CN1985188B - 高分辨率成像 - Google Patents

Abstract

公开了一种提供可用于重建目标物体区域的高分辨率图像的图像数据的方法和装置。该方法包括以下步骤，从辐射源发出至目标物体的入射辐射；通过至少一个检测器来检测由该目标物体散射的辐射强度；生成对应所检测强度的图像数据，而无需相对于该目标物体对入射辐射或目标物体后的光圈进行高分辨率的定位。

Description

高分辨率成像

技术领域

本发明涉及一种提供图像数据的方法和装置，从该数据中，可以生成目标物体的图像。该图像数据提供了有关目标物体的结构的高分辨率信息，并允许所得的图像具有高分辨率。特别的，但非唯一的，本发明还涉及一种用于提供分辨率受到波长限制的图像的方法和装置，在提供上述图像时，无须对用于探测目标的入射辐射进行相对于该目标的高精度定位。

背景技术

已知许多种用于得出与目标物体(或样品)有关的空间信息的成像技术。在传统的透射成像中，用平面波照明(10)照射目标物体。如图1A所示，由该物体散射的辐射通过透镜(12)重新发生干涉，以形成图像。在极短波长(X射线或电子束)成像的情况下，该技术存在许多已知困难，这些困难与透镜引入的像差和不稳定性有关，它们限制了所得图像的分辨率和可判读性。通常，可实现的分辨率是理论上的波长限制的许多倍。这种成像技术的另一个例子是传统的扫描透射成像，其中，用透镜将穿过目标物体的辐射汇聚成一点。在目标物体的后侧设置一个或多个检测器，以检测经过散射的辐射。已知各种类型的检测器测率，如环形检测器，象限检测器和/或开路检测器(off-access detector)。然而，这些策略均需要将辐射的聚焦点扫描到所需目标物体图像的所有点。因此，这类技术存在若干问题，如需要对聚焦点进行非常精确的控制，因为如果希望形成1000×1000像素的图像，则需要使用一百万个精确的位置探测点。另一个问题是，所用透镜的质量必须很高。这不仅因为最终图像的分辨率仅相当于聚焦点的锐度和局部化(localization)，还因为在各种辐射(如电子束或x射线)的情况下，将产生许多问题，如像差效应、色散和透镜当时的不稳定性，它们将影响图像的生成并损害图像的分辨率。如图1B所示，入射辐射15(如电子束或x射束)入射到作为目标物体的样品16。由物体散射的辐射离开目标物体，并传播到检测器平面17。

传统扫描透射成像存在的已知问题是，由于需要用入射的辐射点来进行探测的点数较多，因此需要花费大量时间来完成图像。如果目标物体在数据收集期间移动，则将导致采集的数据不准确，并最终使得生成的图像不准确。同样，使用传统扫描透射成像方法无法测量与离开目标物体的辐射有关的相位信息。仅能测量检测器处的总散射强度。这样，将不能收集与从目标物体发出的出射波有关的相位信息。

对传统的扫描透射成像进行的一种改进是四维去卷积成像。该技术采用与图1所示装置类似的装置，但为每个探测点记录全衍射图案。与使用聚焦点尺寸或透镜的响应函数相比，这提供了以更佳的分辨率确定目标物体的结构的方法，但是，这种方法也存在一些主要问题。其最明显的问题在于，必须记录大量的数据，对合理的视场而言，这将需要花费若干小时来收集数据。这使得该试验在实际上很难实现，因为必须非常精确地控制探测照明，以及精确地移动该照明来扫描每个(上百万)像素，以重建最终图像。另外，因为需要在较长时间内引入大剂量的辐射，因而可能会对目标物体造成严重损害。

另一种著名的成像技术是纯衍射成像。在这种策略中，可略去透镜，且目标物体由探测辐射的简单平面波进行照明。在远场中测量的散射图像形成了傅立叶平面衍射图案，且可以记录该图案的强度。然后，通过应用从所测的强度中得出的信息，使用迭代方法来计算估计的物体出射波场。为了从该估计的波场中确定关于目标物体的真实信息，必须在实空间中提供一个区域，在该区域中，已知上述目标未在场，或者，以某种定义的方式遮蔽了该目标。只有得知这一事实，才能以迭代方式更改表示上述目标的波场的运行估计(running estimate)。然而，纯衍射成像也存在许多问题。最明显的问题是，必须以某种方式将目标物体悬挂或隔离于某一固定位置。在实际中，这是很难实现的。另外，也不可能将该方案扩展到该物体的新部分或其他不同部分和以较好分辨率得到整个较大的图像。它仅能照明和求解物体的一个隔离区域。同样，该目标物体也必须是单一赋值的。也就是说，必须用单个实数来表示该物体。该实数可以表示吸收或相位变化，但它不能同时表示两者。实际上，大多数实际目标物体波(即离开目标物体的波函数)以同时具有相位和幅值分量的复数形式出现。

纯衍射成像的另一个主要问题是，必须清晰地定义目标物体的边缘，以使其明显可辨。这样，便清楚地定义了一个区域，在该区域中，已知上述物体未在场，或是已用某种方式遮蔽了该物体。在实际中，很难形成具有如此定义的边缘的物体或光圈。

另外的问题是，对于弱散射物体(在X射线和电子束散射中，这是一种较常见的目标物体类型)，大多数穿过物体的辐射终止于衍射图像的中心处。因为该区域中的信息未帮助形成图像，因而浪费了这部分信息，但是，穿过物体的辐射可能会对该物体形成破坏。而且，这一方案也需要采用平行照明。然而，这意味着，对给定亮度的源而言，其在目标平面处所能提供的数据点相对较少。结合上述的大多辐射穿过弱散射物体后终止于中心区域的事实，这意味着，在实际中整个试验必须花较长时间来得到足够数量的数据点。如果在数据采集期间，物体或其他成像装置在曝光时发生抖动或移动，则可能破坏数据。

一种用于解决这一问题的、并已引起广泛关注的方法是首先由Gerchberg和Saxton提出的迭代方法[R.W.Gerchberg and W.O.Saxton.Optik，35(2)：237-246，1972]。近来，已将这种迭代方法用于如图2所示的几何图形中(既用于电子束也用于X射线)。在这种配置中，将入射辐射20对准作为目标物体的样品21。该目标物体以较宽的角度范围散射该入射辐射，而这在衍射平面22处生成了衍射图案。可通过任何合适的方法(如感光胶片或CCD检测器)来记录衍射平面22中的该衍射图案。衍射的实验优势在于，仅通过目标物体本身内部的散射来确定干涉条件，从而避免了使用短波长透镜带来的严重困难。

发明内容

本发明的实施例的一个目的在于至少部分地减轻上述问题。

本发明的实施例的另一目的在于，给出用于提供构建目标物体的高分辨率图像的图像数据的方法和装置，该方法和装置利用了迭代方法的优点，但避免了现有技术的迭代方法的缺点。

本发明的实施例的另一目的在于，给出用于提供构建目标物体的高分辨率图像的图像数据的方法和装置，而无须用高分辨率定位技术来相对于目标物体定位入射辐射或将目标设置于清楚定义的位置。

本发明的实施例的另一目的在于，提供一种适于所有辐射形式的透射显微方法，在该方法中，不必使用透镜和/或全息参考波和/或任何形式的远场干涉测量法来获得所需分辨率。

本发明的实施例的一个目的在于，给出一种用于提供图像数据的方法和装置，该图像数据可用来生成分辨率受波长限制的图像。该图像可以是目标物体的局部的图像，或者，如果清楚地定义了目标的结构，则该图像也可以是处于实验路径中的某选定位置处的辐射的图像。

根据本发明的第一个方面，给出了一种提供用于构建目标物体区域的高分辨率图像的图像数据的方法，该方法包括以下步骤：

从辐射源发出至所述目标物体的入射辐射；

通过至少一个检测器来检测由所述目标物体散射的辐射强度；

提供对应所述检测的强度的所述图像数据，而无须对所述入射辐射或目标物体后的光圈进行相对于所述目标物体的高分辨率定位。

根据本发明的第二个方面，给出了一种提供用于构建目标物体区域的高分辨率图像的图像数据的方法，该方法包括以下步骤：

从辐射源发出至所述目标物体的入射辐射；

通过至少一个检测器来检测由所述目标物体散射的辐射强度；

通过使用可移动的平缓变化的透射比函数或照明函数的迭代过程，提供对应所述检测的强度的所述图像数据。

上述方法最好提供分辨率受到波长限制的图像数据。

并且，使用这些方法，可以方便地以近于实时的方式提供目标物体的区域的图像数据。

有利之处在于，上述入射辐射包括基本局部化的波场。

根据本发明的第三个方面，给出了一种其上包含计算机程序代码装置的计算机程序产品，当装载所述程序时，该产品使得计算机执行一个过程来在用户显示器上显示目标物体的区域的图像，其中，通过计算机以及通过使用可移动的平缓变化的透射比函数或照明函数的迭代过程确定了对应于所检测的强度测量值的、用于生成所述图像的图像数据。

根据本发明的第四个方面，一种提供用于生成目标物体的区域的高分辨率图像的图像数据的装置，包括：

定位装置，用于将目标物体定位于预定位置；

辐射源，用于提供至由所述定位装置进行定位的目标物体的入射辐射；

至少一个检测器设备，用于检测由所述目标物体散射的辐射强度；

用于将入射辐射或目标物体后的光圈定位于相对于所述目标物体的一个或多个位置的装置；

处理装置，用于提供对应于经过散射的辐射的检测强度的所述图像数据。

本发明的实施例使用迭代方法来提供图像数据，该图像数据可用于构建目标物体的区域的分辨率受波长限制的图像。将软聚焦的辐射入射至目标物体，或者，在该物体的下游设置可移动光圈。通过移动目标物体或移动光圈，收集了一个、两个或更多个衍射图案，这便使得可以检测物体出射波函数的不同区域。该方法的有利之处在于，在记录上述位置的散射图案之前，可以将光圈移动相当大的距离(光圈宽度的一半或以上)。这意味着，本发明提供的方法能扫描较大视场和实时地获得高分辨率很高的图像。并且，无需移动目标物体或光圈，便能改变上述探测或物体的预选特性。

附图说明

以下，将结合附图和以举例方式描述本发明的实施例，其中：

图1A和1B分别示出了传统的透射成像和传统的扫描透射成像；

图2示出了衍射是如何未对角度范围构成限制的；

图3示出了移动光圈配置是如何允许测量较大视场的；

图4示出了目标物体后的光圈的移动；

图5示出了移动聚焦后的探测辐射是如何允许测量较大视场的；

图6示出了入射到目标物体上的探测辐射；

图7示出了一种相位获取算法；

图8示出了强度和相位结果；

图9示出了加入噪声时另外的强度和相位结果；

图10A、10B和10C示出了可用于在目标物体处提供辐射的其他方法；

图11A和11B示出了本发明的实施例提供表面光度仪的情形；

图12示出了用于提供图像数据的装置。

在这些图中，相同的附图标记表示类似的部分。

具体实施方式

图3中示出了形成散射图案和用该图案确定目标物体结构的高分辨率信息的情形。应当懂得，术语目标物体是指设置在入射辐射的路径上的、引起该辐射的散射的任何样品或者物件。应当懂得，相对于入射辐射，目标物体至少部分透明。所述目标物体可能具有或不具有某种重复结构。

使入射辐射30落在目标物体31上。应当懂得，应将辐射这个术语宽泛地理解为来自辐射源的能量。它包括电磁辐射(如X射线)、发射粒子(如电子和/或声波)。用波函数Ψ(r)来表示这种辐射。本领域技术人员将理解，该波函数包括实部和虚部。可以用波函数的模值和相位表示上述部分。ψ(r)^*是Ψ(r)的复共轭，且Ψ(r)×Ψ(r)^*＝|Ψ(r)|²，此处，|Ψ(r)|²表示波函数的可测取强度。

当穿过和离开样品31时，入射辐射30将发生散射。这样，将相对于样品前的入射辐射的波函数来在幅值和相位两方面修改离开样本时的入射辐射的波函数。出现的散射可包括傅立叶衍射、折射和/或菲涅耳(Frensel)衍射以及任何其他形式的散射(其中，这些入射辐射在样品中进行传播的结果是，它们的一些特性发生了改变)。如果将CCD检测器之类的检测器阵列32设置在据样品较远的位置上，则将在衍射平面33处形成衍射图案。如果检测器32与样品之间的距离D足够大，使得可以从点辐射源形成衍射图案，则将形成傅立叶衍射图案。如果通过将检测器设置成距样品更近来使得形成的衍射平面更接近于该样品，则将形成菲涅耳衍射图案。将光圈34设置在目标物体后，以选择用于研究的目标物体区域。在遮蔽物(mask)中形成光圈，使得该光圈定义了“支持区”(support)。支持区是指函数的函数值不为零的区域。换言之，在支持区外，函数值为0。在支持区外，遮蔽物阻止了辐射的透射。与现有技术的光圈不同，本发明中使用的光圈不必是有限的，且它无需经过清楚的定义。它们可以移动，并在它们的边缘处发生缓慢的变化。这样，平缓变化的照明函数或透射比函数中便不包含较高的空间频率成分。换言之，该函数是一种带宽受限的函数。由于未使用透镜，因而检测器32可以对较大视场进行测量。术语光圈表示辐射的局部化的透射函数。该函数可以用模值处于0和1之间的二维复变量表示。一个例子是包含具有变化的透射比的物理光圈区域的遮蔽物。

图4示出了通过图3所示的配置的波的传播。入射辐射30落在样品31的上游一侧，并且，当其透射时，由该样品进行了散射。样品波O(r)表示与物体31进行相互作用后的辐射的出射波函数。以这种方式，O(r)是二维复函数(其中，r为二维坐标)，这使得O(r)中的每个点均与一个复数关联。O(r)在物理上表示由平面波照明的物体发出的出射波。例如，在电子散射的情况下，O(r)表示因通过所关心物体而引入到入射波之中的相位和幅值变化。光圈34提供了探测函数P(r)(或滤光函数)，该函数选择物体出射波函数的一部分来进行分析。应当懂得，与选择光圈不同，也可以在物体函数下游设置透射光栅或其他这类滤光元件。探测函数P(r-R)是光圈处于位置R时的光圈透射函数。探测函数可以用复函数表示，该复函数的复数值由模值和相位(表示由所述探测物引入到入射的完美平面波之中的模值和相位变化)给出。

出射波函数Ψ(r，R)(43)表示辐射离开光圈时的波函数。该出射辐射波函数Ψ(r，R)43在衍射平面33处形成了衍射图案Ψ(k，R)44。其中，r为实空间中的矢量坐标，k为衍射空间中的矢量坐标。

图5示出了本发明的另一实施例，其中，没有使用光圈。在该实施例中，入射辐射50落在目标物体51的第一表面上。入射辐射在样品中发生散射，且进行透射的辐射传播至衍射平面，在该平面中，形成了衍射图案。

图6更详细地示出了这一过程。通过弱透镜将辐射50粗略地聚焦，使得目标物体的第一表面的某一区域得到照射。当然，该弱透镜可以包括任何合适的聚焦装置，如用于电子束的一组板(plate)和电压源，或X射线的反射表面。弱聚焦足以充分地限制探测辐射束。从而，不必对辐射进行强烈聚焦，当然，也可以使用经过强烈聚焦的辐射。此处，目标物体提供了物体函数O(r)，该函数表示因入射波穿过所关心物体而导致的该入射波的相位和幅值的变化。入射在目标物体上的照明辐射代表形成了照明函数的探测函数P(r)，其中，该照明函数由通过透镜或其他关学部件形成的焦散面或照明轮廓生成。P(r)是在物体平面处计算的该波场的不变复数值。出射波函数Ψ(r，R)63定义了离开目标物体的下游表面时的散射辐射。当该出射波在空间中传播时，它将在衍射平面33处生成衍射图案Ψ(k，R)64。应当懂得，在图4所示的光圈实施例和结合图6所示的非光圈实施例中，如果将衍射平面(在该平面处检测到了经过散射的辐射)移近样品，则将检测到菲涅耳(Fresnel)衍射图案，而非检测到傅立叶衍射图案。在这种情况下，从出射波Ψ(r，R)至衍射图案Ψ(k，R)的传播函数将为菲涅耳(Fresnel)变换而非傅立叶变换。

图7示出了一种用于获得物体的波函数、从而获得图像数据的算法，随后，可以用上述数据来生成物体的高分辨率图像。图7示出了一种可能的方法，该方法使用如图3和图4所示的本发明的第一实施例，并在测量衍射图案后，将光圈从第一位置移至第二位置，其中，在该位置处，可以测量另外的第二衍射图案。应当懂得，本发明的实施例可以为光圈使用一个或多个位置。同样，可以使用根据图5和图6的实施例，其中，不移动光圈，便可对经过弱聚焦的辐射落在样品上的位置进行选择。

如前所述，O(r)和P(r)为二维复函数(其中，r表示二维坐标)，且O(r)和P(r)中的每个点均关联了一个复数。接下来，O(r)在物理上表示从通过平面波照射的物体发出的出射波。例如，在电子散射的情况下，O(r)表示因入射波穿过所关心物体而导致的该入射波的相位和幅值的变化。

以下，P(r)或表示由焦散面生成的照明函数，或表示由透镜或其他光学部件(如图5和图6所示的部件，应当懂得，P(r)是在物体函数的上述平面处计算的该波场的不变的复数值)生成的照明轮廓，或表示安装在物体函数(如图3和图4中所示)下游的光圈或透射光栅之类的滤光函数。

以下，假设O(r)或P(r)可相对于彼此移动各种距离R。本文描述了移动P(r)的情形，然而，也可以相对于P(r)来移动O(r)。在这两种情况下，通过O(r)与P(r-R)的乘积更改了O(r)的复数值，以给出总出射波函数Ψ(r)，即：

Ψ(r，R)＝o(r)P(r-R)    ...1

一般均能满足这一公式。应当注意，它对物体函数和探测/光圈函数的实际限制非常少。这两种函数既非平面波也非具有重复距离(repeatdistance)(该距离是R的不同值之差的倍数)的周期波。这是因为，该算法需要若干不同测量值来工作。在实验中，容易满足这些标准。

该算法力图得出复函数Ψ(r，R)的相位和强度。它需要输入函数P(r-R)的信息，以及在异于样品所在平面的平面中测量的所述波函数的一个或多个(最好是多个)强度测量值。可方便地使用衍射平面，该平面通过傅立叶变换与样品平面相关联。在这种情况下，测得的输入数据是一个或多个探测/光圈位置处的衍射图案的强度值。使用衍射数据具有几个优点，这些优点包括：衍射数据易于收集，无需将出射波函数聚焦为图像，以及通过以高角(high angle)测量数据，可以提高分辨率。

然而，也可以根据在距离样品/光圈的出射表面某一距离的位置处测得的一组散焦图像来运行该程序。在这种情况下，用自由空间传播函数代替傅立叶变换。

该算法不限于使用这两种变换。事实上，也可以使用将信息从一个平面移至另一平面的其他有效变换。以下，用一般变换T来表示波函数从第一平面(称为平面1)至第二平面(称为平面2)的变换。

参考图7，该算法按以下步骤进行：

1．从步骤S700开始，猜测物体函数为O_g，n(r)，其中，下标g，n表示算法的第n次迭代时的猜测波。这些函数处于平面1(如果使用傅立叶变换，则为实空间平面)之中。在所有点r处，O_g，n(r)的第一次猜测最好均等于1。这对应未在场的(absent)样本。

2．在步骤S701中，选择用位置和特性描述的已知光圈。这提供了探测函数P(r-R)。在步骤S702中，将物体函数的当前猜测乘以当前位置R处的光圈或探测函数P(r-R)。这产生了位置R处的猜测的出射波函数(仍在平面1内)，

Ψ_g，n(r，R)=O_g，n(r)p(r-R)    …2

3．接下来，在步骤S703中，对Ψ_g，n(r，R)进行变换，以得到平面2中位置R的相应波函数(如果使用傅立叶变换，则为衍射空间平面)。此处，用T用来表示某些一般变换(通常为傅立叶变换，也可能是菲涅耳(Fresnel)自由空间传播函数，或其他适用于该算法的特殊应用的变换1。

k是平面2中的坐标。(对傅立叶变换来说，k是通常的倒数(reciprocal)空间坐标。对传播函数而言，k是散焦平面中的xy坐标。)应当注意：Ψ_g，n(k，R)是平面2中实际波函数的“猜测”版本，因为它是通过猜测的物体函数O_g，n(r)生成的。该算法的连续迭代将得到Ψ_g，n(k，R)的越来越准确的版本。

注意，Ψ_g，n(k，R)可写成以下形式：

Ψ_g，n(k，R)=|Ψ_g，n(k，R)|e^{iθg，n(k，R)}    …4

其中，当位置为R，迭代次数为n时，|Ψ_g，n(k．R)|表示(猜测的)函数幅值，θ_g，n(k，R)表示(猜测的)相位。

通过用已知技术(如检测器阵列(32))测量衍射图案的强度，得知了实际的变换后的出射波函数。从而，衍射图案的所测强度(其中，光圈处于第一位置)为估计该衍射图案的复波函数提供了基础。然而，该所测强度未提供与上述波函数的相位有关的信息。相反，该所测强度近似于Ψ(r)的模值的平方(即|Ψ(r)|²)。一旦在步骤S704中已知平面2中的衍射图案的辐射强度，则进行以下步骤。

4.在步骤S705中，将平面2中的所猜测波函数的强度校正为已知值。

Ψ_c，n(k，R)＝|Ψ(k，R)|e^{iθg，n(K,R)}    ...5

其中，|Ψ(k，R)|表示平面2中的已知的模值。它是在图像平面中测得的强度的平方根。

5.步骤S706中，将上述结果逆变换回实空间，以得到关于出射波函数(在平面1中)的新的和改进的猜测(T^-1表示之前使用的变换T的逆变换)，

Ψ_c，n(r，R)＝T^-1[Ψ_c,n(k，R)].    ...6

6.在步骤S707中，使用以下更新函数来在由光圈或探测函数覆盖的区域中更新猜测的物体波函数

$O_{g,n+1}\left(r\right)=O_{g,n}\left(r\right)+\frac{{\left|P(r-R)\right|}^{l}P*(r-R)}{{\left|P_{\max }(r-R)\right|}^l({|P(r-R)}^2+\mathrm{\δ})}\mathrm{\β}({\mathrm{\ψ}}_{c,n}{(r,R)}_{}-{\mathrm{\ψ}}_{g,n}(r,R))...7$

其中，参数β、δ和1的值是精心选取的，且|P_max(r-R)|表示P(r)幅值的最大值。所得的结果是关于物体函数的新的猜测(步骤S708)。

该更新函数有助于进行有效的去卷积，并引入了加权因子，在上述探测函数具有最大幅值时，该因子使得物体函数最大程度地得到了更新。可以将可选常数1设置为1。可以将该常数设为0到3范围内的任何值，且它不必为整数。当存在过多噪声时，设置1>1是有用的。当由于散射的几何形状的缘故而使所检测强度呈现伽伯全息图或类似形式时，可以选择1<1。δ用于防止当|P(r-R)|＝0时出现分母为0的情形。如通常应用于魏因纳滤波器中的δ一样，此处的δ为较小的实数，且通常小于(尽管不必要)P_max，并且，如果所记录数据中的噪声较弱，则可以将δ设置成远比上述值小的数。常量β控制算法中的反馈量，并最好能在0.1和1之间变化。当β<0.5时，认为物体函数的之前估计比其新的估计更为重要。而处于上述值之间的值则改变了上述两个估计的相对重要性。β也决定了求解的速度。

δ可以为固定值，也可以为变量。它指明了所记录数据中的噪声强弱程度，并用于根据所处环境条件来对所执行的更新的程度进行衰减。如果存在利于收集数据的环境，也就是说，存在高的射束电流(beam current)(高的通量)，这意味着散粒噪声较低，则使用上述所收集的结果来更新上述所猜测的估计更为安全。因此，δ的值可以是P_max的一小部分(如小于1/10)。

当|P(r-R)较大时，以下表达式

$\frac{{\left|(r-R)\right|}^l}{{\left|P_{\mathrm{man}}(r-R)\right|}^l}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;8$

最大化了一些区域的更新效果。这是有用的，因为正是这些区域接收了最多的辐射量，因而，它以相对较高的信噪比包含了信息。显然，该信息比来自接收入射辐射非常少和受到噪声的严重影响的区域的信息更有价值。

当β＝1，1＝0，δ＝0，且函数P(r-R)表示遮蔽(可以用一个区域来表示该遮蔽，在该区域中，上述函数值为1，而在该区域之外，上述函数值为0)或允许(support)函数时，该算法与著名的费因纳普算法类似。在这种情况下，如果仅使用一个位置R，则该算法在数学上简化成基本的费因纳普算法。而当使用多于一个位置R时，与已知方法相比，该算法具有显著的优点，例如，它不受唯一性问题影响，且可以对较宽的视场进行成像。

对上述猜测的运行估计进行更新之后，如图7所示的算法选择新位置R，该位置与之前位置至少部分地重叠。以上两者的重叠面积应大于20％，最好为50％或以上。可以通过将光圈在图3所示的箭头A的方向上移动预定数量或通过让图5中所示的照明辐射落在目标的不同区域上来实现这一点。应当懂得，无须改变光圈和入射辐射的位置，本发明的实施例可以成功地提供目标物体在一个位置处的图像数据。在这些实施例中，在步骤S708后，算法返回步骤S702。不同于载入物体函数O(r)的初始估计，此处载入的是步骤S708中的关于O(r)的新的估计。在每次迭代中，因为加入了入射辐射的已知强度(从而，已知幅值分量)的信息来提高估计的准确度，因而物体函数的新估计将越来越接近于实际的物体汉函数。

但是，更好的方法是选择与图7中所示的之前位置部分重叠的新位置R。

在步骤S709中，识别该第二位置处的已知探测函数P(r-R₂)，然后重复上述步骤，使步骤S708中生成的新猜测与步骤S709中识别的上述已知探测函数相乘。在步骤S710中示出了这一情形。实际上，取决于所关心的实施例，这生成了样品后或光圈后的出射波函数。在步骤S711中，传播该出射波函数，以得到关于在该位置上检测的衍射图案的估计。在步骤S712中，对该衍射图案进行测量，而这提供了关于变换后的波函数的强度的信息(从而其幅值信息)。在步骤S713中，将上述强度信息用于校正变换后的波函数的幅值，而相位信息保持不变。通过傅立叶变换(当在远场形成图像时)、菲涅耳变换(当在使菲涅耳衍射占优的位置处形成图像时)或任何其他合适变换来逆向传播该校正后的波函数。在步骤S714中示出了这一点。然后，根据上述步骤S715中所示的更新函数校正了O(r)的运行估计，结果为步骤716中所示的关于目标函数的新猜测。

在这一阶段，可以将照明或光圈移动到第三或另外的位置。再一次地，最好之前所示的位置之间发生某种程度的重叠。以这种方式，可以以任选的方式映射整个目标物体。或者，无需对已知的衍射图案结果进行进一步定位，便可以重复步骤S716中生成的新猜测。如图7所示，通过返回步骤S702来重复该迭代方法，其中，将步骤S716中生成的新猜测而非在步骤S700中提供的目标函数的初始估计输入乘法阶段。

可以重复该迭代方法，直到预定事件出现为止。例如，可以将该迭代重复预定次数(如1000次)或直到平方和误差(SSE)足够小为止。如下所示，在平面2中测量了SSE：

$\mathrm{SSE}=\frac{{({\left|{\mathrm{\&psi;}}_{g,n}(k,R)\right|}^2-{\left|\mathrm{\&psi;}(k,R)\right|}^2)}^2}{N}...9$

其中，N是用来表示波函数的阵列中的像素数目。

在迭代过程中，关于物体函数的最新猜测为该物体函数提供了运行估计。当该迭代过程完成时(由预定事件的出现决定)，物体函数的运行估计提供了由入射辐射照明的位置或由目标物体后的光圈位置选定的位置处的图像数据。该图像数据包括可用于生成目标物体的选定区域的高分辨率图像的幅值和相位信息。

已使用上述移动探测算法来再现当STEM探测辐射入射到具有第一行所示的透射函数的物体上时所创建的波函数的相位。该透射函数通过以下过程产生：使用具有无定形碳背景上的金颗粒的CDD相机形成图像，将该图像仅作为幅值对象进行处理，将该图像传播1000埃，以得到所示的强度和相位。

STEM探测函数具有

的光圈尺寸，3000A的散焦和1.0×10⁶的总点数。这得到了如图8所示的强度和相位。对于128×128像素阵列中的若干个不同探测位置而言，将该探测函数与上述物体透射函数相乘。将所得的波函数进行傅立叶变换，以得到诸如图8的第三行所示的衍射图案，该图案是探测位置(60，40)处的衍射图案。

在公式7中的β=l、l=1、δ=0.0001时，按上述算法迭代2000次，此时衍射空间中的SSE为1.444×10^-7，且仍然在迅速降低。在图8的第四行中示出了这一阶段中的再现的波函数。很明显，该算法运行良好。在加入泊松噪声的情况下，再重复相同的实验2次f第一次平均值为1.0，第二次平均值为5.0)。将β修改为0.6，这得到了更好的收敛效果。图9示出了这些仿真实验的结果。显然，加入噪声对算法产生了影响。更明显的是，仅在用于获取上述信息的那组探测位置附近才有效地再现了上述物体透射函数。这是可以预期的，因为对那些探测辐射弱到无法察觉的物体区域的了解非常少。已将所示的结果缩放到与原始的物体透射函数相同的灰度级。显然，已再现了物体的结构和某些细节，即使在噪声相当高的情况下也是如此。

从而，本发明的实施例提供了一种新的相位信息获取方法，该方法可用于显微术的许多场合，尤其可用于扫描透射电子显微镜的场合。仅需少量的不同探测或光圈位置处的测量值便可得到本方法所需的输入强度信息，这便消除了对样品后的透镜的需求，从而，便避免了与这类透镜的像差有关的问题。该算法采用快速的收敛来获取物体透射函数的相位信息。这便允许实时地生成说明目标物体的结构的高分辨率图像。该算法在噪声环境下同样有效，且能广泛地工作于不同物体和探测函数。当使用具有预定结构的目标物体时，本发明的实施例也允许对探测函数进行计算。

图10A、10B和10c描述示出了本发明的替代性实施例，尤其示出了如何生成目标处的入射辐射和检测用于识别由所述目标散射的辐射的各个方面的数据。图10A示出了如何使用可位于接近目标1001的辐射源1000来在检测器阵列1002上形成散射图案。该源应足够接近于目标物体，以确保目标物体的被照射区域足够小，以满足检测器平面中的奈奎斯特(Nyquist)采样条件。该实施例无须使用透镜或光圈来提供可用于生成目标1001的高分辨率图像的图像数据。然而，在这些特殊情况下，重要之处在于将源1000设置在离目标1001的上游表面足够近的位置，以实现上述分辨率。为了为上述校正过程提供多于一个位置，可以移动上述样品或辐射源。

图10B示出了本发明的另一个实施例，其中，使平面波辐射源源1003落在调焦筒(focusing tube)1004上。调焦筒1004让辐射1003的某一区域通过和成为到达目标1001的入射辐射。根据该具体实施例，未使用透镜或目标后的光圈。

图10C示出了另一个实施例，其中，点辐射源1000发出落在低角镜或其他反射表面上的辐射。当点辐射源1000是X射线源时，更适于使用这样的反射表面。该辐射由镜1005以近似于入射余角的角度进行反射，并入射到目标1001上。再一次地，用检测器阵列1002检测该散射的辐射。

图11A和11B示出了本发明的另一个实施例。它们特别描述了如何用本发明的实施例来提供表面光度仪。点辐射源1100发出落在目标样品1101的表面上的辐射。不同于以上样品被透射的情形，此处的样品是完全或部分反射的。隆起或其他表面特征将引起入射辐射的相位变化，且将由上述目标反射的该辐射散射到检测器阵列1102，如上所述，在这些检测器处，检测了散射图案。图11B示出了表面光度仪的替代性实施例，其中，在与目标物体1101相互作用之前，首先由透镜1103将来自源1100的辐射聚焦。应当懂得，上述算法可同样应用于上述的透射模式和结合图11所述的反射实施例。在图10和图11中所示的各实施例中，可以用源1000、1100，目标1001，调焦筒1004和/或反射镜1005来将照明函数或探测函数重新定位，以供上述算法的下一次迭代使用。

图12示出了提供图像数据的装置，根据图5和图6中所示的上述实施例，该图像数据可用于构建目标物体的区域的高分辨率图像。辐射源1200提供至透镜1201的照明，后者将该辐射聚焦到目标51的选定区域上。该入射辐射具有入射波函数1202和出射波函数1203。该出射波函数沿距离D传播，其中，在传感器阵列1204上形成了衍射图案。该距离D最好足够长，以使得传播的出射波函数1203在远场中形成傅立叶衍射图案。该检测器阵列提供了至少一个检测器，该检测器能检测由目标物体51散射的辐射强度。提供了定位设备1205(可以是微致动器)，根据需要，该设备可以将目标物体定位于一个或多个位置。以这种方式，可以使来自源1200的辐射入射在目标51的上游表面的不同位置上。

控制单元1206向微致动器提供控制信号，并从检测器阵列1204中的各像素检测器接收强度测量结果。控制单元1206包括微处理器1207、数据存储器1208和用户接口1209，该接口包括用户显示器和用户输入键盘。该控制单元可连接到另一处理设备，如膝上型电脑1210或PC，以进行远程控制。另外，应当懂得，控制单元1206可以由膝上型电脑或PC来提供。控制单元1206可自动地控制图像数据的实时生成。另外，用户可使用用户接口1209来选择目标物体区域，以用于进行成像或提供另外的用户输入。

在使用中，辐射源1200用辐射照射透镜1201。在控制单元1206的控制下，由致动器1205对目标物体51进行有选择的定位。该辐射形成了由检测器阵列1204中的各检测器在各个位置处所检测的衍射图案。将来自这些检测器的结果输入控制单元，并将它们存储在数据存储器1208中。如果仅使用一个位置来得出图像数据，则微处理器使用该检测的信息连同与上述算法有关的信息来得出图像数据。然而，如果在最终确定图像数据之前需要使用一个或更多个位置处的信息，则接下来控制单元向致动器1205发出信号，后者将样品定位于另一个选定位置。致动器1205可以将样品至于多个不同位置中的其中一个位置。在进行重新定位后，测量了在检测器阵列上形成的另外的衍射图案，并将结果存储在控制单元中。例如，阵列1204可以是1200×1200像素的CCD阵列。如果不需要另外的强度测量值，则可以由控制单元利用新存储的两组结果和使用上述算法来在此阶段生成图像数据。可以将原始图像数据或从该图像数据生成的高分辨率图像显示在用户接口1209上，或将这些数据或图像远程地显示在PC或其他这类设备上。

从而，本发明的实施例提供了一种用于得出目标物体的图像数据的迭代方法。可以以智能方式应用该迭代算法，以便能妥善地应付一般化的照明系统。在这些系统中，光圈的透射比函数可以是弱定义的，或者，辐射束可以是弱聚焦的。在另外的实施例中，如果已清楚地认识了物体，则不得出物体的信息，而是得出与辐射或光圈本身有关的信息。

本发明的实施例提供了一种用于得到图像数据的方法，该图像数据适于随后生成样品的局部的、分辨率受到波长限制的高分辨率图像。以这种方式，提供了一种方法和装置，该方法和装置能产生比实现用于得到上述信息的装置的定位精度所需的分辨率高得多的分辨率。在辐射波长极短(亚原子)的情况下，相对于现有技术，本方法和装置能将分辨率提高40倍或更多。在某些情况下，由于原子运动本身的缘故，分辨率将受到不利影响。

以上，仅通过举例描述了本发明的实施例。本领域技术人员将理解，可以对公开的具体实例进行各种修改和变更，而不至于背离本发明的范围。

Claims (41)

1.一种提供用于构建目标物体的区域的图像的图像数据的方法，包括以下步骤：

提供从辐射源发出至所述目标物体的入射辐射；

在目标物体后的光圈或所述入射辐射处于相对于所述目标物体的第一位置时，通过至少一个检测器来检测由所述目标物体散射的辐射强度；

将所述光圈或入射辐射相对于所述目标物体重新定位；

随后，在所述光圈或入射辐射处于相对于所述目标物体的第二位置时，检测由所述目标物体散射的辐射强度；

通过使用可相对于所述目标物体移动的平缓变化的透射比函数或照明函数的迭代过程来提供至少对应于所述第一和第二位置处的所述检测的强度的所述图像数据，其中在所述迭代过程中，基于在所述第一和第二位置根据所述透射比函数或照明函数所确定的对预期的散射图案的估计以迭代方式重复估计物体函数，其中根据所述检测的强度来校正所述预期的散射图案的至少一个特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述图像数据的所述步骤包括以下步骤：

估计指明所述目标物体的所述区域的至少一个特性的所述物体函数；以及

以迭代方式重复估计所述物体函数；从而，所述物体函数的运行估计的准确度随每次迭代而提高。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

将所述估计的物体函数与探测函数相乘，该探测函数指明了至所述目标物体的所述入射辐射的至少一个特性；

提供对应所述相乘结果的出射波函数；

传播该出射波函数，以提供对所述预期的散射图案的估计；以及

根据所述检测的强度来校正所述预期的散射图案的所述至少一个特性。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述图像数据的所述步骤包括：

估计所述物体函数，该函数指明了处于目标物体后的光圈的直接前方的目标物体后的波函数的至少一个特性；以及

以迭代方式重复估计所述物体函数；从而，所述物体函数的运行估计的准确度随每次迭代而提高。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

将所述估计的物体函数与探测函数相乘，该探测函数指明了在目标物体后的光圈的至少一个特性；

提供对应所述相乘结果的出射波函数；

传播该出射波函数，以提供对所述预期的散射图案的估计；以及

根据检测的强度来校正所述预期的散射图案的所述至少一个特性。

6.根据权利要求3或5所述的方法，还包括以下步骤：

逆向传播所述校正后的预期散射图案，以提供更新后的出射波函数；以及

根据以下函数，更新对应于所述更新后的出射波函数的所述物体函数的运行估计：

O_g，n+1(r)＝O_g，n(r)+U(r)(Ψ_c，n(r，R)-Ψ_g，n(r，R))

其中，O_g,n+1(r)表示所述物体函数的运行估计，O_g,n(r)是所述物体函数的之前估计，如果不存在之前的估计，则为1，U(r)表示更新函数，Ψ_c,n(r,R)表示关于出射波函数的经过校正的猜测，而Ψ_g,n(r,R)表示该次迭代的当前猜测的出射波函数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述更新函数U(r)为：

$U\left(r\right)=\frac{\mathrm{\&beta;}{\left|P(r-R)\right|}^{l}P*(r-R)}{{\left|P_{\max }(r-R)\right|}^l({\left|P(r-R)\right|}^2+\mathrm{\&delta;})}$

其中β是反馈常数，P(r-R)表示位置R处的探测函数，P*(r-R)表示探测函数P(r-R)的共轭，P_max(r-R)表示P(r)的幅值的最大值，δ为可选择的参数，且l为可选择的参数。

8.根据权利要求3或5中的任一项所述的方法，其中，当在远场中检测到在所述光圈或入射辐射处于所述第一和第二位置的情况下的所述检测的强度时，所述传播步骤包括傅立叶变换。

9.根据权利要求3或5中的任一项所述的方法，其中，当所述至少一个检测器与所述目标物体的距离使菲涅耳衍射占优时，所述传播步骤为菲涅耳传播。

10.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

选择所述第二位置，使得在所述第一位置确定的面积与在所述第二位置确定的另一面积部分重叠。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述另一面积至少与所述面积的20％发生重叠。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述另一面积与超过50％的所述面积发生重叠。

13.根据权利要求3或5中的任一项所述的方法，其中，根据以下公式来校正所述预期散射图案：

${\mathrm{\&Psi;}}_{c,n}(k,R)=\left|\mathrm{\&Psi;}(k,R)\right|e^{{\mathrm{i\&theta;}}_{g,n}(k,R)}$

其中Ψ_c,n(k,R)表示校正后的波函数，|Ψ(k,R)|表示第二平面中的已知幅值，θ_g,n(k,R)表示所述第二平面中的猜测的相位。

14.根据权利要求3或5中的任一项所述的方法，其中，根据以下公式计算传播：

其中，Ψ_g,n(k,R)表示第二平面中的猜测的波函数，

表示变换，Ψ_g,n(r,R)表示第一平面中的猜测的波函数。

15.根据权利要求6所述的方法，其中，根据如下公式计算所述逆向传播：

其中，Ψ_c,n(r,R)表示第一平面中的猜测的波函数，表示逆变换过程，Ψ_c,n(k,R)表示第二平面中的校正后的波函数。

16.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

当预定事件出现时，终止所述迭代过程。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预定事件包括，所述迭代次数满足预定条件。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预定事件包括，误差的平方和满足预定条件。

19.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

通过选择使所述入射辐射落在所述目标物体上的位置，将所述入射辐射相对于所述目标物体进行定位。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：

通过用透镜形成照明轮廓来选择使所述入射辐射落在所述目标物体上的所述位置。

21.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，其中，所述入射辐射包括基本局部化的波场。

22.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，其中，所述图像数据具有基本上受到波长限制的分辨率。

23.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个检测器包括两个或更多个检测器。

24.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

实时地提供所述目标物体的所述区域的所述图像数据。

25.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

根据所述图像数据在用户显示器上生成所述区域的图像。

26.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

通过弱透镜或反射表面的焦散面提供至所述目标物体的所述入射辐射。

27.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

相对于所述目标物体，在远场中对所述至少一个检测器中的各检测器进行定位。

28.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

将所述至少一个检测器中的各检测器定位在使菲涅耳衍射占优的与所述目标物体的距离处。

29.根据权利要求1-5和16－20中的任一项所述的方法，其中，所述辐射通过傅立叶衍射和/或菲涅耳衍射进行散射。

30.根据权利要求2、3、4或5所述的方法，其中，所述至少一个特性包括幅值和/或相位。

31.一种提供用于生成目标物体的区域的图像的图像数据的装置，包括：

第一定位装置，用于将目标物体定位于预定位置；

辐射源，用于提供至由所述定位装置进行定位的目标物体的入射辐射；

至少一个检测器设备，用于检测由所述目标物体散射的辐射强度；

另一定位装置，用于将入射辐射或目标物体后的光圈定位于相对于所述目标物体的两个或更多个位置；以及

处理装置，通过使用平缓变化的透射比函数或照明函数的迭代方法提供对应于所述两个或更多个位置处的所检测的经过散射的辐射强度的图像数据，其中在所述迭代方法中，基于在所述两个或更多个位置根据所述透射比函数或照明函数所确定的对预期的散射图案的估计以迭代方式重新估计物体函数，其中根据所述检测的强度来校正所述预期的散射图案的至少一个特性。

32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述光圈提供了平缓变化的透射比函数。

33.根据权利要求31所述的装置，其中，所述入射辐射提供了平缓变化的照明函数。

34.根据权利要求33所述的装置，还包括：

形成用于确定所述照明函数的照明轮廓的透镜。

35.根据权利要求31所述的装置，其中，所述处理装置包括：

微处理器；

数据存储器，用于存储所述微处理器使用的数据和指令；以及

用于提供指令来移动所述入射辐射或所述光圈或经过定位的目标物体的其中之一的装置。

36.根据权利要求31所述的装置，其中，所述处理装置还包括：

包含用户输入设备的用户接口，用于允许用户输入数据；以及用户显示器，用于显示所述图像数据或从所述图像数据生成的高分辨率图像。

37.根据权利要求31所述的装置，其中，所述辐射源包括相干辐射源。

38.根据权利要求31所述的装置，其中，所述辐射源包括非相干辐射源。

39.根据权利要求31所述的装置，其中，所述辐射源为电子束发生器。

40.根据权利要求31所述的装置，其中，所述辐射源为X射束发生器。

41.根据权利要求31所述的装置，其中，所述第一和/或另一定位装置包括压电式微致动器。

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