CN112666129B - 一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三波长相干衍射成像方法，成像过程包括以下过程：采用三种不同波长的激光器照明；出射的激光经过分光棱镜合束；再经过空间滤波器扩束，使激光通过空间滤波器照射在待测样品上；使用成像探测器记录不同波长下的衍射图像的强度信息；将记录的衍射图像强度信息代入基于折射率参量调控的三波长相干衍射成像算法，恢复待测样品的复振幅分布。本发明成像方法与传统多波长相干衍射成像方法相比，考虑了不同波长对样品的折射率差异，以及不同波长引入的相移差异，提高了传统的多波长相干衍射成像方法的准确性。

Description

一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像方法

技术领域

本发明涉及光学衍射成像技术领域，具体涉及一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像的光路及方法。

背景技术

2008年，多波长相干衍射成像方法首次被提出，它是通过调整照明波长来获取必要的相位检索信息，该方法收敛迅速，并且对噪声和环境干扰具有较高的抵抗力，因此在3D表面测量，生命科学等领域有着极其广泛的应用。参见(Opt.Lett.33(4),309-311(2008)；Opt.Lett.39(2),193-6(2014)；Opt.Express.22(25),30504-11(2014))，多波长相干衍射方法利用多个波长下记录的衍射图样来实现稳健的图像重建，无需移动部件，只需将不同波长的衍射图样作为输入即可，不需要额外的信息，并且对不同的样本具有良好的收敛性。参见(Optics Express.2015,23(16),21352；Opt.Express.27,23814-23829(2019)；)。

但上述技术方案存在如下技术缺陷：

折射率差异在不同波长照射过程中无法避免，传统的多波长衍射成像并没有考虑因不同波长而引入的样品折射率差异以及相移差异，因此传统的多波长相干衍射成像方法很难准确地恢复出样品的相位分布。

CN201610083031.7公开了一种题为“多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方法”，该方法采用至少一种以上的不同激光器照明；出射的激光经过双全反射镜将光线调整至水平射出后通过双宽带分光棱镜合束；再经过空间滤波器扩束，再经过复消色差透镜准直后打到探针上；探针对待测样品进行叠层扫描；使用成像探测器记录各探针扫描位置的衍射图像的强度信息；将记录的衍射图像强度信息代入基于叠层扫描的多路复用迭代算法，恢复待测样品的复振幅分布、探针的复振幅分布和光谱权重。本发明的成像方案与相对应的算法，不仅能够恢复不同波段下对应的复振幅待测样品，同时也能恢复不同波段的光谱权重和不同波段下对应的照明探针的复振幅分布。

CN201610083031.7采用了叠层成像方法，虽然该方法能够恢复不同波段下对应的复振幅待测样品，也能恢复不同波段的光谱权重和不同波段下对应的照明探针的复振幅分布，但其需要用探针进行扫描，所以成像光路较为复杂，而且该专利提供的技术方案也没有考虑折射率差异，精度较低。

发明内容

为了克服现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像光路及方法。

本发明基于传统三波长相干衍射成像光路，对成像算法进行了改进，分别用三种不同波长的光波照明物体，然后用图像传感器分别记录下样品发出物波的菲涅尔衍射图样，最后应用本发明提出的算法用计算机可以恢复出待测样品的振幅和相位信息。

该算法考虑不同波长对样品的折射率差异以及不同波长引入的相移差异，提高了传统的三波长相干衍射成像方法的准确性。

本发明的目的可通过以下技术方案实现：

该三波长相干衍射成像的方法包括以下步骤：

1】搭建三波长相干衍射成像光路，并加入待测样品；

2】分别启动第一光源、第二光源、第三光源照射待测样品，并利用CCD图像传感器采集到三幅衍射图样；

3】利用步骤2】得到的三幅衍射图样，以基于角谱衍射算法的三波长相干衍射成像方法，对待测样品的振幅与相位恢复重建，直到输出理想的物体复振幅重建图样。

进一步的，所述步骤3】中对待测样品的振幅与相位恢复重建具体的算法如下：

(1)式中，I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)分别为在记录平面得到的三幅衍射图样，其中O₁(x₀,y₀)，O₂(x₀,y₀)，O₃(x₀,y₀)分别为三束激光λ₁，λ₂，λ₃照射得到的物光场复振幅分布。

进一步的，所述步骤3】具体包括以下步骤：

3.1】估计待测样品振幅与相位为一常数，作为初始值U₀(x₀,y₀)；

3.2】波长为λ₁，传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₁(x,y)：

3.3】用记录强度I₁的平方根代替换计算出的振幅，得到新衍射图样|F₁(x,y)|：

3.4】将该波前传播到像平面，得到复振幅分布R₁(x',y')以及在λ₁处样品的厚度d₁，厚度d₁表达式如(4)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

3.5】相位部分转换为下一波长λ₂，得到复振幅物体的估计值U₁(x₀,y₀)：

U₁(x₀,y₀)＝|R₁(x',y')|exp(j2πn₂d₁/λ₂) (5)

3.6】传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₂(x,y)：

3.7】用记录强度I₂的平方根代替计算出的振幅，得到新衍射图样|F₂(x,y)|：

3.8】将该波前传播到目标平面，得到复振幅分布R₂(x',y')以及在λ₂处样品的厚度d₂，厚度d₂表达式如(8)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

3.9】相位部分转换为下一波长λ₃，得到复振幅物体的估计值U₂(x₀,y₀)：

U₂(x₀,y₀)＝|R₂(x',y')|exp(j2πn₃d₂/λ₃) (9)

3.10】传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₃(x,y)：

3.11】用记录强度I₃的平方根代替计算出的振幅，得到新衍射图样|F₃(x,y)|：

3.12】将该波前传播到目标平面，得到复振幅分布R₃(x',y')以及在λ₃处样品的厚度d₃，厚度d₃表达式如(12)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

3.13】相位部分转换为下一波长λ₁，得到复振幅物体的估计值U₀(x₀,y₀)：

U₀(x₀,y₀)＝|R₃(x',y')|exp(j2πn₁d₃/λ₁) (13)

3.14】重复上述步骤二到步骤十三，直到恢复出理想的物体重建图样；

上式中，FrT为菲涅尔正变换，U₁(x,y)，U₂(x,y)，U₃(x,y)分别为菲涅尔变换得到的复振幅分布，|F₁(x,y)|，|F₂(x,y)|，|F₃(x,y)|分别为用记录的衍射强度替换计算出的振幅之后得到的新衍射图样，angle[·]表示取物体的相位部分，d₁，d₂，d₃分别为在λ₁，λ₂，λ₃下计算得到的样品厚度，

分别表示将成像面上的相位限制在[0,2π]之间，以保证物体厚度为正数，R₁(x',y')，R₂(x',y')，R₃(x',y')为菲涅尔逆变换后得到的复振幅分布，U₁(x₀,y₀)，U₂(x₀,y₀)为波长为λ₂，λ₃时复振幅物体的估计值。

本发明与现有的技术方案相比存在以下有益效果：

1)不需要成像透镜，物波的复振幅信息是通过对三幅菲涅尔衍射图样进行简单的算法恢复出来的。

2)成像算法里考虑到不同波长照射所引起的样品折射率差异，提高了传统三波长相干衍射成像的准确性。

3)成像算法里也考虑了不同波长照射引入的相移差异，可以更加准确地恢复出物体相位，从而重建出理想的物体复振幅重建图样。

附图说明

图1是本发明的新型三波长相干衍射成像方法的光路图；

图2是本发明的新型三波长相干衍射成像方法的算法流程框图；

图3是本发明对复振幅样品的仿真实验系列图；

图4是本发明对纯相位样品(高斯型)的仿真实验系列图；

图中，1为第一光源，2为第二光源，3为第三光源，4为第一合束器，5为第二合束器，6为扩束及波面整形装置，7为待测样品，8为样品台，9为CCD图像传感器。

具体实施方式

本发明的原理在于，采用三种不同波长的激光器照明；出射的激光经过分光棱镜合束；再经过空间滤波器扩束，使激光通过空间滤波器照射在待测样品上；使用成像探测器记录不同波长下的衍射图像的强度信息；将记录的衍射图像强度信息代入基于折射率参量调控的三波长相干衍射成像算法，恢复待测样品的复振幅分布。

为了更好的解释三波长相干衍射成像方法，下面结合附图与实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1，搭建实验光路图，实验室光路具体如下：包括三个波长不同的第一光源1、第二光源2、第三光源3，还包括第一合束器4、第二合束器5、扩束及波面整形装置6及CCD图像传感器9；其中第一光源1、第一合束器4、第二合束器4、扩束及波面整形装置6及CCD图像传感器9沿光路方向依次设置；待测样品7设置于扩束及波面整形装置6与CCD图像传感器9之间；为了便于调整，可将待测样品7放于样品台8上。

第一光源1、第二光源2、第三光源3多选择氦氖激光器，在使用时，分别启动第一光源1、第二光源2、第三光源3，并确保三束激光从同一方向入射到待测样品7的同一位置。

以具体选择为例，使用氦氖激光器632.8nm，绿光半导体激光器520nm，蓝光半导体激光器448nm，安装扩束及波面整形系统，然后摆放待测样品，分别准备纯相位型与复振幅型的样品以便在实验中可以形成样品对比，相隔距离d₀后摆放CCD图像传感器，并将CCD图像传感器连接至计算机。

参照图2，本发明实施所使用的算法：(1)式中，I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)分别为在记录平面得到的三幅衍射图样，其中O₁(x₀,y₀)，O₂(x₀,y₀)，O₃(x₀,y₀)分别为三束激光λ₁，λ₂，λ₃照射得到的物光场复振幅分布：

步骤一：估计待测样品振幅与相位为一常数，作为初始值U₀(x₀,y₀)；

步骤二：波长为λ₁，传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₁(x,y)：

步骤三：用记录强度I₁的平方根代替换计算出的振幅，得到新衍射图样|F₁(x,y)|：

步骤四：将该波前传播到像平面，得到复振幅分布R₁(x',y')以及在λ₁处样品的厚度d₁，厚度d₁表达式如(4)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

步骤五：相位部分转换为下一波长λ₂，得到复振幅物体的估计值U₁(x₀,y₀)：

U₁(x₀,y₀)＝|R₁(x',y')|exp(j2πn₂d₁/λ₂) (5)

步骤六：传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₂(x,y)：

步骤七：用记录强度I₂的平方根代替计算出的振幅，得到新衍射图样|F₂(x,y)|：

步骤八：将该波前传播到目标平面，得到复振幅分布R₂(x',y')以及在λ₂处样品的厚度d₂，厚度d₂表达式如(8)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：/>

步骤九：相位部分转换为下一波长λ₃，得到复振幅物体的估计值U₂(x₀,y₀)：

U₂(x₀,y₀)＝|R₂(x',y')|exp(j2πn₃d₂/λ₃) (9)

步骤十：传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₃(x,y)：

步骤十一：用记录强度I₃的平方根代替计算出的振幅，得到新衍射图样|F₃(x,y)|：

步骤十二：将该波前传播到目标平面，得到复振幅分布R₃(x',y')以及在λ₃处样品的厚度d₃，厚度d₃表达式如(12)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

步骤十三：相位部分转换为下一波长λ₁，得到复振幅物体的估计值U₀(x₀,y₀)：

U₀(x₀,y₀)＝|R₃(x',y')|exp(j2πn₁d₃/λ₁) (13)

步骤十四:重复上述步骤二到步骤十三，直到恢复出理想的物体重建图样。

上式中，FrT为菲涅尔正变换，U₁(x,y)，U₂(x,y)，U₃(x,y)分别为菲涅尔变换得到的复振幅分布，|F₁(x,y)|，|F₂(x,y)|，|F₃(x,y)|分别为用记录的衍射强度替换计算出的振幅之后得到的新衍射图样，angle[·]表示取物体的相位部分，d₁，d₂，d₃分别为在λ₁，λ₂，λ₃下计算得到的样品厚度，

分别表示将成像面上的相位限制在[0,2π]之间，以保证物体厚度为正数，R₁(x',y')，R₂(x',y')，R₃(x',y')为菲涅尔逆变换后得到的复振幅分布，U₁(x₀,y₀)，U₂(x₀,y₀)为波长为λ₂，λ₃时复振幅物体的估计值。其中(2)～(13)为一个循环，控制迭代次数，直到输出理想的物体复振幅重建图样时，停止迭代。

三束激光分别经过合束器，扩束及波面整形照射样品后，在CCD上就会接收到第一幅，第二幅，第三幅，三幅样品衍射图样，利用这三幅衍射图样，根据新型三波长相干衍射成像算法最终实现对样品的恢复重建。

不同波长激光器照射样品时，物体折射率不再是恒定不变的，会因不同波长的影响而改变，本发明算法考虑了折射率影响以及不同波长引入的相移差异，所以相对于传统的三波长相干衍射算法，本发明重建物体会更加准确。只要采用本发明算法，均属于本发明的保护范畴。

以下结合实施例对本发明进行详述：

实施例1

图3a-图3e是采用新型三波长相干衍射成像方法对复振幅样品进行重建的效果图。实验中，光源采用的激光为红绿蓝三种激光波长，波长分别为632.8nm，532nm，448nm；图3a为原复振幅型物体的振幅部分，图3b为原复振幅型物体的相位分布，像素数为256×256，物体大小为1.536mm×1.536mm，衍射距离z为500mm，折射率n分别为1.513，1.519，1.528。图3c-3e分别为三束激光照射样品得到的衍射图样，图3f和3g分别为新型三波长相干衍射算法迭代200次(迭代算法次数可以根据实际情况来确定，以效果决定。)重建的振幅部分和相位部分。恢复的物体厚度与原始厚度的相关系数为0.9902，说明该方法可以对复振幅样品实现良好的成像效果。

实施例2

图4a-图4e是采用三波长相干衍射成像方法对高斯型样品进行重建的效果图。实验中，光源采用的激光为红绿蓝三种激光波长，波长分别为650nm，550nm，448nm；图4a为高斯型样品三维形貌图，图4b为光透过样品后的相位分布；最大高度为2.0050×10^-4mm，像素数为256×256，物体大小为1.536mm×1.536mm，衍射距离z为900mm，折射率n分别为1.513，1.519，1.528，标准差б为63，迭代次数k为200。图4c-4e依次为用CCD记录的被测物波的红、绿、蓝三幅菲涅尔衍射振幅图样；图4f为高斯型样品三维形貌厚度重建结果。恢复的物体厚度与原始厚度的相关系数为0.9959，说明该方法可以对高斯型样品实现良好的成像效果。

上述方法和实施例都是通过本发明提出的新型三波长相干衍射成像方法，通过获得三束激光照射得到的三幅衍射图样，最终实现对待测样品的振幅和位相信息恢复重建的目的。本发明的实施不局限于上述具体实施方案。只要是通过三幅衍射图样重建样品振幅和相位信息，都可以采用本发明方法、装置和系统。采用本发明所提出的算法，均属于发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】搭建三波长相干衍射成像光路，并加入待测样品；

2】分别启动第一光源、第二光源、第三光源，并确保三个光源出射的不同激光以同一方向照射待测样品同一位置，利用CCD图像传感器采集到三幅衍射图样；

3】利用步骤2】得到的三幅衍射图样，以基于角谱衍射算法的三波长相干衍射成像方法，对待测样品的振幅与相位恢复重建；

具体为：

3.1】估计待测样品振幅与相位为一常数，作为初始值U₀(x₀,y₀)；

3.2】波长为λ₁，传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₁(x,y)：

3.3】用记录强度I₁的平方根代替换计算出的振幅，得到新衍射图样|F₁(x,y)|：

3.4】将该波前传播到像平面，得到复振幅分布R₁(x',y')以及在λ₁处样品的厚度d₁，厚度d₁表达式如(4)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

3.5】相位部分转换为下一波长λ₂，得到复振幅物体的估计值U₁(x₀,y₀)：

U₁(x₀,y₀)＝|R₁(x',y')|exp(j2πn₂d₁/λ₂) (5)

3.6】传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₂(x,y)：

3.7】用记录强度I₂的平方根代替计算出的振幅，得到新衍射图样|F₂(x,y)|：

3.8】将该波前传播到目标平面，得到复振幅分布R₂(x',y')以及在λ₂处样品的厚度d₂，厚度d₂表达式如(8)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

3.9】相位部分转换为下一波长λ₃，得到复振幅物体的估计值U₂(x₀,y₀)：

U₂(x₀,y₀)＝|R₂(x',y')|exp(j2πn₃d₂/λ₃) (9)

3.10】传播波前在记录平面上，得到复振幅分布U₃(x,y)：

3.11】用记录强度I₃的平方根代替计算出的振幅，得到新衍射图样|F₃(x,y)|：

3.12】将该波前传播到目标平面，得到复振幅分布R₃(x',y')以及在λ₃处样品的厚度d₃，厚度d₃表达式如(12)式所示，其中

范围限制在[0,2π]之间：

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3.13】相位部分转换为下一波长λ₁，得到复振幅物体的估计值U₀(x₀,y₀)：

U₀(x₀,y₀)＝|R₃(x',y')|exp(j2πn₁d₃/λ₁) (13)

3.14】重复上述步骤二到步骤十三，直到恢复出理想的物体重建图样；

上式中，FrT为菲涅尔正变换，U₁(x,y)，U₂(x,y)，U₃(x,y)分别为菲涅尔变换得到的复振幅分布，|F₁(x,y)|，|F₂(x,y)|，|F₃(x,y)|分别为用记录的衍射强度替换计算出的振幅之后得到的新衍射图样，angle[·]表示取物体的相位部分，d₁，d₂，d₃分别为在λ₁，λ₂，λ₃下计算得到的样品厚度，

分别表示将成像面上的相位限制在[0,2π]之间，以保证物体厚度为正数，R₁(x',y')，R₂(x',y')，R₃(x',y')为菲涅尔逆变换后得到的复振幅分布，U₁(x₀,y₀)，U₂(x₀,y₀)为波长为λ₂，λ₃时复振幅物体的估计值。

2.根据权利要求1所述的三波长相干衍射成像的方法，其特征在于：所述步骤3】中对待测样品的振幅与相位恢复重建具体的算法如下：

(1)式中，I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)分别为在记录平面得到的三幅衍射图样，其中O₁(x₀,y₀)，O₂(x₀,y₀)，O₃(x₀,y₀)分别为三束激光λ₁，λ₂，λ₃照射得到的物光场复振幅分布。

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