CN110987861A - 一种连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法，该方法包括采集携带多层被测样品信息的衍射图案，利用多物面叠层重建算法重建照明光束的复振幅分布及被测多层样品的复振幅透过率函数，从而得到多层样品的幅值及相位分布，获得样品的吸收系数及折射率分布。同时，利用连续太赫兹波多物面叠层相衬成像对多层被测样品进行大视场、无损、快速成像；该方法无需成像透镜，系统搭设简单，数据采集操作方便，并且待测多层样品尺寸不受照明光束尺寸及探测器靶面尺寸限制。

Description

一种连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波段多物面相衬成像方法，特别是涉及一种连续太赫兹波多物面叠层成像方法，是一种依靠相位复原算法重建多层结构样品的全场相衬成像方法。
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位于红外与微波频段之间，频率范围为0.1THz–10THz，相应的波长范围为3mm–30μm。得益于太赫兹波无损非电离、可穿透可见光波段非透明非极性材料的传播特性，太赫兹波相衬成像能够无损地重建物光场的幅值及相位信息，进一步获得待测样品的吸收系数及折射率分布。目前，太赫兹波段的研究对象逐渐从二维单层薄样品向多层结构样品发展。叠层成像方法是一种非接触式无透镜相干衍射相衬成像技术，通过移动照明探针或样品，采集具有交叠区域信息的远场衍射图，并利用相位复原迭代算法重建二维薄样品的复振幅透过率函数及相应的照明探针函数。当样品具有多层结构时，通过光束前向散射模型能够逐层分析探针光束照明多层样品的传播过程，利用三维叠层迭代引擎算法(three-dimensional ptychographic iterative engine,3PIE)重建多层样品的复振幅透过率函数及相应的照明探针函数。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种新型的连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法，能够获得多层多层样品的复振幅透过率函数，迭代更新得到样品的振幅分布及相位分布。该方法无需成像透镜，系统搭设简单，数据采集操作方便，并且待测多层样品尺寸不受照明光束尺寸及探测器靶面尺寸限制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种连续太赫兹波透射式多物面叠层相衬成像方法，实现该方法的系统光路包括光泵2.52THz连续激光器1、离轴抛物面镜I2、离轴抛物面镜II3、小孔4、样品5、三维平移台6和热释电面阵式探测器7。
光泵连续太赫兹波激光器1用于输出中心频率2.52THz的太赫兹光束，其中心波长为118.83μm；太赫兹光束经过两个镀金离轴抛物面镜I2和离轴抛物面镜II3扩束准直为平行光束。平面光束穿过小孔4，在样品5的物面I位置处形成探针光束，探针光束照射样品5后形成出射波，该出射波在自由空间传播至物面II位置处并形成物面II的照明探针。在探针光束固定的情况，样品5被固定在三维平移台6上，该平移台6能够沿x和y方向移动移动，实现探针光束以固定步长扫描样品5。物面II的出射波经自由空间传播至热释电面阵式探测器7位置处，并由热释电面阵式探测器7记录样品相应位置的远场衍射图案。
利用上述实验系统进行一种连续太赫兹波透射式多物面叠层成像方法，该方法包括采集携带多层被测样品信息的衍射图案，利用多物面叠层重建算法重建照明光束的复振幅分布及被测多层样品的复振幅透过率函数，从而得到多层样品的幅值及相位分布，获得样品的吸收系数及折射率分布。
利用连续太赫兹波多物面叠层相衬成像对多层被测样品进行大视场、无损、快速成像的过程分为以下步骤：
S1：搭设上述连续太赫兹波透射式多物面叠层相衬成像系统，照明光束照射多层样品，调节被测多层样品或照明光束相对位置，以改变被测样品照明区域，利用热释电面阵式探测器采集多层样品相应位置的远场衍射图案。以
Figure BDA0002313600390000021
表示平移台沿x,y方向移动步长，其中j＝1···J，表示样品共移动J位置，探测器相应地共采集J幅衍射图案。设r3＝(x3,y3)表示距物面II距离为d2位置处的记录平面坐标系，探测器记录的远场衍射图Ij(r3)。
S2：对测量的衍射图用多物面叠层成像重建算法迭代更新求解被测多层样品的复振幅透过率函数及相应的探针函数。具体重建过程如下：
S2.1：首先建立前向传播模型，对各物面样品复振幅透过率函数及探针函数进行初始猜测。物面Ⅰ样品复振幅透过透过率函数为O1(r1)，照明探针函数为P1(r1)，其中r1＝(x1,y1)为物面I的坐标系。物面Ⅱ位置样品复振幅透过率函数为O2(r2)，探针函数为P2(r2)，其中r2＝(x2,y2)表示物面II的坐标系。
S2.2：根据面阵式热释电探测器像素尺寸及像素综述数参数设置各物平面采样间隔，设定太赫兹波照明光束波长，模拟平面波照射样品过程获得物平面I出射波前Ψ1(r1)＝P1(r1)·O1(r1-Rj)。
S2.3：利用角谱衍射计算方法(Angular Spectrum Propagation，ASP)模拟物平面I出射波在自由空间中的传播过程。将出射波传播d1距离至物面II位置，形成物面2的照明函数
Figure BDA0002313600390000031
S2.4：在物平面II位置模拟照明光束穿过样品的过程，获得物面II的出射波前为Ψ2(r2)＝P2(r2)·O2(r2-Rj)。
S2.5：同样地，利用角谱衍射传播计算模拟出射波前Ψ2(r2)传播距离d2至记录平面的过程。获得记录平面复振幅波前分布为
Figure BDA0002313600390000032
S2.6：重复J次步骤S2.1-S2.5，即在探测器平面获得样品衍射图对应位置的复振幅波前分布。
S2.7：利用探测器记录的相应位置的衍射强度图样Ij(r3)对Ψj(r3)进行修正，修正后的复振幅表达式为：
Figure BDA0002313600390000033
S2.8：利用角谱衍射计算方法将计算修正复振幅波前Ψ’j(r3)回传至物面II位置处，表达式为：
Figure BDA0002313600390000034
S2.9：通过更新函数更新物面II初始猜测的样品复振幅透过率函数O’2(r2)和探针函数P’2(r2)，其中P’2(r2)包含物面Ⅰ位置O1(r1)的信息及照明光束P1(r1)信息。
S2.10：利用角谱衍射计算方法将计算修正复振幅波前P’2(r2)回传至物面II位置处，表达式为：
Figure BDA0002313600390000035
S2.11：通过更新函数更新物面I初始猜测的样品复振幅透过率函数O’1(r1)和探针函数P’1(r1)。
S2.12：重复J次步骤S2.7-S2.11，利用全部采集的衍射图对样品扫描依次进行更新，得到各物面完整的样品的复振幅透过率函数及探针函数。
S2.12：将以上步骤迭代N次至算法多物面叠层相衬成像重建算法收敛，得到各物面准确的样品复振幅透过率函数分布及照明函数。
3PIE算法通过模拟衍射传播过程重建多层样品振幅及相位分布，即利用多层散射模型逐层重建物平面复振幅透过率函数及相应探针分布。以两层样品模型为例，说明连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法。设r1＝(x1,y1)为物面I的坐标系，物面I上样品的复振幅透过率函数为O1(r1)，照明探针函数为P1(r1)。物面I位置产生的复振幅波前Ψ1(r1)在自由空间传播d1距离至物面II位置并形成照明光束P2(r2)，相应的样品复振幅分布为O2(r2)，其中r2＝(x2,y2)表示物面II的坐标系。以
Figure BDA0002313600390000041
表示平移台沿x,y方向移动步长，其中j＝1···J，表示样品共移动J个位置，探测器相应地共采集J幅衍射图案。设r3＝(x3,y3)表示距物面II距离为d2位置处的记录平面坐标系，该位置距物面II的距离为d2。探测器记录的远场衍射图Ij(r3)＝|Ψ3(r3)|2。
当探针光束P1(r1)穿过物面I处样品后形成出射波前Ψ1(r1)＝P1(r1)·O1(r1-Rj)，该波前在自由空间传播在物面I位置形成探针光束
Figure BDA0002313600390000042
利用角谱衍射传播方法(Angular Spectrum Propagation，ASP)计算太赫兹波衍射传播过程。相似地，物面II的出射复振幅波前为Ψ2(r2)＝P2(r2)·O2(r2-Rj)。将Ψ2(r2)传播距离d2，记录平面复振幅表示为
Figure BDA0002313600390000043
复振幅波前与探测记录的衍射图样关系为
Figure BDA0002313600390000044
利用探测器记录的相应位置的衍射强度图样Ij(r3)对Ψj(r3)进行修正，
Figure BDA0002313600390000045
将计算修正复振幅波前Ψ’j(r3)利用角谱衍射计算方法回传至物面II位置处，
Figure BDA0002313600390000046
为了获得物面II的样品复振幅函数及照明探针函数P2(r2)，需要在反向传播计算过程中对复振幅波前进行解耦操作。物面II的照明探针函数中包含着物面I处样品O1(r1)的复振幅分布信息及照明探针P1(r1)信息。公式3表示3PIE算法更新函数，
Figure BDA0002313600390000047
其中t＝1,2。ft(rt)表示待更新探针或样品的复振幅透过率函数，gt(rt)表示待更新样品或探针的复振幅透过率函数，
Figure BDA0002313600390000048
表示共轭像。α表示更新步长，被设定为恒定值1。利用公式3对第二个物平面进行更新。
设置ΔΨt(rt)＝Ψ’2(r2)-Ψ2(r2)；
更新后第二物面的复振幅透过率函数为O’2(r2)＝U[O2(r2),P2(r2),ΔΨ2(r2)]，照明探针的复振幅为P’2(r2)＝U[P2(r2),O2(r2),ΔΨ2(r2)]。利用公式(2)-(3)将P’(r2)回传d1距离至物面1位置处并进行更新，能够得到物面I位置出样品的复振幅透过率函数O’(r1)及探针分布P’(r1)。重复J次上述步骤，利用探测器采集的所有衍射图对两物平面位置处的样品和探针光束进行更新操作。循环迭代更新过程至算法收敛，最终重建获得多层样品的复振幅透过率函数及探针分布。
与现有技术相比较，本发明设计的一种连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法，能够重建大尺寸多层结构样品的复振幅透过率函数及相应的照明探针函数。相较于其他太赫兹多物面成像方法，本方法无需参考光束信号，通过采集交叠的衍射图样并结合3PIE算法能够获得样品每一层结构的振幅及相位图像。
附图说明
图1是本发明各物平面与记录平面坐标关系图。物面II为多层样品中第一层样品所在位置，物面II为第二层样品所在位置，记录平面为探测器所在位置。
图2是连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法系统结构示意图。
图中：1、光泵2.52THz连续激光器，2、离轴抛物面镜，3、离轴抛物面镜，4、小孔，5、样品，6、三维平移台，7、热释电面阵式探测器。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的典型实施例及其特征。
连续太赫兹波多物面叠层相衬成像方法系统结构示意图如图2所示。光泵连续太赫兹波激光器1中心频率2.52THz，波长为118.83μm，输出功率约为400mW。离轴抛物面镜I2焦距为50.8mm，离轴抛物面镜3焦距为152.5mm，太赫兹光束经过两个镀金离轴抛物面镜I2和离轴抛物面镜II3，光斑直径被扩大三倍，约为15.2mm。平面波穿过直径为3.3mm小孔4在16mm远的样品5位置处形成探针光束。实验中以两层带有不同图案的聚丙烯材料薄片(Polypropylene，PP，折射率npp＝1.495@2.52THz)模拟两层结构样品。样品第一层图案5a为循环三角标志，样品第二层图案5b为“OVEN”字样，两层相距21mm。样品第一层图案5a和样品第二层图案5b同时固定在三维平移台上(MT3-Z8，Thorlabs，最大量程12mm，精度0.01mm)，探测器摆放在距S2样品21mm的位置处。利用热释电面阵式探测器7Pyrocam-Ⅲ采集远场衍射图，探测器像素尺寸为100μm×100μm，靶面尺寸为124×124pixels。实验中平移台移动步长为0.8mm，S1样品被扫描区域交叠率为75％，探测器共采集11×11幅衍射图样。操作详细步骤如下：
(1)首先将在记录距离为d2时依次采集到的124×124像素衍射图样顺序标记为Ij(r3)，其中j＝1,2,···,121。
(2)算法重建过程初始，设置探针函数为1矩阵，样品复幅值函数为随机矩阵，更新步长α＝0.98。物面I处样品的复振幅透过率函数为O1(r1)，照明探针函数为P1(r1)。当探针光束P1(r1)穿过O1(r1)后形成出射波前Ψ1(r1)＝P1(r1)·O1(r1-Rj)，该波前在自由空间传播d1距离在物面II处形成探针光束
Figure BDA0002313600390000061
利用角谱衍射传播方法(AngularSpectrum Propagation，ASP)计算太赫兹波衍射传播过程。相似地，物面II处样品的复振幅透过率函数为P2(r2)，复振幅出射波前为Ψ2(r2)＝P2(r2)·O2(r2-Rj)。将Ψ2(r2)传播距离d2，在记录面得到
Figure BDA0002313600390000062
复振幅波前与探测记录的衍射图样关系为
Figure BDA0002313600390000063
(3)利用探测器记录的相应位置的衍射强度图样Ij(r3)对Ψ3(r3)进行修正，
Figure BDA0002313600390000064
(4)将计算修正复振幅波前Ψ’j(r3)利用角谱衍射计算方法回传至物面II位置处，
Figure BDA0002313600390000065
(5)反向传播计算过程需要对复振幅波前进行解耦操作获得复振幅函数及照明探针函数P2(r2)。照明探针函数P2(r2)中包含着物面I样品O1(r1)复振幅分布信息及相应照明探针P1(r1)信息。公式3表示3PIE算法更新函数，
Figure BDA0002313600390000071
其中t＝1,2。ft(rt)表示待更新探针或样品的复振幅透过率函数，gt(rt)表示待更新样品或探针的复振幅透过率函数，
Figure BDA0002313600390000072
表示共轭像。α表示更新步长，设定为0.98。利用公式3对物面2进行更新。设置ΔΨt(rt)＝Ψ’2(r2)-Ψ2(r2)，更新后物面2样品的复振幅透过率函数为O’2(r2)＝U[O2(r2),P2(r2),ΔΨ2(r2)]，照明探针的复振幅为P’2(r2)＝U[P2(r2),O2(r2),ΔΨ2(r2)]。
(6)将P’2(r2)回传d1至物面1位置处，并利用公式(3)对O1(r1)和P1(r1)进行更新得到
O’1(r1)＝U[O1(r1),P1(r1),ΔΨ1(r1)]，P’1(r1)＝U[P1(r1),O1(r1),ΔΨ1(r1)]，以上操作对样品某一个位置完成更新。利用探测器所有121幅衍射图对相应位置进行更新后得到全视场更新结果，即完成一次迭代更新过程。设置3PIE算法总迭代次数为300，重建两层样品准确的复振幅分布及相应的探针函数分布，获得样品的幅值分布与相位分布。
本发明的典型实施例实验结果表明，连续太赫兹波多物面叠层成像方法能够同时重建多层样品复振幅透过率函数及相应的照明探针函数，获得多层样品的振幅分布与相位分布。该方法为太赫兹多平面成像提供了新的解决方案。
尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例没有打算是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例和修改例。

Claims (5)

1.一种连续太赫兹波透射式多物面叠层相衬成像系统，其特征在于：实现该方法的系统光路包括光泵2.52THz连续激光器(1)、离轴抛物面镜I(2)、离轴抛物面镜II(3)、小孔(4)、样品(5)、三维平移台(6)和热释电面阵式探测器(7)；
光泵连续太赫兹波激光器(1)用于输出中心频率2.52THz的太赫兹光束，其中心波长为118.83μm；太赫兹光束经过两个镀金离轴抛物面镜I(2)和离轴抛物面镜II(3)扩束准直为平行光束；平面光束穿过小孔(4)，在样品(5)的物面I位置处形成探针光束，探针光束照射样品(5)后形成出射波，该出射波在自由空间传播至物面II位置处并形成物面II的照明探针；在探针光束固定的情况，样品(5)被固定在三维平移台(6)上，该三维平移台(6)能够沿x和y方向移动移动，实现探针光束以固定步长扫描样品(5)；物面II的出射波经自由空间传播至热释电面阵式探测器(7)位置处，并由热释电面阵式探测器(7)记录样品相应位置的远场衍射图案。
2.一种连续太赫兹波透射式多物面叠层成像方法，其特征在于：该方法包括采集携带多层被测样品信息的衍射图案，利用多物面叠层重建算法重建照明光束的复振幅分布及被测多层样品的复振幅透过率函数，从而得到多层样品的幅值及相位分布，获得样品的吸收系数及折射率分布；
利用连续太赫兹波多物面叠层相衬成像对多层被测样品进行大视场、无损、快速成像的过程分为以下步骤：
S1：搭设上述连续太赫兹波透射式多物面叠层相衬成像系统，照明光束照射多层样品，调节被测多层样品或照明光束相对位置，以改变被测样品照明区域，利用热释电面阵式探测器采集多层样品相应位置的远场衍射图案；
S2：对测量的衍射图用多物面叠层成像重建算法迭代更新求解被测多层样品的复振幅透过率函数及相应的探针函数。
3.根据权利要求2所述的一种连续太赫兹波透射式多物面叠层成像方法，其特征在于：S2具体重建过程如下：S2.1：首先建立前向传播模型，对各物面样品复振幅透过率函数及探针函数进行初始猜测；物面Ⅰ样品复振幅透过透过率函数为O1(r1)，照明探针函数为P1(r1)，其中r1＝(x1,y1)为物面I的坐标系；物面Ⅱ位置样品复振幅透过率函数为O2(r2)，探针函数为P2(r2)，其中r2＝(x2,y2)表示物面II的坐标系；
S2.2：根据面阵式热释电探测器像素尺寸及像素综述数参数设置各物平面采样间隔，设定太赫兹波照明光束波长，模拟平面波照射样品过程获得物平面I出射波前Ψ1(r1)＝P1(r1)·O1(r1-Rj)；
S2.3：利用角谱衍射计算方法(Angular Spectrum Propagation，ASP)模拟物平面I出射波在自由空间中的传播过程；将出射波传播d1距离至物面II位置，形成物面2的照明函数
Figure FDA0002313600380000021
S2.4：在物平面II位置模拟照明光束穿过样品的过程，获得物面II的出射波前为Ψ2(r2)＝P2(r2)·O2(r2-Rj)；
S2.5：同样地，利用角谱衍射传播计算模拟出射波前Ψ2(r2)传播距离d2至记录平面的过程；获得记录平面复振幅波前分布为
Figure FDA0002313600380000022
S2.6：重复J次步骤S2.1-S2.5，即在探测器平面获得样品衍射图对应位置的复振幅波前分布；
S2.7：利用探测器记录的相应位置的衍射强度图样Ij(r3)对Ψj(r3)进行修正，修正后的复振幅表达式为：
Figure FDA0002313600380000023
S2.8：利用角谱衍射计算方法将计算修正复振幅波前Ψ′j(r3)回传至物面II位置处，表达式为：
Figure FDA0002313600380000024
S2.9：通过更新函数更新物面II初始猜测的样品复振幅透过率函数O′2(r2)和探针函数P′2(r2)，其中P′2(r2)包含物面Ⅰ位置O1(r1)的信息及照明光束P1(r1)信息；
S2.10：利用角谱衍射计算方法将计算修正复振幅波前P′2(r2)回传至物面II位置处，表达式为：
Figure FDA0002313600380000025
S2.11：通过更新函数更新物面I初始猜测的样品复振幅透过率函数O′1(r1)和探针函数P′1(r1)；
S2.12：重复J次步骤S2.7-S2.11，利用全部采集的衍射图对样品扫描依次进行更新，得到各物面完整的样品的复振幅透过率函数及探针函数；
S2.12：将以上步骤迭代N次至算法多物面叠层相衬成像重建算法收敛，得到各物面准确的样品复振幅透过率函数分布及照明函数。
4.根据权利要求3所述的一种连续太赫兹波透射式多物面叠层成像方法，其特征在于：设r1＝(x1,y1)为物面I的坐标系，物面I上样品的复振幅透过率函数为O1(r1)，照明探针函数为P1(r1)；物面I位置产生的复振幅波前Ψ1(r1)在自由空间传播d1距离至物面II位置并形成照明光束P2(r2)，相应的样品复振幅分布为O2(r2)，其中r2＝(x2,y2)表示物面II的坐标系；以
Figure FDA0002313600380000031
表示平移台沿x,y方向移动步长，其中j＝1…J，表示样品共移动J个位置，探测器相应地共采集J幅衍射图案；设r3＝(x3,y3)表示距物面II距离为d2位置处的记录平面坐标系，该位置距物面II的距离为d2；探测器记录的远场衍射图Ij(r3)＝|Ψ3(r3)|2。
5.根据权利要求4所述的一种连续太赫兹波透射式多物面叠层成像方法，其特征在于：当探针光束P1(r1)穿过物面I处样品后形成出射波前Ψ1(r1)＝P1(r1)·O1(r1-Rj)，该波前在自由空间传播在物面I位置形成探针光束
Figure FDA0002313600380000032
利用角谱衍射传播方法计算太赫兹波衍射传播过程；相似地，物面II的出射复振幅波前为Ψ2(r2)＝P2(r2)·O2(r2-Rj)；将Ψ2(r2)传播距离d2，记录平面复振幅表示为
Figure FDA0002313600380000033
复振幅波前与探测记录的衍射图样关系为
Figure FDA0002313600380000034
利用探测器记录的相应位置的衍射强度图样Ij(r3)对Ψj(r3)进行修正，
Figure FDA0002313600380000035
将计算修正复振幅波前Ψ′j(r3)利用角谱衍射计算方法回传至物面II位置处，
Figure FDA0002313600380000036
为了获得物面II的样品复振幅函数及照明探针函数P2(r2)，需要在反向传播计算过程中对复振幅波前进行解耦操作；物面II的照明探针函数中包含着物面I处样品O1(r1)的复振幅分布信息及照明探针P1(r1)信息；公式3表示3PIE算法更新函数，
Figure FDA0002313600380000041
其中t＝1,2；ft(rt)表示待更新探针或样品的复振幅透过率函数，gt(rt)表示待更新样品或探针的复振幅透过率函数，
Figure FDA0002313600380000042
表示共轭像；α表示更新步长，被设定为恒定值1；利用公式3对第二个物平面进行更新；
设置ΔΨt(rt)＝Ψ′2(r2)-Ψ2(r2)；
更新后第二物面的复振幅透过率函数为O′2(r2)＝U[O2(r2),P2(r2),ΔΨ2(r2)]，照明探针的复振幅为P′2(r2)＝U[P2(r2),O2(r2),ΔΨ2(r2)]；利用公式(2)-(3)将P′(r2)回传d1距离至物面1位置处并进行更新，能够得到物面I位置出样品的复振幅透过率函数O′(r1)及探针分布P′(r1)；重复J次上述步骤，利用探测器采集的所有衍射图对两物平面位置处的样品和探针光束进行更新操作；循环迭代更新过程至算法收敛，最终重建获得多层样品的复振幅透过率函数及探针分布。
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