CN112525935B - 一种叠层衍射成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叠层衍射成像装置及方法。该装置包括：CCD相机、旋转台、探针和分辨率板；旋转台的中心开设有第一通孔，探针的中心开设有第二通孔，探针固定于旋转台的平面上，且探针的中心与旋转台的中心不重叠；分辨率板、旋转台和CCD相机依次间隔固定，光路依次经过分辨率板、探针和旋转台后到达CCD相机，分辨率板待测区域的中心、旋转台的中心和CCD相机中心均与光路同轴；旋转台在与光路垂直的方向可旋转；分辨率板、探针和CCD相机之间满足菲涅尔衍射条件。本发明可以提高叠层衍射成像的分辨率。

Description

一种叠层衍射成像装置及方法

技术领域

本发明涉及衍射成像领域，特别是涉及一种叠层衍射成像装置及方法。

背景技术

叠层衍射成像，作为一种无透镜的相位成像技术，已经在显微成像方面有着不少的研究成果，已成为主流的成像技术之一。现有的叠层衍射成像技术，在成像过程中需要将探针或物体进行x-y两个维度上的平移以扫描获得多张相互交叠的衍射图，用以恢复出优异的结果。然而这种x-y二维的平移会引入两个方向上的平移误差，并且，叠层衍射成像算法需要多次迭代，对需要成像的区域完成一次扫描后，还要平移回第一次扫描的位置，这种复位的操作对衍射恢复的核心没有用处，只是单纯的复位，却会额外的引入极难消除的回程误差，这两项误差极大的影响了叠层衍射成像术的分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种叠层衍射成像装置及方法，以降低成像误差，提高叠层衍射成像的分辨率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种叠层衍射成像装置，包括：CCD相机、旋转台、探针和分辨率板；

所述旋转台的中心开设有第一通孔，所述探针的中心开设有第二通孔，所述探针固定于所述旋转台的平面上，且所述探针的中心与所述旋转台的中心不重叠；

所述分辨率板、所述旋转台和所述CCD相机依次间隔固定，光路依次经过所述分辨率板、所述探针和所述旋转台后到达所述CCD相机，所述分辨率板待测区域的中心、所述旋转台的中心和所述CCD相机中心均与所述光路同轴；所述旋转台在与所述光路垂直的方向可旋转；所述分辨率板、所述探针和所述CCD相机之间满足菲涅尔衍射条件。

可选的，所述探针的偏心距离小于所述第二通孔的半径；所述探针的偏心距离为所述探针的中心与所述旋转台中心之间的距离。

可选的，所述CCD相机与计算机连接，所述计算机用于记录衍射图。

可选的，所述旋转台按顺时针方向旋转。

可选的，所述旋转台的旋转单位为90度，每旋转90度记录一张衍射图。

本发明还提供一种叠层衍射成像方法，所述叠层衍射成像方法应用于上述的叠层衍射成像装置，所述叠层衍射成像方法包括：

获取待测样品的多张衍射图像；

基于ePIE算法对多张衍射图像进行恢复，得到所述待测样品的参数。

可选的，所述获取待测样品的多张衍射图像，具体包括：

按照旋转台的旋转单位旋转旋转台，每旋转一个旋转单位记录一张衍射图像；当旋转台旋转一周后，得到多张衍射图像。

可选的，所述基于ePIE算法对多张衍射图像进行恢复，得到所述待测样品的参数，具体包括：

对于当前回合的当前迭代，获取待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布；每个回合包括N次迭代，N为衍射图像的数量；

基于所述待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布，计算得到初始出射场；

对所述初始出射场进行菲涅尔衍射，得到光场分布；

判断所述光场分布与当前迭代对应的衍射图像是否一致；

当所述光场分布与当前迭代对应的衍射图像一致时，将当前迭代对应的待测样品的复振幅分布确定为待测样品的参数；

当所述光场分布与当前迭代对应的衍射图像不一致时，用当前迭代对应的衍射图像中的强度信息替换所述光场分布的振幅，得到更新后的光场分布；

对所述更新后的光场分布进行菲涅尔逆变换得到物面出射场；

基于当前迭代的待测样品的复振幅分布、探针的纯振幅分布和物面出射场，对待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布进行更新，得到更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布；

判断当前迭代次数是否到达当前回合的最大迭代次数；

若当前迭代次数到达当前回合的最大迭代次数，将更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布作为下一回合的待测样品的复振幅分布初值和探针的纯振幅分布初值，返回“获取待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布”步骤，进入下一回合；

若当前迭代次数未到达当前回合的最大迭代次数，将更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布作为下一次迭代的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布，返回“获取待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布”步骤，进入下一次迭代。

可选的，所述基于当前迭代的待测样品的复振幅分布、探针的纯振幅分布和物面出射场，对待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布进行更新，得到更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布，具体包括：

利用公式

对待测样品的复振幅分布进行更新；式中，Object_j+1(r)为更新后的待测样品的复振幅分布；Object_j(r)为当前迭代的待测样品的复振幅分布；

为物面出射场；ψ_j(r)为初始出射场；

为探针复振幅函数的共轭；

为探针复振幅函数模的平方；R_s(j)为当前迭代的衍射图像对应的探针相对待测样品的旋转向量；

利用公式

对探针的纯振幅分布进行更新；式中，Probe_j+1(r)为更新后的探针的纯振幅分布；Probe_j(r)为当前迭代的探针的纯振幅分布；

为物函数的共轭；

为物函数模的平方。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过旋转代替现有技术中的二维平移，可以减小位移误差，消除回程误差，进而提高叠层衍射成像的分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明叠层衍射成像装置的结构示意图；

图2为本发明叠层衍射成像装置的第一侧视图；

图3为本发明叠层衍射成像装置的第二侧视图；

图4为本发明叠层衍射成像方法的流程示意图；

图5为本发明仿真实例中探针初始位置示意图；

图6为本发明仿真实例中照明过程示意图；

图7为本发明仿真实例中待测物体振幅与相位示意图；

图8为本发明仿真实例中经本发明方法恢复得到的振幅与相位示意图；

图9为本发明仿真实例中探针的衍射图；

图10为本发明仿真实例中经本发明方法恢复得到的探针振幅与相位示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明叠层衍射成像装置的结构示意图，图2为本发明叠层衍射成像装置的第一侧视图，图3为本发明叠层衍射成像装置的第二侧视图。如图1-图3所示，本发明叠层衍射成像装置包括：CCD相机1、旋转台2、探针3和分辨率板4。

所述旋转台2的中心开设有第一通孔，所述探针3的中心开设有第二通孔，所述探针3偏心固定于所述旋转台2的平面上，即所述探针3的中心与所述旋转台2的中心不重叠。具体的，若选用第二通孔半径为1.5mm的圆孔探针3，则探针3与旋转台2的偏心距离为1.2mm，偏心距离要小于圆孔半径，以确保多张旋转衍射图拼接后无遗漏区域。具体的将探针3固定于旋转台2上的过程为：先在旋转台2背侧固定网格，在网格偏心1.2mm处插入标杆，将探针3圆孔中心穿入标杆中，然后通过螺丝或其他暗访时将探针3固定在旋转台2上，撤去网格，完成探针3在旋转台2上的固定。在具体应用时，探针3的外径小于旋转台2的外径，以便于旋转台2旋转时可以看清旋转刻度。

所述分辨率板4、所述旋转台2和所述CCD相机1依次间隔固定，光路依次经过所述分辨率板4、所述探针3和所述旋转台2后到达所述CCD相机1，所述分辨率板4待测区域的中心、所述旋转台2的中心和所述CCD中心均与所述光路同轴，如图2和图3所示。所述旋转台2在与所述光路垂直的方向可旋转；所述分辨率板4、所述探针3和所述CCD之间满足菲涅尔衍射条件。

具体的，光路准直为一束标准平面波后，先将采集衍射图所用的CCD相机1与光路同轴固定，选取标准的分辨率板4上有特征的区域作为待测区域，将分辨率板4放置在CCD前方8cm处(距离可任取，满足菲涅尔衍射条件即可)调整分辨率板4，使待测区域中心、CCD中心及光路中心同轴。当对衍射图进行采集时，将将偏心固定了探针3的旋转台2放置于分辨率板4后方3cm处(距离可任取，满足菲涅尔衍射条件即可)，旋转台2中心与光路中心同轴(探针3中心与光路中心偏离约1.2mm)，将CCD连接计算机，记录当前衍射图，而后将旋转台2按顺时针方向，没旋转一次，记录一张衍射图。例如，若旋转单位为90度，则每旋转90度记录一张衍射图，旋转一周共得到4张衍射图。

基于上述装置采集的衍射图，本发明还提供一种叠层衍射成像方法，图4为本发明叠层衍射成像方法的流程示意图。如图4所示，本发明叠层衍射成像方法包括以下步骤：

首先，获取待测样品5的多张衍射图像。具体的，按照旋转台的旋转单位旋转旋转台，每旋转一个旋转单位记录一张衍射图像，当旋转台旋转一周后，得到N张衍射图像。然后，基于N张衍射图像采用基于ePIE算法进行恢复，得到待测样品5的参数。具体过程如下：

定义j表示当前迭代次数，第j次迭代对应第j张衍射图像；R_s(j)表示第j张衍射图像对应的探针相对于待测样品5的旋转向量；r表示空域坐标；u表示菲涅尔域坐标。照明探针(圆孔)入射到复振幅分布函数为Object(r)的待测样品5上，透射光传播一定距离后在菲涅尔域上的光强分布I_s(j)(u)。旋转照明探针，以实现对物体相对位移的扫描，同时保证相邻扫描位置之间有一定的重叠，记录透射光传播一定距离后在菲涅尔域上的光强分布I_j(u)。

首先，对待测样品5的复振幅分布和探针的纯振幅分布赋初值。

对于当前回合的第j次迭代，根据当前迭代的待测样品5的复振幅分Object_j(r)和探针的纯振幅分布Probe_j(r)，计算得到初始出射场为

ψ_j(r)＝Object_j(r)*Probe_j(r-R_s(j))

式中，ψ_j(r)为初始出射场；Probe_j(r-R_s(j))为探针复振幅函数。

初始出射场经过一定距离的菲涅尔衍射，得到相应的光场分布为

式中，ψ_j(u)为光场分布；Fresnel{·}为菲涅尔变换函数；A_j(u)为振幅项；i为虚数单位；

为衍射图相位。

应用当前第j张衍射图已知的强度信息I_j(u)替换光场分布中的振幅，得到更新后的光场分布

式中，ψ′_j(u)为更新后的光场分布。

对更新后的光场分布进行菲涅尔逆变换得到新的物面出射场为

ψ′_j(r)＝iFresnel{ψ′_j(u)}

式中，ψ′_j(r)为物面出射场；iFresnel{·}为菲涅尔逆变换函数。

更新物体和探针的复振幅分布函数

其中，

为探针复振幅函数模的平方，max是为了防止matlab中出现分母为零，算法报错。

重复上述，直到所有记录的衍射图样都被使用完，视为完成了一个回合。经过多个回合的迭代后，当当前迭代的光场分布与当前迭代对应的衍射图像一致时，即相应恢复的衍射图样与所记录的衍射图样的自相关系数超过所设阈值时，迭代终止，将当前迭代对应的待测样品5的复振幅分布确定为待测样品5的参数。

例如，已知不同旋转位置的六张真实采集衍射图强度(振幅)，对样品5振幅及相位进行随意的一个置值，进行菲涅尔衍射，得到衍射图，用真实衍射图进行振幅替换，将替换过的衍射图进行逆菲涅尔衍射，之后对六个位置均进行此操作，视为一次迭代，而后反复进行，直到猜测的样品5衍射后得到的衍射图与真实衍射图一致(或误差小于阈值)，迭代终止。

下面提供一个仿真实例，进一步说明本发明的方案。

本实例中，探针初始位置如图5所示，照明过程如图6所示，待测物体如图7所示，左侧部分为振幅示意，右侧部分为相位示意。本实例中旋转单位为60°，每旋转60°记录一张衍射图，共记录六张衍射图。基于六张衍射图，采用本发明的方案对待测物体进行恢复，得到的振幅和相位如图8所示，图8中左侧部分为恢复得到的振幅示意，右侧部分为恢复得到的相位示意。

探针的衍射图如图9所示，图中4部分为依次记录的4张探针衍射图。图9为本发明仿真实例中探针的衍射图。采用本发明的方案对待探针进行恢复，得到的振幅和相位如图10所示，图10中左侧部分为恢复得到的振幅示意，右侧部分为恢复得到的相位示意。

本发明将传统的蛇形x-y扫描方式改进为旋转扫描，仅需要一个旋转台，沿一个方向按固定的角度旋转探针，控制好交叠率，可将二维的平移误差缩小为一维的旋转误差。同时，这种方法在完成一次扫描后，便自动复位到初始位置，省去了传统的复位过程，成像质量好，并且易于操作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种叠层衍射成像装置，其特征在于，包括：CCD相机、旋转台、探针和分辨率板；

所述旋转台的中心开设有第一通孔，所述探针的中心开设有第二通孔，所述探针固定于所述旋转台的平面上，且所述探针的中心与所述旋转台的中心不重叠；

所述分辨率板、所述旋转台和所述CCD相机依次间隔固定，光路依次经过所述分辨率板、所述探针和所述旋转台后到达所述CCD相机，所述分辨率板待测区域的中心、所述旋转台的中心和所述CCD相机中心均与所述光路同轴；所述旋转台在与所述光路垂直的方向可旋转；所述分辨率板、所述探针和所述CCD相机之间满足菲涅尔衍射条件；

所述旋转台的旋转单位为90度，每旋转90度记录一张衍射图；

所述探针和所述旋转台的偏心距离小于所述第二通孔的半径。

2.根据权利要求1所述的叠层衍射成像装置，其特征在于，所述探针的偏心距离小于所述第二通孔的半径；所述探针的偏心距离为所述探针的中心与所述旋转台中心之间的距离。

3.根据权利要求1所述的叠层衍射成像装置，其特征在于，所述CCD相机与计算机连接，所述计算机用于记录衍射图。

4.根据权利要求3所述的叠层衍射成像装置，其特征在于，所述旋转台按顺时针方向旋转。

5.一种叠层衍射成像方法，其特征在于，所述叠层衍射成像方法应用于权利要求1-4任一项所述的叠层衍射成像装置，所述叠层衍射成像方法包括：

获取待测样品的多张衍射图像；

基于ePIE算法对多张衍射图像进行恢复，得到所述待测样品的参数。

6.根据权利要求5所述的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述获取待测样品的多张衍射图像，具体包括：

按照旋转台的旋转单位旋转旋转台，每旋转一个旋转单位记录一张衍射图像；当旋转台旋转一周后，得到多张衍射图像。

7.根据权利要求6所述的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述基于ePIE算法对多张衍射图像进行恢复，得到所述待测样品的参数，具体包括：

对于当前回合的当前迭代，获取待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布；每个回合包括N次迭代，N为衍射图像的数量；

基于所述待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布，计算得到初始出射场；

对所述初始出射场进行菲涅尔衍射，得到光场分布；

判断所述光场分布与当前迭代对应的衍射图像是否一致；

当所述光场分布与当前迭代对应的衍射图像一致时，将当前迭代对应的待测样品的复振幅分布确定为待测样品的参数；

当所述光场分布与当前迭代对应的衍射图像不一致时，用当前迭代对应的衍射图像中的强度信息替换所述光场分布的振幅，得到更新后的光场分布；

对所述更新后的光场分布进行菲涅尔逆变换得到物面出射场；

基于当前迭代的待测样品的复振幅分布、探针的纯振幅分布和物面出射场，对待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布进行更新，得到更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布；

判断当前迭代次数是否到达当前回合的最大迭代次数；

若当前迭代次数到达当前回合的最大迭代次数，将更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布作为下一回合的待测样品的复振幅分布初值和探针的纯振幅分布初值，返回“获取待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布”步骤，进入下一回合；

若当前迭代次数未到达当前回合的最大迭代次数，将更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布作为下一次迭代的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布，返回“获取待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布”步骤，进入下一次迭代。

8.根据权利要求7所述的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述基于当前迭代的待测样品的复振幅分布、探针的纯振幅分布和物面出射场，对待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布进行更新，得到更新后的待测样品的复振幅分布和探针的纯振幅分布，具体包括：

利用公式

对待测样品的复振幅分布进行更新；式中，Object_j+1(r)为更新后的待测样品的复振幅分布；Object_j(r)为当前迭代的待测样品的复振幅分布；ψ_j′(r)为物面出射场；ψ_j(r)为初始出射场；

为探针复振幅函数的共轭；

为探针复振幅函数模的平方；R_s(j)为当前迭代的衍射图像对应的探针相对待测样品的旋转向量；

利用公式

对探针的纯振幅分布进行更新；式中，Probe_j+1(r)为更新后的探针的纯振幅分布；Probe_j(r)为当前迭代的探针的纯振幅分布；

为物函数的共轭；

为物函数模的平方。

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