CN117368150A - 一种基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像的方法和系统。所述离焦扫描叠层衍射成像的方法包括测量实际照明探针作用于待测样品而产生的测量衍射光场强度，获得初始探针、待测样品和猜测的衍射光场信息，然后通过叠层衍射成像算法对初始探针和样品的幅值相位信息进行加权更新和评估，直至测量衍射光场强度与猜测的衍射光场强度的均方根误差MSE小于阈值。本发明方法使用的迭代算法能够并行处理多组衍射数据，且在算法中可使用均值权重、图像相关性、图像锐度等评价方法对重构探针和样品进行加权叠加，具有迭代收敛速度快、扩展性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于叠层衍射成像领域，更具体地，涉及一种基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像的方法和系统。
背景技术
相位携带了重要的物体结构信息，而探测器无法直接测量相位信息，因此相位恢复成为了重要的光学问题。相位恢复算法是解决光学逆问题的有效工具，早期的GS算法、ER算法与HIO算法是迭代相位恢复方法的基本算法，利用一幅衍射光强信息进行循环迭代来恢复物体的幅值信息和相位信息。这些算法仅能对孤立样品进行小范围成像，且受算法迭代初始猜测和测量噪声影响很大，分辨率较低，算法鲁棒性较差。
在此基础上提出了叠层衍射成像技术，该技术是一种新兴的无透镜相位恢复技术，其通过移动样品或探测器采集多幅具有光束重叠的衍射图像，多幅衍射图样产生的空域重叠扫描约束和衍射光强幅值约束使得光学逆问题具有唯一解，极大地提高了成像范围、算法收敛性和鲁棒性。目前已在光学测量、X射线晶体学、生物医学成像等领域中获得广泛应用。
现有叠层衍射成像技术对于空域重叠约束的形成具有不同的扫描策略，如平面移动交叠扫描、多波长照明、多距离测量等。平面移动交叠扫描需要位移台进行二维运动，存在较大的运动误差以及漂移误差，且在成像范围较大的情况下，存在扫描周期长和系统稳定性下降等问题；多波长照明方法通过不同波长光束照明产生冗余信息，系统视场固定，成像范围较小，且需预先进行校准等处理；而现有多距离测量方法需要轴向移动探测器或样品，会造成衍射场数值孔径的减小，并降低样品的重构分辨率。现有算法大多需要采集上百幅衍射图样，且算法策略多为顺序迭代处理多组衍射数据，具有数据量大、数据处理速度慢等缺点。
中国专利CN115128042A公开了一种离焦扫描的轴向叠层衍射成像方法和系统，由于其采用了顺序处理一系列衍射图样、即顺序迭代的技术手段，在N个解的空间连续下降，从而存在迭代不稳定、在较大数据量的情况下会影响处理速度。
发明内容
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像方法，该方法应用于离焦扫描轴向叠层衍射成像系统，包括：
S1.获取实际照明探针作用于实际样品而产生的测量衍射光场强度In(q)，q表示探测器平面的坐标，n表示实际照明探针的序号，n为1～N的整数，N为实际照明探针的数量；
随机获得初始探针的初始猜测P(r)和样品的初始猜测O(r)，r表示样品平面的坐标；
S2.根据所述初始探针的初始猜测P(r)，正向传播获得猜测的照明探针Pn(r)；根据所述猜测的照明探针Pn(r)以及所述样品的初始猜测O(r)获得猜测的出射波复振幅进而获得模拟衍射光场信息Φn(q)；
S3.根据所述猜测的照明探针Pn(r)、样品的初始猜测O(r)以及猜测的出射波复振幅应用叠层衍射成像算法获得计算后的照明探针Pn′(r)以及计算后的样品O′n(r)；
S4.根据计算后的照明探针Pn′(r)，获得计算后的初始探针P″n(r)；通过加权叠加的方法对初始探针和样品进行更新，并把更新结果分别替换掉初始探针的初始猜测P(r)和样品的初始猜测O(r)；
S5.判断所述测量衍射光场强度In(q)与猜测的衍射光场强度|Φn(q)|2的均方根误差是否达到阈值，是则将所述步骤S4的更新后的初始探针和样品作为结果输出；否则返回S2。
优选地，所述步骤S2中的所述猜测的照明探针为
其中，为自由空间的光场传播模型，下标nd表示实际照明探针的序号为n，与相邻实际照明探针传播距离之差为d；
所述猜测的出射波复振幅函数为
所述猜测的衍射光场信息为
其中，prop()为光场标量衍射传播模型。
作为进一步优选地，所述自由空间的光场传播模型和光场标量衍射传播模型，依据具体适用条件选取进行选取，选取对象包括且不限于角谱传播、菲涅尔衍射或夫琅禾费衍射。
作为进一步优选地，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31.将所述猜测的衍射光场信息的幅值以实际测量衍射光场强度替换，得到更新后的衍射光场信息为
S32.获得更新后的出射波
其中，prop-1()为所述步骤S2中的所述光场标量衍射传播模型的逆模型；
S33.根据叠层衍射成像算法，分别获得计算后的照明探针Pn′(r)以及计算后的样品O′n(r)，其中，
其中，α,β表示迭代搜索步长因子，*表示复矩阵的共轭运算，||max表示矩阵中元素幅值的最大值。
作为进一步优选地，在所述步骤S4中，所述计算后的初始探针为
其中，为所述步骤S2中的所述自由空间的光场传播模型的逆模型。
作为进一步优选地，在所述步骤S4中，获得更新后的初始探针和样品的方法为均值权重、图像相关性、图像锐度。
作为更进一步优选地，在所述步骤S4中，所述更新后的初始探针为
所述更新后的样品为
其中，λn为权重因子。
作为进一步优选地，第1个所述实际照明探针与第N个所述实际照明探针的传播距离之差(N-1)d满足：0.5f≤(N-1)d≤2.5f，其中，f表示聚焦透镜的焦距。
优选地，实际照明探针的数量N∈[10,100]。
优选地，在所述步骤S5的所述均方根误差为
第二方面，本发明了提供一种离焦扫描叠层衍射成像的系统，沿光路上依次包括光源、聚焦透镜、样品固定装置和探测器；
所述光源用于提供入射光束；
所述聚焦透镜用于将入射光束沿轴向聚焦，形成照明探针；
所述探测器，用于记录照明探针与待测样品相互作用后，出射光的衍射光场强度信息；
所述样品固定装置用于将待测样品位于聚焦透镜与探测器之间；
所述系统还包括与聚焦透镜连接的平移装置，所述平移装置用于带动聚焦透镜在Nd距离之间轴向运动，以改变照明探针的半径；
所述系统还包括成像装置，所述成像装置连接所述探测器，用于通过上述方法，根据所述出射光的衍射光场强度信息获得成像结果。
优选地，所述成像装置包括：处理器和存储器；
所述存储器用于存储计算机程序或指令。
优选地，在光源与聚焦透镜之间，还依次包括扩束器和光阑，所述扩束器用于扩大光源所提供的入射光束的直径，所述光阑用于限制扩大后的入射光束的范围。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提出一种基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像方法和系统，成像系统光路和光学元件较为简单，系统成像分辨率不依赖光学元件质量。本发明方法通过离焦扫描的方式成倍改变照明探针直径，仅需数十个衍射场即可扫描完整待测样品，在扫描过程中样品与探测器的距离不变，数值孔径大小不变，相较于其他轴向叠层衍射方法成像分辨率更高。
本发明方法使用的迭代算法能够并行处理多组衍射数据，且在算法中可使用均值权重、图像相关性、图像锐度等评价方法对重构探针和样品进行加权叠加，具有迭代收敛速度快、扩展性强等优点。
附图说明
图1a是本发明实施例的离焦扫描叠层衍射成像系统的测量透射样品的光路原理图；
图1b本发明实施例的离焦扫描叠层衍射成像系统的测量反射样品的光路原理图；
图2是本发明实施例的离焦扫描叠层衍射成像方法的流程图；
图3是本发明本实施例提供的仿真过程中所使用的待测样品和初始探针的图样以及重构的待测样品和初始探针的图样；其中，(a)为待测样品的幅值分布，(b)为重构样品的幅值分布，(c)为待测样品的相位分布，(d)为重构样品的相位分布，(e)为初始探针的幅值分布，(f)为重构探针的幅值分布，(g)为初始探针的相位分布，(h)为重构探针的相位分布；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-光源、2-反射镜、3-扩束器、4-光阑、5-聚焦透镜、6-待测样品、7-探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种离焦扫描叠层衍射成像的方法，该方法用于离焦扫描叠层衍射成像的系统，该系统包括光路部分和成像装置；
光路部分沿光路上依次包括光源、聚焦透镜、样品固定装置和探测器；
所述光源用于提供入射光束；
所述聚焦透镜用于将入射光束沿轴向聚焦，形成照明探针；
在光源和聚集透镜之间还可以设置扩束器和光阑以提高光源质量；
所述探测器，用于记录照明探针与待测样品相互作用后，出射光的衍射光场强度信息；
所述样品固定装置用于将待测样品位于聚焦透镜与探测器之间；
所述系统还包括与聚焦透镜连接的平移装置，所述平移装置用于带动聚焦透镜在(N-1)d的距离之间轴向运动，每次移动步进量d，以改变照明探针的半径；通常移动的位置在面向光源的方向应不超过前一个光学器件，在远离光源的方向为不超过待测样品面向聚焦透镜一侧、距离待测样品为聚焦透镜的焦距的位置；
本系统可以设置反射镜用于改变光源的路径以减小系统长度；在光源与聚焦透镜之间，还可以依次设置扩束器和光阑，所述扩束器用于扩大光源所提供的入射光束的直径，所述光阑用于限制扩大后的入射光束的范围。
成像装置包括处理器和存储器，成像装置连接探测器，用于根据出射光的衍射光场强度信息获得成像结果；其中，存储器用于用于获得成像结果的程序或指令，以及成像结果的一些纪录，处理器用于根据出射光的衍射光场强度信息获得成像结果。
所述离焦扫描叠层衍射成像的方法包括以下步骤：
S1.将样品设置于样品固定装置上，根据聚焦透镜的焦距f，设置聚焦透镜的步进量d、扫描位置的数量N(即聚焦透镜通过移动而改变的照明探针的传播距离的数量)从而使得通过聚焦透镜的移动生成的实际照明探针的数量也为N，相应的离参考位置的距离为n×d；使得聚焦透镜的移动距离(N-1)d满足：0.5f≤Nd≤2.5f，因为一方面聚焦透镜移动距离过小将使得作用于样品上的照明探针和采集到衍射光强信息变化过小，最终导致探针和样品的重构分辨率较低；另一方面聚焦透镜移动距离过大将使得作用于样品上的照明探针和采集到衍射光强信息变化过大，算法难以找到正确的迭代方向，并且聚焦透镜过大的移动离焦将产生过大的照明探针，受探测器靶面大小限制，难以采集高级次的衍射信息，也会导致探针和样品的重构分辨率较低。
在一些实施例中，实际照明探针的数量N∈[10,100]；这是因为一方面扫描位置数量过少导致采集衍射场信息过少而重构分辨率较低甚至算法不收敛；另一方面扫描位置数量过多导致实验测量和计算用时增加而分辨率提升有限。
沿光路移动聚焦透镜，每次移动距离d，共移动N-1次，从而产生N个实际照明探针，用探测器测量与生N个实际照明探针对应的测量衍射光场强度In(q)，q表示探测器平面的坐标，n表示实际照明探针的序号，n为1～N的整数；
同时，随机获得初始探针的初始猜测P(r)和样品的初始猜测O(r)，r表示样品平面的坐标；这两个模拟值对应于同一坐标r分别只有一个值。
S2.获得猜测的照明探针为
其中，为所述光在自由空间的传播模型，这是一种标量衍射传播模型，下标nd表示实际照明探针的序号为n，与相邻实际照明探针的传播距离之差为d；
所述猜测的衍射光场信息为
其中猜测的出射波复振幅为
prop()为光场标量衍射传播模型；所述自由空间的光场传播模型和光场标量衍射传播模型依据不同模型的适用条件具体选择传播模型，包括但不仅限于角谱传播、菲涅尔衍射和弗朗禾费衍射等；
S31.将所述猜测的衍射光场信息的幅值进行替换，得到更新后的衍射光场信息为
幅值与相应的测量衍射光场强度In(q)的平方根进行替换，相位保持不变，即幅值约束；
S32.通过光在自由空间的传播模型的逆模型，获得出射波
其中，prop-1()为prop()的逆模型；
S33.根据叠层衍射成像算法，分别获得计算后的照明探针Pn′(r)以及计算后的样品O′n(r)，其中，
S41.获得计算后的初始探针
其中，为所述步骤S2中所述光在自由空间的传播模型的逆模型；计算后的初始探针和样品都有与扫描位置相对应的N个值。
S42.将所述计算后的初始探针p″n(r)和计算后的样品O′n(r)分别进行加权叠加，获得更新后的初始探针P′(r)和更新后的样品O′(r)；所述叠加的方法为均值权重法、图像相关性、图像锐度法；以均值权重法为例，即令
其中，λn表示第n个扫描位置处的模拟照明探针和样品的权重因子，可以使用算数平均、互相关系数和基于图像锐度和稀疏性的评价方法(如FRES、ToG、SoG等)来确定；
S5.根据公式判断所述测量衍射光场强度In(q)与所述猜测的衍射光场强度|Φn(q)|2均方根误差是否达到阈值，即
当所述测量衍射光场强度In(q)与所述猜测的衍射光场强度|Φn(q)|2的均方根误差
小于阈值时，将所述更新后的初始探针P′(r)和更新后的样品O′(r)分别作为初始探针和样品的成像结果输出，成像结束；否则将所述猜测的初始探针P(r)替换为更新后的初始探针P′(r)，将所述猜测的样品O(r)替换为更新后的样品O′(r)，返回S2；如此循环，直至MSE小于阈值为止；综合计算速度和图像清晰度来确定阈值，阈值通常设置为0.005～0.001。
实施例1
图1是本发明实施例提供的离焦扫描叠层衍射成像系统的光路原理图。图1a是测量样品的透射图像的离焦扫描叠层衍射成像系统，图1b是测量样品的反射图像的离焦扫描叠层衍射成像系统。图2是本发明实施例提供的基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像方法的流程图。
步骤1.1：如图1所示，沿光轴方向依次设立光源1、反射镜2、扩束器3、光阑4、聚焦透镜5、待测样品6和探测器7；当该成像系统用于成像透射的样品时，样品设置于聚焦透镜和探测器之间，如图1a所示；而用于成像反射的样品时，反射式分辨率靶与光路的角度约为45°；探测器7放置于待测样品后光场约50mm处，并保证零级衍射光在探测器靶面的中心区域，以及探测器靶面与光轴接近垂直，如图1b所示。
在本实施例中，光源未直接作用于系统，而是通过设置反射镜约45°，使得光路改变约90°，减小系统轴向距离，使整个系统装置更加紧凑。
步骤1.2：调整光路系统，使得光源输出的光束经反射镜反射改变光路，反射光经扩束器3和光阑4调整输出理想光斑直径约为1mm～2mm，准直平行光束经过聚焦透镜/聚焦反射镜5后照射于待测样品6上，由样品后方探测器7测量衍射光强信息。
步骤1.3：光束由光源1发出，经反射镜2、扩束器3和光阑4等光学元件形成初始探针，精密运动台带动聚焦透镜5轴向移动不同距离，使得初始探针经聚焦透镜5作用于不同离焦距离的待测样品6表面，形成照明探针。照明探针与样品相互作用产生出射波。
步骤1.4：探测器7记录一系列衍射光场光强信息In(q)，n为轴向扫描位置个数，q为频域内的二维坐标。
步骤1.5：对待测样品的复振幅函数O(r)和初始探针的复振幅函数P(r)进行初始猜测；初始猜测的复振幅函数O(r)和复振幅函数P(r)对应探测器的平面上的某一个坐标r只有一个值；
步骤2.1：根据与步骤1.3相同的路径进行模拟，并行地将初始探针传播至N个扫描位置，其中，第n次移动后初始探针经聚焦透镜传播形成的照明探针Pn(r)为：
其中，为自由空间的光场传播模型，下标nd表示传播距离为n×d。
步骤2.2：一系列照明探针作用于样品上产生出射波，并行地将出射波通过光场传播模型传播至倒易空间，探测器7测量一系列衍射光场光强信息。不同直径的照明探针在待测样品上以同心圆的形式产生了重叠区域，冗余信息由此产生，即空域的重叠约束。
其中，为照明探针在实空间猜测的出射波复振幅函数，Φn(q)为第n个扫描位置处的倒易空间猜测的衍射光场复振幅函数，prop()为光场标量衍射传播模型，(q)为频域内的二维坐标；
步骤3.1：并行地将步骤S5.3每个位置猜测的衍射光场复振幅分布的强度信息用相应的测量衍射光场强度信息In(q)替换，保留每个位置猜测的衍射光场复振幅分布的相位信息，即倒易空间的幅值约束，第n个替换后的衍射光场复振幅分布为：
其中，||为对矩阵中每个元素取幅值。
步骤3.2:并行地将在步骤3.1每个位置幅值约束后的衍射光场复振幅更新函数在自由空间进行逆向传播至待测样品平面：
其中，为照明探针在实空间的出射波复振幅更新，prop-1()为步骤2.2中对应的光场标量衍射传播模型的逆传播模型；
步骤3.3：并行地根据步骤2.2和步骤3.1得到每个扫描位置幅值约束前后出射波的复振幅函数，应用叠层衍射迭代重构算法的更新函数同时计算照明探针、待测样品复振幅函数：
其中，α,β分别表示迭代搜索步长因子，取值在[0,1]之间，决定着迭代算法的收敛速度；*表示复矩阵的共轭运算；||max表示矩阵中各元素幅值的最大值。
步骤4.1：并行地将每个扫描位置计算后的照明探针逆传播相应距离形成计算后的初始探针：
步骤4.2：将每个位置计算得到的初始探针和待测样品复振幅分布信息进行加权叠加，对初始探针和待测样品的复振幅分布函数进行更新，即为一次迭代过程：
其中，λn表示第n个扫描位置处的照明探针和待测样品的权重因子，每个位置的权重因子可以使用算数平均、互相关系数和基于图像锐度和稀疏性的评价方法(FRES、ToG、SoG)等评价方法进行确定。
步骤5：计算所有扫描位置猜测的衍射光场强度与测量的衍射光场强度的均方根误差：
当均方根误差小于预设阈值时，算法达到收敛状态，输出迭代后的初始探针、待测样品复振幅信息；否则从步骤2.1重新开始环迭代，
本实施例中光源1选择具有较高光束稳定性和单色性的氦氖激光器。其工作波长为632.8nm，光束直径(1/e2)为0.54mm，功率为1mW，功率波动小于0.1％。
在透射式成像系统和反射式成像系统中，待测样品6可分别选择透射式和反射式分辨率测试靶，最高线对为228lp/mm；选择聚焦透镜的有效焦距为20mm；精密运动台带动聚焦透镜沿光轴方向进行移动，运动台行程为205×205mm，最小增量运动为500nm。
本实施例里，探测器7选择高性能CMOS灰度相机，全解析度为6280×4210，像素大小为3.76μm，动态范围为16位。
图3是本发明实施例提供的仿真过程中所使用的待测样品和初始探针的图样以及重构的待测样品和初始探针的图样，(a)为待测样品的幅值分布，(b)为重构样品的幅值分布，(c)为待测样品的相位分布，(d)为重构样品的相位分布，(e)为初始探针的幅值分布，(f)为重构探针的幅值分布，(g)为初始探针的相位分布，(h)为重构探针的相位分布。仿真过程中所使用的待测样品尺寸为256×256pixel，初始探针的波长为632.8nm，光束直径为64×64pixel的高斯光束，单像素尺寸为6.5μm。
如图1所示，精密位移台带动聚焦透镜在轴向方向进行移动，光束通过聚焦透镜传播不同距离照射于待测样品表面形成不同直径大小的照明探针，探测器采集相应的衍射光场强度信息，在仿真过程中，设置聚焦透镜的有效焦距为10mm，位移台轴向总位移量为30mm，移动步进量为2mm，采集16个扫描位置的衍射光强信息，设置权重因子类型为均值权重(λn＝1/M)，使用上述并行迭代的离焦扫描轴向叠层衍射成像方法进行迭代计算200次，得到的待测样品和初始探针的重构图像如图3(b)、(d)、(f)和(h)所示。
仿真结果表明基于并行迭代的离焦扫描轴向叠层衍射成像方法和系统能够同时重构出高分辨率和高对比度的照明探针和待测样品的幅值和相位信息。由于本发明能同时兼顾视场和分辨率，且不需要对样品进行染色。与传统的横向叠层衍射成像方法相比，在大面积样品成像和特定视场显微成像(如生物细胞成像)情况下，本发明方法能够实现精确的图像重建，并能够显著减少计算时间并提高收敛速度。在重构的样品复振幅图样边缘区域出现的模糊现象，是由于本发明方法是以离焦扫描的形式进行数据采集，照明探针以不同直径同心圆的方式形成空域的重叠约束，在边缘区域冗余数据较少而导致的。通过减小移动不步进量，增加边缘区冗余数据，可以进一步改善边缘区域的图像质量。
在本发明中，样品和探针均可进行并行迭代，在此过程中可使用不同的加权的方式进行叠加，即对N个解空间中的梯度下降步骤进行加权，提高迭代重构的平稳性和准确性。在本实例中采用的是均值加权的方式进行探针和样品叠加，在实际中还可以使用其他的评价方法，如图像相关性、图像锐度等。这种灵活性使得方法具有很高的可扩展性和改进空间。通过选择合适的评价方法，可以进一步提高本发明方法重构图像结果的准确性和图像质量，具有较高的扩展性和提升空间。基于本实例仿真结果，本发明方法和系统在叠层衍射成像中表现出许多优势，并有潜力成为生物医学、微纳结构测量等领域中高分辨率显微成像的重要工具。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种离焦扫描叠层衍射成像的方法，应用于轴向叠层衍射成像系统，其特征在于，包括：
S1.获取实际照明探针作用于实际样品而产生的测量衍射光场强度In(q)，q表示探测器平面的坐标，n表示实际照明探针的序号，n为1～N的整数，N为实际照明探针的数量；
随机获得初始探针的初始猜测P(r)和样品的初始猜测O(r)，r表示样品平面的坐标；
S2.根据所述初始探针的初始猜测P(r)，正向传播获得猜测的照明探针Pn(r)；根据所述猜测的照明探针Pn(r)以及所述样品的初始猜测O(r)获得猜测的出射波复振幅进而获得猜测的衍射光场信息Φn(q)；
S3.根据所述猜测的照明探针Pn(r)、样品的初始猜测O(r)以及猜测的出射波复振幅应用叠层衍射成像算法获得计算后的照明探针Pn′(r)以及计算后的样品O′n(r)；
S4.根据计算后的照明探针Pn′(r)，获得计算后的初始探针P″n(r)；通过加权叠加的方法对初始探针和样品进行更新，并把更新结果分别替换掉初始探针和样品的初始猜测；
S5.判断所述测量衍射光场强度In(q)与猜测的衍射光场强度|Φn(q)|2的均方根误差是否达到阈值，是则将所述步骤S4的更新后的初始探针和样品作为结果输出；否则返回S2。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的所述猜测的照明探针为
其中，为自由空间的光场传播模型，下标nd表示实际照明探针的序号为n，与相邻实际照明探针的传播距离之差为d；
所述猜测的出射波复振幅函数为
所述猜测的衍射光场信息为
其中，prop()为光场标量衍射传播模型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31.将所述猜测的衍射光场信息的幅值替换为实际测量衍射光场强度，获得更新后的衍射光场信息
S32.获得更新后的出射波
其中，prop-1()为所述步骤S2中的所述光场标量衍射传播模型的逆模型；
S33.根据叠层衍射成像算法，分别获得计算后的照明探针Pn′(r)以及计算后的样品O′n(r)，其中，
其中，α，β表示迭代搜索步长因子，*表示复矩阵的共轭运算，| |max表示矩阵中元素幅值的最大值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述计算后的初始探针为
其中，为所述步骤S2中的所述自由空间的光场传播模型的逆模型。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第1个所述实际照明探针与第N个所述实际照明探针的传播距离之差(N-1)d满足：0.5f≤(N-1)d≤2.5f，其中，f表示用于获取所述实际照明探针的聚焦透镜的焦距。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述更新后的初始探针为
所述更新后的样品为
其中，λn为权重因子。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际照明探针的数量N∈[10，100]。
8.一种离焦扫描叠层衍射成像的系统，其特征在于，沿光路上依次包括光源、聚焦透镜、样品固定装置和探测器；
所述光源用于提供入射光束；
所述聚焦透镜用于将入射光束沿轴向聚焦，形成照明探针；
所述探测器，用于记录照明探针与待测样品相互作用后，出射光的衍射光场强度信息；
所述样品固定装置用于将待测样品固定于聚焦透镜与探测器之间；
所述系统还包括与聚焦透镜连接的平移装置，所述平移装置用于带动聚焦透镜在(N-1)d的距离之间轴向运动，以改变照明探针的半径；
所述系统还包括成像装置，所述成像装置连接所述探测器，用于通过权利要求1-7任一项所述的方法，根据所述出射光的衍射光场强度信息获得成像结果。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述成像装置包括：处理器和存储器；
所述存储器用于存储计算机程序或指令；
所述处理器用于执行存储器中的所述计算机程序或指令。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，在光源与聚焦透镜之间，还依次包括扩束器和光阑，所述扩束器用于扩大光源所提供的入射光束的直径，所述光阑用于限制扩大后的入射光束的范围。
Priority Applications (1)
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| CN202311245223.XA CN117368150A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种基于并行迭代的离焦扫描叠层衍射成像的方法和系统 |
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