CN111290108B - 一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用，属于显微成像技术领域；成像装置包括沿光束传播方向依次排列设有的宽波长展宽光源、探针光斑产生组件、反射样品台组件、中心挡板装置和信号收集与图像重建系统；本发明装置基于非相干的宽带光源的条件下，以反射与扫描相干衍射相结合的形式，可以实现对样品在入射光源所包含的不同波长模式下的表面结构模值信息、相位信息和光斑信息的重构，并能由此判断出样品对不同波长光的吸收情况；具有利用非相干光源应用于表面结构成像以及表面元素分析的广阔前景。

Description

一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用

技术领域

本发明涉及一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用，属于显微成像技术领域。

背景技术

传统的相干衍射成像是一种以相干光照射样品，在样品后方远场的夫琅禾费衍射区域使用电荷耦合元件CCD采集样品的相干衍射图样，在满足采样的条件下，衍射数据可以通过相位恢复算法找回相位信息并重构出样品的空间信息。扫描相干衍射成像是一种基于传统相干衍射成像技术的新型相干衍射成像技术，它的提出解决了传统相干衍射成像技术要求样品为孤立样品，成像视场小，重建算法收敛速度慢、停滞、重建结果不唯一等缺陷。到目前为止，扫描相干衍射成像技术日趋完善，并且在生物和材料等领域应用广泛，尤其适用于对薄样品的二维成像，能得到较高分辨率的成像结果，但是在对厚样品成像过程中，由于埃瓦尔德球弯曲效应，对扫描相干衍射成像结果影响较大。所以在对厚材料表面的形貌特征，以及化学反应最活跃的不同物相界面等表面结构及表面元素分布问题的研究当中，使用反射与扫描相干衍射成像技术相结合的形式，能得到较好的成像结果，并且相较于目前已有的扫描电镜、原子力显微镜等表面结构成像方法有着工作范围大、样品损伤低、成像衬度高、元素分辨等优点。理论上，光波传输过程中经过材料表面反射后，光束的传输方向发生改变，并携带着材料表面对光束的吸收和散射信息，该衍射图样在远场区域分布近似等于光斑探针与样品相互作用后的傅里叶变换，以此，我们设计并采用了反射与扫描相干衍射成像技术相结合的实验方式，使用CCD收集光斑探针扫描样品后反射到远场夫琅禾费衍射区域的衍射图样，并利用叠层衍射技术(Ptychography)相位恢复算法，来实现样品表面结构信息的重构。此时，反射扫描相干衍射成像质量与光斑探针的大小以及传输到样品平面的入射角相关，并已经通过理论和实验证明，入射角越小，成像质量越好，光斑探针越小，入射角大小对成像质量影响越小。所以，当使用X射线光源做光斑探针时，扫描光斑大小约为1-3微米，也能以掠入射的形式利用X射线光源实现对样品的反射扫描相干衍射成像实验。

另一方面，针对宽波长展宽光源，包括同步辐射X射线部分相干光源，以及基于高次谐波产生的阿秒级紫外超快脉冲光源，目前仅限于光谱测量等领域的应用，在成像领域的应用十分受限，这是由于宽波长展宽光源的低相干性降低了可实现的空间分辨率，而且在对X射线的透镜设计也是非常困难和具有挑战性的。然而相干衍射成像技术通过算法重建来取代透镜进行成像，尤其是扫描相干衍射成像方法相较于传统相干衍射成像方法，增加了领域重叠限制以及高数据冗余度的特性，对于部分相干光源在成像应用中也有着较好的效果，并且，目前已开发出了多模式PIE重建算法来进行成像重建，非常合适的解决了宽波长展宽的光源在成像应用时相干性差的问题。在应用方面，可以利用宽带光源的宽波长范围的特性，根据元素对不同波长吸收系数的差异性，对不同物相界面或者是材料表面进行结构成像以及元素分布的定量分析。针对这方面的应用前景，本申请提出了一种采用宽带光源的反射扫描相干衍射成像装置及应用，而且成功应用于400-700nm波长范围的白光LED光源的反射扫描相干衍射成像装置。经检索，相关扫描相干衍射显微成像装置及应用，尤其是一种采用宽带光源和利用样品反射信号成像的扫描相干衍射成像装置及应用未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是为解决扫描相干衍射成像技术在表征材料表面形貌特征研究方面的不足，以及宽波长展宽光源的低相干度对扫描相干衍射显微成像质量的限制，并拓展扫描相干衍射显微成像技术对不同物相界面或者是材料表面进行结构成像以及元素分布的定量分析以及宽带入射光源光谱分析等方面的应用。

为达到解决上述问题的目的，本发明提供一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，包括沿光束传播方向依次排列设有的宽波长展宽光源、探针光斑产生组件、反射样品台组件、中心挡板装置和信号收集与图像重建系统；所述宽波长展宽光源发出的光束通过探针光斑产生组件到达反射样品台组件；反射样品台组件与信号收集与图像重建系统之间设有中心挡板装置。

优选地，所述宽波长展宽光源设为白光LED光源；白光LED光源和探针光斑产生组件之间设有白光LED光束传输优化组件，所述白光LED光束传输优化组件包括孔径光阑和由精密位移步进电机控制插入和拔出的光强衰减片。

优选地，所述宽波长展宽光源设为同步辐射X射线光源。

优选地，所述探针光斑产生组件为一对不同孔径的限光微孔或者KB镜聚焦器件。

优选地，所述反射样品台组件设有由精密步进电机控制的可在满足一定光束入射角的样品平面内做二维位移扫描的样品台，以及在宽带光源设为白光LED光源时采用全反射面二次反射以获得低入射角衍射信号。

优选地，所述信号收集与图像重建系统包括CCD图像传感器和与CCD图像传感器相连的设有图像重建程序的计算机；所述CCD图像传感器固定设于可以上下左右方向移动的步进架一上，所述步进架一同时设于沿光轴方向前后移动的步进架二上，所述与步进架连接的精密步进电机通过相应的控制器连接计算机。

本发明还提供一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：准备一套以宽波长展宽LED光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置；或者一套以宽波长展宽同步辐射X射线光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置；

步骤2：准直光束及对准光路器件、产生探针光斑；

步骤3：准备反射样品台系统装置，放置样品台于探针光斑产生器件后方，固定表面反射样品，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得在光斑的条件下成像质量最佳；所述中心挡板装置置于CCD图像传感器接受信号面板前；所述CCD图像传感器位于样品台后方，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直；

步骤4：基于以上步骤采用宽波长展宽白光LED光源或同步辐射X射线光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，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，并在每个扫描位置使用精密步进电机交替插入或拔出光强衰减片和中心挡板，用CCD图像传感器采集反射衍射信号；

步骤5:将收集到的衍射图样数据导入到图像重建系统，先拟合只插入光强衰减片的低光强衍射图样和只插入中心挡板的高光强衍射图样，重建出样品表面结构在不同波长模式下的吸收信息，相位信息，光斑波前信息，以及入射光谱信息。

本发明提供了一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置对厚样品、不透明或半透明样品成像中的应用，在入射光源所包含的不同波长模式下获得样品的表面结构模值信息、相位信息和光斑信息的重构，并判断样品对不同波长光的吸收情况。

本发明提供一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置在材料表面形貌特征、元素分布以及宽带入射光源光谱分析等方面的应用。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过对扫描相干衍射显微成像技术的充分研究，针对该技术在表征材料表面形貌特征研究方面的不足，以及针对宽波长展宽光源的低相干度对扫描相干衍射显微成像质量的限制，发明并提供了一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，拓展了扫描相干衍射显微成像技术在材料表面形貌特征、元素分布以及宽带入射光源光谱分析等方面的应用。

附图说明

图1为本发明基于白光LED光源的反射扫描相干衍射显微成像装置结构示意图。

图2为本发明基于波长模式为500nm时的重建结果，其中(a)图为样品模值信息；(b)图为样品相位信息；(c)图为光斑探针模值信息；

图3为本发明基于波长模式为550nm时的重建结果，其中(a)图为样品模值信息；(b)图为样品相位信息；(c)图为光斑探针模值信息；

图4为本发明基于波长模式为600nm时的重建结果，其中(a)图为样品模值信息；(b)图为样品相位信息；(c)图为光斑探针模值信息；

图5为本发明基于波长模式为650nm时的重建结果，其中(a)图为样品模值信息；(b)图为样品相位信息；(c)图为光斑探针模值信息；

(图2-图5是基于图1白光LED光源反射扫描相干衍射成像装置的实验结果，且实验条件中光束于直径为200um的限光微孔出射，入射至样品平面时的入射角为14.25度)。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-5所示，本发明提供了一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置；基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置中，沿光束前进方向依次排列有宽波长展宽光源——白光LED光源；白光LED光束传输优化组件，包括：孔径光阑、由精密位移步进电机控制插入和拔出的光强衰减片；探针光斑产生器件，包括：孔径较大的入射限光微孔、黑色吸光长圆筒、产生探针光斑需求孔径大小的出射限光微孔；反射样品台系统，由精密步进电机控制的可在满足一定光束入射角的样品平面内做二维位移扫描的样品台，并载有表面反射样品，以及在该限光微孔出射光表面贴合不干扰出射光束的全反射氮化硅面板组成；由精密位移步进电机控制插入与拔出的光束中心挡板；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曝光和重建程序的计算机组成。其中，上述白光LED光源、可变光阑、探针光斑产生器件同一高度固定在磁力底座装置上，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，同时，上述精密步进电机连接至相应控制器并由计算机设定程序控制其位移坐标。

或者，本发明基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置中，沿光束前进方向依次排列有宽波长展宽光源——同步辐射X射线光源；探针光斑产生器件，可以是限光微孔、KB镜等可以产生局域光斑的光学器件；反射样品台系统，由精密步进电机控制的可在满足光束掠入射的样品平面内做二维位移扫描的样品台，并载有相应样品组成；固定在CCD图像传感器前方的中心挡板；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曝光和重建程序的计算机组成。其中，上述同步辐射x射线由同步辐射加速器产生并最终由狭缝出射，探针光斑产生器件固定在装置设定的磁力底座上，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，同时，上述精密步进电机连接至相应控制器并由计算机设定程序控制其位移坐标。

当装置中宽波长展宽光源为白光LED光源时，整个光路未使用任何透镜，以避免同一透镜对于不同波长折射率不一所造成的色散影响。所述孔径光阑位于白光LED光源与光强衰减片之间；所述光强衰减片的选择应当与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配，且衰减倍数为10倍-1000倍；所述探针光斑产生器件中，沿光束传输方向前后分别放置较大孔径约为100um-800um的入射限光微孔进行初步限光，和较小孔径约为0.1um-500um的出射限光微孔，用来产生最终直径为0.1um-500um的局域探针光斑；反射样品台系统中，样品台应距离探针光斑产生器件后方0.01mm-50mm，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角约为10°-30°左右；CCD图像传感器位于样品台后1cm-2000cm，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直。

当装置中宽波长展宽光源为同步辐射X射线光源时，探针光斑产生器件为位于出射同步辐射X射线光束的狭缝后，用于产生直径为0.1um-500um的局域探针光斑；反射样品台系统中，样品台应位于探针光斑产生器件后方0.01mm-50mm，对应探针光斑设计尺寸出，具体距离由具体探针光斑产生器所使用的器件(限光微孔、KB镜聚焦)所决定，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角约接近90°左右的掠入射，使得在小光斑的条件下成像质量最佳；CCD图像传感器位于样品台后1cm-2000cm，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直。

上述基于宽带光源并对样品表面进行反射相干衍射显微成像装置中，实施方式是：

当装置中宽波长展宽光源为波长范围为400nm-700nm的白光LED光源时，所述孔径光阑位于白光LED光源与光强衰减片之间，用来挡去高发散角的入射光，光阑具体位置由光束发散角所决定；所述光强衰减片的选择应当与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配，使得CCD图像光斑中心光强不饱和溢出，且衰减倍数为80倍-150倍；所述探针光斑产生器件中，沿光束传输方向前后分别放置较大孔径约为200um-400um的入射限光微孔进行初步限光，和较小孔径约为0.1um-300um的出射限光微孔，用来产生最终直径为0.1um-300um的局域探针光斑，两限光微孔分别固定在黑色吸光长圆筒两端，圆筒长度不限；所述反射样品台系统中，样品台应距离探针光斑产生器件后方0.01mm-50mm，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角约为10°-20°左右，需满足在光束出射限光微孔上全反射氮化硅平面发生二次反射，使得在大光斑的条件下成像质量最佳；所述中心挡板置于CCD图像传感器接受信号面板前；CCD图像传感器位于样品台后5cm-1000cm，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直。

当装置中宽波长展宽光源为波长范围为0.1nm-10nm的同步辐射x射线光源时，所述探针光斑产生器件为位于出射同步辐射X射线光束的狭缝后，用于产生直径为0.1um-100um的局域探针光斑，可以为KB镜聚焦或限光微孔产生；反射样品台系统中，样品台应位于探针光斑产生器件后方0.5mm-50mm，对应探针光斑设计尺寸出，具体距离由具体探针光斑产生器所使用的器件(限光微孔、KB镜聚焦)所决定，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角约接近90°左右的掠入射，使得在小光斑的条件下成像质量最佳；所述中心挡板置于CCD图像传感器接受信号面板前；所述CCD图像传感器位于样品台后5cm-1000cm，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直。

本发明还提供一种扫描相干衍射显微成像装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：准备一套以宽波长展宽LED光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置，包括：白光LED光源，白光LED光束传输优化组件，包括：孔径光阑、由精密位移步进电机控制插入和拔出的光强衰减片；探针光斑产生器件，包括：入射限光微孔、黑色吸光长圆筒、出射限光微孔；反射样品台系统，由精密步进电机控制的可在满足一定光束入射角的样品平面内做二维位移扫描的样品台，并载有表面反射样品，以及在该限光微孔出射光表面贴合不干扰出射光束的全反射氮化硅面板组成；由精密位移步进电机控制插入与拔出的光束中心挡板；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曝光和重建程序的计算机组成。

步骤2：准直光束及对准光路器件、产生探针光斑，方法如下：

选择波长范围为400nm-700nm的白光LED光源；选择的孔径光阑位于白光LED光源与光强衰减片之间，用来挡去高发散角的入射光，光阑具体位置由光束发散角所决定；选择衰减倍数为80-150倍的光强衰减片，使得CCD图像光斑中心光强不饱和溢出；沿光束传输方向前后分别放置较大孔径约为200um-400um的入射限光微孔进行初步限光，和较小孔径约为0.1um-300um的出射限光微孔，两限光微孔分别固定在黑色吸光长圆筒两端，圆筒长度不限；使上述器件位于光路正中，在菲涅尔区产生直径为0.1um-300um的局域探针光斑。

步骤3：准备反射样品台系统装置，放置样品台于探针光斑产生器件后方0.01mm-50mm处，固定表面反射样品，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得在光斑的条件下成像质量最佳；所述中心挡板装置置于CCD图像传感器接受信号面板前；所述CCD图像传感器位于样品台后方，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直；

或者，

步骤1：准备一套以宽波长展宽同步辐射x射线光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置，包括，同步辐射光源；探针光斑产生器件；反射样品台系统；固定在CCD图像传感器前方的中心挡板；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曝光和重建程序的计算机组成。

步骤2：以宽波长展宽同步辐射x射线光源的出射光为光源，对准光路器件、产生探针光斑，方法如下：

选择波长范围为0.1nm-10nm的同步辐射x射线光源为光源；选择限光微孔或者KB镜作为光斑探针产生器件，在垂直光轴平面上微调其位置，使其位于光路正中，调制入射波前，在菲涅尔区产生局域探针光斑。

步骤3：部署反射样品台系统装置，方法如下：

放置样品台于探针光斑产生器件后方0.5mm-50mm，对应探针光斑设计尺寸处，具体距离由具体探针光斑产生器所使用的器件(限光微孔、KB镜聚焦)所决定，并固定表面反射样品，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角约接近90°左右的掠入射，使得在小光斑的条件下成像质量最佳；

步骤4：基于以上步骤采用宽波长展宽白光LED光源或同步辐射X射线光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，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，并用CCD图像传感器采集反射衍射信号，方法如下：

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垂直方向和水平方向上的设定步长坐标的位移，由于光源宽波长展宽以及反射强度衰减的特性，步长设置为0.01um-100um，需满足相邻扫描区域有90％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；CCD图像传感器位于目标样品后5cm～1000cm采集衍射信号，对应每个局域扫描探测区域CCD图像传感器收集2幅衍射图样，分别为插入光强衰减片同时拔出中心挡板，得到低曝光光强的衍射图样，和拔出光强衰减片同时插入中心挡板，得到高曝光光强的衍射图样，该过程利用一组新的精密步进电机来分别控制光强衰减片以及中心挡板的插入与拔出，共收集到2n幅衍射图样；另外，需在相邻区域添加步长随机量，以避免重建中存在的格点伪影对图像重建质量的影响。

步骤5:将收集到的衍射图样数据导入到图像重建系统，重建出样品表面结构在不同波长模式下的吸收信息，相位信息，光斑波前信息，以及入射光谱信息。

方法如下：

数据预处理：对应每个局域扫描探测区域收集到的2幅衍射图样，进行数据拟合，具体操作是：取插入光强衰减片拔出中心挡板的底曝光光强中心衍射图样区域数据，和插入中心挡板拔出光强衰减片的高曝光光强四周衍射图样区域数据，拟合出一套无遮挡的衍射图样数据；

将拟合完成得到的衍射图样数据，对于基于白光LED光源两次反射得到的衍射图样数据进行一次翻转，对于基于同步辐射x射线光源一次反射得到的衍射图样数据不进行翻转。

图像重建：对拟合后的衍射图样数据采用多模式Ptychography相位恢复算法或者PR-PIE算法进行图像重建，其中，由于光源的实际光谱是连续的，重建过程中需根据经验选择1-17种等波长间隔的光波模式进行重建，防止过多光波模式重建造成不同光波模式的相互串扰，另外，由于光斑探针距离样品是存在一定距离的，对重建过程中得到的光斑波前做相应的菲涅尔传输，使得重建算法迭代收敛更准确，最终重建得到不同波长模式下清晰的样品表面结构信息。

本发明提供的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置成功的将扫描相干衍射显微成像技术以反射的手段应用到对样品表面结构的成像，得到样品表面结构信息、相位信息，探针光斑的波前信息。而且成功使用宽波长展宽光源，不仅解决了宽波长展宽光源在成像应用中的劣势问题，还能从重建结果中更多得到不同波长模式下样品表面吸收差异性信息、入射光光谱信息。

实施例1

本发明所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，结构示意图如图1所示，基于白光LED光源的反射扫描相干衍射显微成像装置包括波长范围为400nm-700nm的白光LED光源1、可变孔径光阑2、光强衰减片3(已省去控制衰减片插入和拔出的精密步进电机及其控制器装置)、直径为300um的限光微孔4、直径为200um的限光微孔5、全反射氮化硅平面6、放置反射样品的样品台装置7(已省去控制样品在样品平面做二维位移的精密步进电机及其控制器装置)、中心挡板8(已省去控制中心挡板插入和拔出的精密步进电机及其控制器装置)和收集衍射图样数据的CCD图像传感器装置9(已省去用于数据重建的计算机系统)。沿光束前进方向依次排列有宽波长展宽光源——白光LED光源1；白光LED光束传输优化组件，包括：孔径光阑2、由精密位移步进电机控制插入和拔出的光强衰减片3；探针光斑产生器件，包括：孔径较大的入射限光微孔4、黑色吸光长圆筒、产生探针光斑需求孔径大小的出射限光微孔5；反射样品台系统，由精密步进电机控制的可在满足一定光束入射角的样品平面内做二维位移扫描的样品台7，并载有表面反射样品，以及在该限光微孔出射光表面贴合不干扰出射光束的全反射氮化硅面板6组成；由精密位移步进电机控制插入与拔出的光束中心挡板8；图像重建系统，由CCD图像传感器9以及与CCD图像传感器相连并安装有图像曝光和重建程序的计算机组成。其中，上述白光LED光源、可变光阑、探针光斑产生器件同一高度固定在磁力底座装置上，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，同时，上述精密步进电机连接至相应控制器并由计算机设定程序控制其位移坐标。

上述基于宽带光源并对样品表面进行反射相干衍射显微成像装置中，所述宽波长展宽光源为波长范围为400nm-700nm的白光LED光源，所述孔径光阑位于白光LED光源与光强衰减片之间，用来挡去高发散角的入射光，光阑具体位置由光束发散角所决定；所述光强衰减片的选择应当与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配，使得CCD图像光斑中心光强不饱和溢出，且衰减倍数为80倍-150倍；所述探针光斑产生器件中，沿光束传输方向前后分别放置较大孔径约为200um-400um的入射限光微孔进行初步限光，和较小孔径约为0.1um-300um的出射限光微孔，用来产生最终直径为0.1um-300um的局域探针光斑，两限光微孔分别固定在黑色吸光长圆筒两端，圆筒长度不限；所述反射样品台系统中，样品台应距离探针光斑产生器件后方0.01mm-50mm，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角约为10°-20°左右，需满足在光束出射限光微孔上全反射氮化硅平面发生二次反射，使得在大光斑的条件下成像质量最佳；所述中心挡板置于CCD图像传感器接受信号面板前；所述CCD图像传感器位于样品台后5cm-1000cm，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直。

实施例2

本文所述一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置的应用具体应用步骤如下：

第一步：部署一套以宽波长展宽LED光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置，结构示意图如图1所示，包括：波长范围为400nm-700nm的白光LED光源1，白光LED光束传输优化组件，包括：孔径光阑2、由精密位移步进电机控制插入和拔出的光强衰减片3；探针光斑产生器件，包括：入射限光微孔4、黑色吸光长圆筒、出射限光微孔5；反射样品台系统，由精密步进电机控制的可在满足一定光束入射角的样品平面内做二维位移扫描的样品台7，并载有表面反射样品，以及在该限光微孔出射光表面贴合不干扰出射光束的全反射氮化硅面板6组成；由精密位移步进电机控制插入与拔出的光束中心挡板8；图像重建系统，由CCD图像传感器9以及与CCD图像传感器相连并安装有图像曝光和重建程序的计算机组成。

第二步：准直光束及对准光路器件、产生探针光斑，方法如下：

选择波长范围为400nm-700nm的白光LED光源；选择的孔径光阑位于白光LED光源与光强衰减片之间，用来挡去高发散角的入射光，光阑具体位置由光束发散角所决定；选择衰减倍数为80倍的光强衰减片，使得CCD图像光斑中心光强不饱和溢出；沿光束传输方向前后分别放置较大孔径为300um的入射限光微孔进行初步限光，和较小孔径为200um的出射限光微孔，两限光微孔分别固定在黑色吸光长圆筒两端，圆筒长度不限；使上述器件位于光路正中，在菲涅尔区产生直径为200um的局域探针光斑。

第三步：部署反射样品台系统装置，方法如下：

放置样品台于探针光斑产生器件后方2.2mm，并固定表面反射样品，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得探针光斑入射角为14.25°，满足在光束出射限光微孔上全反射氮化硅平面发生二次反射，使得在大光斑的条件下成像质量最佳；中心挡板置于CCD图像传感器接受信号面板前；CCD图像传感器位于样品台后约14cm，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直。

第四步：基于以上采用宽波长展宽白光LED光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，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，并用CCD图像传感器采集反射衍射信号，方法如下：

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垂直方向和水平方向上的设定步长的位移，由于光源宽波长展宽以及反射强度衰减的特性，步长设置为20um，相邻扫描区域重叠率为94％。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为950，覆盖整个样品待测区域约为600um*600um；CCD图像传感器位于目标样品后14cm采集衍射信号，对应每个局域扫描探测区域CCD图像传感器收集2幅衍射图样，分别为插入光强衰减片同时拔出中心挡板，得到低曝光光强的衍射图样，和拔出光强衰减片同时插入中心挡板，得到高曝光光强的衍射图样，该过程利用一组新的精密步进电机来分别控制光强衰减片以及中心挡板的插入与拔出，共收集到1900幅衍射图样；另外，需在相邻区域添加步长随机量，以避免重建中存在的格点伪影对图像重建质量的影响。

第五步：将收集到的衍射图样数据导入到图像重建系统，重建出样品表面结构在不同波长模式下的吸收信息，相位信息，光斑波前信息，以及入射光谱信息。

方法如下：

数据预处理：对应每个局域扫描探测区域收集到的2幅衍射图样，进行数据拟合，具体操作是：取插入光强衰减片拔出中心挡板的底曝光光强中心衍射图样区域数据，和插入中心挡板拔出光强衰减片的高曝光光强四周衍射图样区域数据，拟合出一套无遮挡的衍射图样数据；

将拟合完成得到的衍射图样数据，对于基于白光LED光源两次反射得到的衍射图样数据进行一次翻转。

图像重建：对拟合后的衍射图样数据采用多模式Ptychography相位恢复算法或者PR-PIE算法进行图像重建，其中，由于光源的实际光谱是连续的，重建过程中需根据经验选择光波波长模式为等波长间隔的500um、550um、600um、650um进行重建，过多光波模式重建造成不同光波模式的相互串扰，另外，由于光斑探针距离样品是存在一定距离的，该实验中约为2.2mm，对重建过程中得到的光斑波前做相应的菲涅尔传输，使得重建算法迭代收敛更准确，最终重建得到不同波长模式下如图2-5所示清晰的样品表面结构模值信息、相位信息和光斑信息。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，其特征在于：包括沿光束传播方向依次排列设有的宽波长展宽光源、探针光斑产生组件、反射样品台组件、中心挡板装置和信号收集与图像重建系统；所述宽波长展宽光源发出的光束通过探针光斑产生组件到达反射样品台组件；反射样品台组件与信号收集与图像重建系统之间设有中心挡板装置；所述信号收集与图像重建系统包括CCD图像传感器和与CCD图像传感器相连的设有图像重建程序的计算机；所述CCD图像传感器固定设于可以上下左右方向移动的步进架一上，所述步进架一同时设于沿光轴方向前后移动的步进架二上，与步进架连接的精密步进电机通过相应的控制器连接计算机；采用宽波长展宽光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，通过使用传统的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，用CCD图像传感器采集反射衍射信号；将收集到的衍射图样数据导入到图像重建系统，拟合不同光强衍射图样，重建出样品表面结构在不同波长模式下的吸收信息，相位信息，光斑波前信息，以及入射光谱信息。

2.如权利要求1所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述宽波长展宽光源设为白光LED光源；白光LED光源和探针光斑产生组件之间设有白光LED光束传输优化组件，所述白光LED光束传输优化组件包括孔径光阑和由精密位移步进电机控制插入和拔出的光强衰减片。

3.如权利要求1所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述宽波长展宽光源设为同步辐射X射线光源。

4.如权利要求1所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述探针光斑产生组件为一对不同孔径的限光微孔或者KB镜聚焦器件。

5.如权利要求1所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述反射样品台组件设有由精密步进电机控制的可在满足一定光束入射角的样品平面内做二维位移扫描的样品台，以及在宽带光源设为白光LED光源时采用全反射面二次反射以获得低入射角衍射信号。

6.如权利要求1至5中任一项所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备一套以宽波长展宽LED光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置；或者一套以宽波长展宽同步辐射X射线光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像系统装置；

步骤2：准直光束及对准光路器件、产生探针光斑；

步骤3：准备反射样品台系统装置，放置样品台于探针光斑产生器件后方，固定表面反射样品，且精密步进电机位移平面应与所固定的表面反射样品表面一致，并在水平面内倾斜，使得在光斑的条件下成像质量最佳；所述中心挡板装置置于CCD图像传感器接受信号面板前；所述CCD图像传感器位于样品台后方，且CCD图像传感器入射面应与光束传播方向垂直；

步骤4：基于以上步骤采用宽波长展宽白光LED光源或同步辐射X射线光源为光源的反射扫描相干衍射显微成像装置，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，并在每个扫描位置使用精密步进电机交替插入或拔出光强衰减片和中心挡板，用CCD图像传感器采集反射衍射信号；

步骤5:将收集到的衍射图样数据导入到图像重建系统，先拟合只插入光强衰减片的低光强衍射图样和只插入中心挡板的高光强衍射图样，重建出样品表面结构在不同波长模式下的吸收信息，相位信息，光斑波前信息，以及入射光谱信息。

7.如权利要求1至5中任一项所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置对不透明或半透明样品成像中的应用，在入射光源所包含的不同波长模式下获得样品的表面结构模值信息、相位信息和光斑信息的重构，并判断样品对不同波长光的吸收情况。

8.如权利要求1至5中任一项所述的一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置在材料表面形貌特征、元素分布以及宽带入射光源光谱分析上的应用。

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