扫描位置，令j＝j+1，返回步骤5中的步骤b)，当j>J时，进入下一步：

i)计算均方根误差Erms，公式如下：

j)当衍射光斑均方根误差Erms小于自己设定的精度要求，比如10-3时，进入步骤6)，当衍射光斑均方根误差Erms大于自己设定的精度要求时，令n＝n+1，返回步骤b)；

6)结束，获得高分辨率大视场的相位恢复成像。

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