CN112326601A - 单次曝光相位恢复成像装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

一种单次曝光相位恢复成像装置，包括LD光源、半球壳、小孔、样品、二维位移平台、二维光电探测器、电脑以及数据采集与处理软件；和成像方法，先通过二维位移平台移动样品，对照明光阵列进行标定，得到每一个照明光束的复振幅分布；再用二维光电探测器记录一幅含有30个子衍射斑的衍射图，将样品的复振幅分布恢复出来。本发明装置结构简单，造价低，数据采集时间短，相位恢复算法具有收敛速度快，成像测量精度高等特点。

Description

单次曝光相位恢复成像装置和成像方法

技术领域

本发明涉及激光相干衍射成像，特别是一种单次曝光相位恢复成像装置和成像方法。

背景技术

近年来，计算光学成像技术得到了快速的发展，基于叠层衍射成像(PIE)原理的相位恢复成像技术作为其中的一个重要分支，具有高分辨率、大视场、成像精度高等特点，得到了学者的广泛关注，并且在很多领域都得到了应用，比如生物显微成像、玻璃中的应力检测、多波长复合光场的测量等。通常情况下，为了采集到更多数据，获得更大的视场及更高的成像精度，需要通过平移装置对样品进行多点扫描，这就增加了数据采集时间。为了缩短数据采集时间，适应更多动态场景，广大学者们提出了多种快速采集数据的方法，比如利用光栅对照明光束进行分束，或者利用分布已知的相位板，对照明光携带的信息进行恢复。其中光栅在分光的过程中会出现相邻光束之间相互干涉的现象，影响成像质量。利用分布已知的相位板进行单次曝光时，需要对相位板进行严格的校准，花费大量的时间。所以在快速相位恢复领域还有许多方法值得研究和改进，本发明提出了一种分光方法，利用角度复用，在照明光已经校准的情况下，可以实现单次曝光成像。

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，提出一种单次曝光相位恢复成像装置和成像方法，该成像装置具有结构简单、造价低廉、数据采集时间短和相位恢复快速的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种单次曝光相位恢复成像装置，其特点在于，包括LD光源、半球壳、小孔、样品、二维位移平台、二维光电探测器、和数据采集与处理软件的电脑；

所述的30个LD光源按照5行6列的方式固定在所述半球壳上，同时指向球心，所述小孔放在球心处，所述样品放在所述小孔后面，并且在相邻光束有交叠的区域内，与所述二维位移平台相连，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。

所述的半球壳用来固定所述LD光源和所述小孔，保证所述30个光束都指向球心，通过小孔。

所述的小孔放在所述半球壳的球心处。

所述的二维平移台通过所述电脑控制，与所述样品相连。

所述的二维光电探测器为CCD，采集和记录样品的衍射光斑。

利用上述单次曝光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)所述二维平移台(5)通过所述电脑(7)控制，带动所述样品(4)进行扫描，经校准照明光,分别恢复出30束激光的复振幅分布，记为P_i，j(x,y)；

2)所述二维光电探测器(6)记录一幅同时含有30个子衍射光斑的图像，30个子衍射光斑按照5行6列的方式排列，与30束照明激光相对应，并且30束照明激光在样品上相互之间有重叠，在二维探测器面上分开，相互之间无重叠；

3)所述的带有数据采集与处理软件的电脑(7)对步骤2)中采集到的衍射光斑进行下列迭代运算，包括以下步骤：

a)以小孔所在的平面为x-y平面，以垂直于该平面的轴为z轴，假设每一束激光与x轴和y轴的夹角分别为α_n，β_n，第一次迭代时，已知照明光的分布为P_i，j(x,y)，初始猜测样品(5)的分布为O¹(x,y)；其中，i表示行信息，j表示列信息；

b)令n＝(n＝6×(i-1)+j)，K＝1,计算第n个衍射斑的出射光场U'_n(x,y)＝P_n'(x,y)O^K(x,y)，以及对应的傅里叶变换

其中,K表示迭代次数；

c)将出射光场传递到CCD面，并计算衍射强度

其中k₁＝cosα/λ，k₂＝cosβ/λ，FT^-1是傅里叶逆变换，H是传递函数)；

d)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

其中I是CCD记录到的衍射强度，d是样品到CCD的距离)；

e)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(U″_n(x,y)＝D'_n(x,y)*H^*(k_x+k₁,k_y+k₂)exp[i2πdλ(k₁f_x+k₂f_y)]，H^＊是H的共轭函数)；

f)使用下面的公式更新样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，|P_n’(x,y)|_max是当前位置处样品强度的最大值，η为常数，用于控制更新步长(0<η<1,通过控制分子与分母的比例来调控更新的速度，即更新步长)；

g)移动至下一个子衍射光斑位置，令n＝n+1，返回步骤b，当下一个子衍射光斑位置(i>5，j>6)，进入下一步骤：

h)计算均方根误差Erro，其定义为：

i)当衍射光斑均方根误差Erro小于自己设定的精度要求，比如10^-3时，迭代结束；当衍射光斑均方根误差Erro大于自己设定的精度要求时，返回步骤b)；

本发明的技术效果如下：

1、本发明单次曝光相位恢复成像装置利用多光束多角度照明，在各个照明光束复振幅分布已知的情况下，利用相邻照明光之间相互重叠的部分，快速将样品的复振幅分布恢复出来。本发明采用多光束多角度同时照明待测样品，缩短了系统采集数据的时间，同时增加系统的成像视场。

2、本发明具有结构简单，成本低廉，数据采集时间短，计算过程收敛速度快，成像精度高的特点。

附图说明

图1是本发明单次曝光相位恢复成像装置的结构示意图

图1中：1-LD光源、2-半球壳、3-小孔、4-样品、5-二维位移平台、6-二维光电探测器、7-电脑以及数据采集与处理软件。

图2是LD光源在半球壳上的排布示意图

图2中：2-半球壳、11-LD光源在所述的半球壳2上的投影。

图3是照明光束在所述的样品面上的位置关系示意图。

图3中：4-样品、12-照明光束在所述的样品表面的投影。

图4是衍射斑62在所述的二维光电探测器的CCD靶面61上的位置示意图。

图4中：61-CCD靶面、62-衍射斑。

具体实施方式

参见图1和图2，由图可见，本发明单次曝光相位恢复成像装置，包括光源1、半球壳2、小孔3、样品4、二维位移平台5、二维光电探测器6、电脑以及数据采集与处理软件7；

所述的30个LD光源1按照5行6列的方式固定在所述的半球壳2上，同时指向球心，所述的小孔3位于所述的半球壳2球心处，所述的样品4放在所述的小孔3的后面并且在相邻光束有交叠的区域内，与所述的二维位移平台5相连，所述的二维光电探测器6的输出端与所述的电脑7的输入端相连，所述的电脑7的输出端与所述的二维位移平台5的控制端相连。

实施例：

所述的光源1为LD光源，中心波长为638纳米，

所述的半球壳2用来固定所述LD光源1，所述的小孔3放在所述的半球壳2的球心处。所述的样品4置于所述的二维平移台5上，所述的样品4置于所述的二维平移台5上，所述的二维平移台5通过所述电脑7控制，所述的二维光电探测器6为CCD，采集和记录所述的样品4的衍射光斑。所述30个LD光源1的光束都指向球心并通过所述的小孔3，透过所述的样品4，在所述的二维光电探测器6为CCD面上成像；

利用上述快速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)所述的二维平移台5通过所述电脑7控制，带动所述的样品4进行扫描，所述的二维光电探测器6记录一幅同时含有30个子衍射光斑的图像并输入所述的电脑7，30个子衍射光斑按照5行6列的方式排列，与30束照明激光相对应，并且30束照明激光在样品4上相互之间有重叠(参见图3)，在所述的二维探测器6的面上分开，相互之间无重叠(参见图4)；

3)所述的电脑7对所述的衍射光斑进行下列迭代运算，包括以下步骤：

a)以小孔3所在的平面为x-y平面，以垂直于该平面的轴为z轴，假设每一束激光(i，j)与x轴和y轴的夹角分别为α_n，β_n，第一次迭代时，已知照明光的分布为P_i，j(x,y)，初始猜测在所述的样品4上的分布为O(x,y)；其中，i表示行信息，j表示列信息；

b)计算第n个衍射斑的出射光场U'_n(x,y)＝P_n'(x,y)O^K(x,y)，以及对应的傅里叶变换

其中，K表示迭代次数；

c)将出射光场传递到所述的二维探测器6的CCD面，并计算衍射强度；

d)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；

e)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；

f)使用下面的公式更新样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，|P_n’(x,y)|_max是当前位置处样品强度的最大值，η为常数，用于控制更新步长；

g)移动至下一个子衍射光斑位置，当所有衍射光斑都更新完成后，进入下一步骤：

h)计算均方根误差Erro，其定义为：

i)当衍射光斑均方根误差Erro小于自己设定的精度要求，比如10-3时，迭代结束；当衍射光斑均方根误差Erro大于自己设定的精度要求时，返回步骤b)。

下面是本发明一个实施例的参数：

照明光矩阵大小为5×6，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。先用迭代算法标定出各个照明光的复振幅分布，然后记录一幅含有30个子衍射光斑的衍射图，照明光在样品面与相邻照明光之间有重叠，但是在CCD面上分开，相互之间没有重叠。利用已知的照明光复振幅分布，通过相干衍射理论计算传播过程，具体步骤包括：

a)以小孔所在的平面为x-y平面，以垂直于该平面的轴为z轴，假设每一束激光与x轴和y轴的夹角分别为α_n，β_n，第一次迭代时，已知照明光的分布为P_i，j(x,y)，初始猜测样品(5)的分布为O(x,y)；其中，i表示行信息，j表示列信息；

b)计算第n个衍射斑的出射光场U'_n(x,y)＝P_n'(x,y)O^K(x,y)，以及对应的傅里叶变换

其中，K表示迭代次数；

c)将出射光场传递到CCD面，并计算衍射强度；

d)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；

e)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；

f)使用下面的公式更新样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，|P_n’(x,y)|_max是当前位置处样品强度的最大值，η为常数，用于控制更新步长；

g)移动至下一个子衍射光斑位置，当所有衍射光斑都更新完成后，进入下一步骤：

h)计算均方根误差Erro，其定义为：

i)当衍射光斑均方根误差Erro小于自己设定的精度要求，比如10-3时，迭代结束；当衍射光斑均方根误差Erro大于自己设定的精度要求时，返回步骤b)。

Claims (4)

1.一种单次曝光相位恢复成像装置，其特征在于，包括LD光源(1)、半球壳(2)、小孔(3)、样品(4)、二维位移平台(5)、二维光电探测器(6)和电脑(7)；

所述的LD光源(1)按照5行6列的方式固定在所述的半球壳(2)上，同时指向该半球壳(2)的球心，所述的小孔(3)位于所述的半球壳(2)的球心处，所述的样品(4)置于所述的二维位移平台(5)上并放在所述的小孔(3)后面相邻光束有交叠的区域内，所述的二维光电探测器(6)置于所述的样品(4)的衍射光方向，所述的二维光电探测器(6)的输出端与所述的电脑(7)的输入端相连，所述的电脑(7)的输出端与所述的二维位移平台(5)的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的单次曝光相位恢复成像装置，其特征在于所述的半球壳(2)用来固定所述的LD光源(1)和所述小孔(3)，保证所述的LD光源(1)输出的30个光束都指向球心并通过所述的小孔(3)。

3.根据权利要求1所述的单次曝光相位恢复成像装置，其特征在于所述的二维光电探测器(6)为CCD，采集和记录所述的样品(4)的衍射光斑。

4.利用权利要求1所述的单次曝光相位恢复成像装置对样品成像的方法，其特征在于该成像方法包括下列步骤：

1)所述的二维平移台(5)在所述的电脑(7)的控制下，带动所述的样品(4)进行扫描，用迭代算法分别恢复出30束激光的复振幅分布，记为P_i，j(x,y)；

2)所述二维光电探测器(6)记录一幅同时含有30个子衍射光斑的图像并输入所述的电脑(7)，30个子衍射光斑按照5行6列的方式排列，与30束照明激光相对应，并且30束照明激光在所述的样品(4)上相互之间有重叠，在所述的二维探测器(6)的成像面上分开，相互之间无重叠；

3)所述的电脑(7)对所述的衍射光斑进行下列迭代运算，包括以下步骤：

a)以小孔(3)所在的平面为x-y平面，以垂直于该平面的轴为z轴，假设每一束激光与x轴和y轴的夹角分别为α_n，β_n，第一次迭代时，已知照明光的分布为P_i，j(x,y)，初始猜测所述的样品(4)的分布为O(x,y)；其中，i表示行信息，j表示列信息；

b)计算第n个衍射斑的出射光场U'_n(x,y)＝P_n'(x,y)O^K(x,y)，以及对应的傅里叶变换

其中K表示迭代次数；

c)将出射光场传递到所述的二维探测器(6)的CCD面，并计算衍射强度；

d)应用衍射强度约束更新衍射面的光强分布，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；

e)将更新后的光场反向传播到所述的样品(4)的样品面，得到更新的样品透射光场分布；

f)使用下面的公式更新样品分布函数：

其中，*代表复共轭操作，|P_n’(x,y)|_max是当前位置处样品强度的最大值，η为常数，用于控制更新步长；

g)移动至下一个子衍射光斑位置，当所有衍射光斑都更新完成后，进入下一步骤：

h)计算均方根误差Erro，其定义为：

i)当衍射光斑均方根误差Erro小于设定的精度要求时，迭代结束；当衍射光斑均方根误差Erro大于设定的精度要求时，返回步骤b)。

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