多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方法技術

本發明專利技術提供一種波長同時照明的非相干疊層衍射成像方法，成像過程包括以下過程：采用至少一種以上的不同激光器照明；出射的激光經過雙全反射鏡將光線調整至水平射出后通過雙寬帶分光棱鏡合束；再經過空間濾波器擴束，再經過復消色差透鏡準直后打到探針上；探針對待測樣品進行疊層掃描；使用成像探測器記錄各探針掃描位置的衍射圖像的強度信息；將記錄的衍射圖像強度信息代入基于疊層掃描的多路復用迭代算法，恢復待測樣品的復振幅分布、探針的復振幅分布和光譜權重。本發明專利技術的成像方案與相對應的算法，不僅能夠恢復不同波段下對應的復振幅待測樣品，同時也能恢復不同波段的光譜權重和不同波段下對應的照明探針的復振幅分布。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于疊層衍射成像技術(Ptychography)領域，具體涉及一種將待測待測樣品用多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方案，提出多路復用的疊層衍射成像算法。
技術介紹
生物和材料科學等領域中，傳統的使用透鏡的光學成像技術無法滿足如今日益增長的高分辨率成像的需求。這些成像技術的分辨率主要受限于透鏡的數值孔徑大小，尤其在X射線領域中，大數值孔徑的透鏡是極其難以制造的。因此，疊層成像術作為一種新興的無透鏡的成像技術正受到越來越多的關注。疊層成像技術是一種無透鏡的掃描相干衍射成像技術，通過控制照明光束或者待測樣品，照明待測樣品上的不同位置，進而用獲得的一系列衍射圖樣進行迭代恢復出待測樣品圖像。參見(Ultramicroscopy10(3):187～198，1987)。疊層迭代算法本質上屬于一種相位恢復算法，但是它又與傳統的相位恢復算法不一樣，在對每個位置的衍射分布進行相位恢復時都進行了約束，消除了解的二義性，因此相對于傳統的相位恢復算法，收斂速度有了一定的提高，可以較快的恢復出樣本圖像信息。傳統的疊層成像技術往往采用單波長照明，即使使用多波長照明來提升恢復質量也是采用依次照明的方式，參見(ActaPhys.Sin.Vol.65，No.1(2016)014204)，操作繁瑣，處理周期較長；同時對光的相干性要求很高，非相干光照明一直被認為不利于衍射成像，參見(DongSY，ShiradkarR，NandaP，ZhengGA2014Biomed.Opt.Express51757)
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種多波長同時照明的菲涅爾域非相干疊層衍射成像技術，可以恢復不同波段下對應的待測樣品的復振幅信息，同時也能恢復不同波段的光譜權重和不同波段下對應的不同照明探針的復振幅分布。本專利技術的技術解決方案是：一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特別之處在于：包括沿光路依次設置的雙寬帶分光棱鏡、空間濾波器、復消色差透鏡、探針及成像探測器；還包括激光器，所述激光器的出射光通過雙全反射鏡垂直射入雙寬帶分光棱鏡；待測樣品位于探針和成像探測器之間。上述激光器為三個，分別為紅光激光器、綠光激光器和藍光激光器。為了方便使用，采用孔徑光闌作為探針。上述成像探測器為面陣CCD，型號為CoolsnapEZ型，單像素尺寸為6.45um×6.45um，窗口大小為1392pixels×1040pixels。上述探針距離待測樣品d＝28mm，待測樣品衍射至成像探測器的距離D＝100mm。本專利技術還提供一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方法，其特別之處在于：成像過程包括以下過程：1)采用至少一種以上的不同激光器照明；2)出射的激光分別經過相應的雙全反射鏡將光線調整至水平射出后通過雙寬帶分光棱鏡合束；3)合束后的光線經過空間濾波器擴束，再經過復消色差透鏡準直后打到探針上；4)探針通過精密機械平移臺實現固定步長的掃描，對待測樣品進行疊層掃描；相鄰兩次掃描時照射部分有交疊；使用成像探測器記錄各探針掃描位置的衍射圖像的強度信息；5)將步驟4)記錄的衍射圖像強度信息代入基于疊層掃描的多路復用迭代算法，恢復待測樣品的復振幅分布、探針的復振幅分布和光譜權重。上述基于疊層掃描的多路復用迭代算法詳細步驟如下：步驟5.1設待測樣品的復振幅分布為Om[r(x，y)]，探針的復振幅分布為Pm[r(x，y)]，光譜權重為Sc，m，其中r(x，y)為物平面笛卡爾坐標系所對應的坐標；探針掃描步長為Rc＝(Rx，c，Ry，c)，c＝1，2，…，n，其中c為探針個數，m為波長個數；像平面笛卡爾坐標系所對應的坐標為u(x，y)；采用全1矩陣的評估方式分別隨機評估不同波長下對應的待測樣品復振幅分布Om[r(x，y)]、探針的復振幅分布Pm[r(x，y)]和光譜權重Sc，m；；步驟5.2結合步驟5.1評估的光譜權重Sc，m、待測樣品復振幅分布Om[r(x，y)]及探針的復振幅分布Pm[r(x，y)]，根據公式(1)計算多波長同時照明待測樣品后所得到的出射波的復振幅分布：Ec,m[r(x,y)]=Sc,mΣx,y|Pm[r(x,y)]|2·Pm[r(x,y)]·Om[r(x,y)]---(1)]]>步驟5.3根據公式(2)使步驟5.2的出射波衍射至像面，得到待測樣品的衍射圖樣的復振幅分布：Ec，m[u(x，y)]＝ofrt[Ec，m[r(x，y)]](2)步驟5.4保留步驟5.3中待測樣品的衍射圖樣相位信息，利用更新待測樣品的衍射圖樣的振幅信息，得到更新后的衍射圖樣的復振幅分布：Ec,m′[u(x,y)]=Ic[u(x,y)]·Ec,m[u(x,y)]Σm|Ec,m[u(x,y)]|2---(3)]]>式中Ic[u(x，y)]為成像探測器所接收到的各個探針照明下所對應的待測樣品的強度值；步驟5.5根據公式(4)對步驟5.4得到的更新的衍射圖樣做逆菲涅爾衍射至物面；得到更新后的多波長同時照明待測樣品后的出射波的復振幅分布：Ec，m[r′(x，y)]＝iofrt[E′c，m[u(x，y)]](4)其中，ofrt和iofrt分別定義為菲涅爾衍射和逆菲涅爾衍射；步驟5.6根據步驟5.2得到的Ec，m[r(x，y)]和步驟5.5得到的Ec，m[r′(x，y)]利用公式(5)和公式(6)，并采用ePIE算法的更新式，參見(MaidenAM，RodenburgJM2009Ultramicroscopy1091256)，更新出不同波長下對應的待測樣品的復振幅分布和探針的復振幅分布：式中α，β分別對應于算法的搜索步長，令α，β均為1，*代表復共軛計算，且步驟5.7根據步驟5.6得到的探針的復振幅分布更新不同波長對應的光譜權重：Sc，m＝∑x，y|Pm[r(x，y)]|2(8)重復步驟5.2-5.7直到各個探針照明下成像探測器所接收的衍射圖樣的強度信息即Ic[u(x，y)]都被使用完后，視為完成了一次迭代；經過多次迭代后，當相應的步驟5.4得到的E′c，m[u(x，y)]與步驟5.3得到的Ec，m[u(x，y)]的均方誤差小于0.01時，該算法達到收斂；收斂的條件即均方誤差的大小視具體需求而定，這里的0.03是經過多次嘗試選擇的經驗值。均方誤差的計算公式為：本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特征在于：包括沿光路依次設置的雙寬帶分光棱鏡、空間濾波器、復消色差透鏡、探針及成像探測器；還包括激光器，所述激光器的出射光通過雙全反射鏡垂直射入雙寬帶分光棱鏡；待測樣品位于探針和成像探測器之間。

【技術特征摘要】
1.一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特征在于：包括沿光路依次設
置的雙寬帶分光棱鏡、空間濾波器、復消色差透鏡、探針及成像探測器；還包括激光器，所述
激光器的出射光通過雙全反射鏡垂直射入雙寬帶分光棱鏡；待測樣品位于探針和成像探測
器之間。
2.根據權利要求1所述的一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特征在
于：所述激光器為三個，分別為紅光激光器、綠光激光器和藍光激光器。
3.根據權利要求1或2所述的多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特征在
于：采用孔徑光闌作為探針。
4.根據權利要求1或2所述的多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特征在
于：所述成像探測器為面陣CCD，型號為CoolsnapEZ型，單像素尺寸為6.45um×6.45um，窗
口大小為1392pixels×1040pixels。
5.根據權利要求1所述的多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特征在于：所
述探針距離待測樣品d＝28mm，待測樣品衍射至成像探測器的距離D＝100mm。
6.一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方法，其特征在于：成像過程包括以下
過程：
1)采用至少一種以上的不同激光器照明；
2)出射的激光分別經過相應的雙全反射鏡將光線調整至水平射出后通過雙寬帶分光
棱鏡合束；
3)合束后的光線經過空間濾波器擴束，再經過復消色差透鏡準直后打到探針上；
4)探針通過精密機械平移臺實現固定步長的掃描，對待測樣品進行疊層掃描；相鄰兩
次掃描時照射部分有交疊；使用成像探測器記錄各探針掃描位置的衍射圖像的強度信息；
5)將步驟4)記錄的衍射圖像強度信息代入基于疊層掃描的多路復用迭代算法，恢復待
測樣品的復振幅分布、探針的復振幅分布和光譜權重。
7.根據權利要求6所述的多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方法，其特征在于：步
驟5)的具體過程如下：
步驟5.1設待測樣品的復振幅分布為Om[r(x,y)]，探針的復振幅分布為Pm[r(x,y)]，光
譜權重為Sc,m，其中r(x,y)為物平面笛卡爾坐標系所對應的坐標；探針掃描步長為Rc＝
(Rx,c,Ry,c),c＝1,2,…,n，其中c為探針個數，m為波長個數；像平面笛卡爾坐標系所對應的
坐標為u(x,y)；
采用全1矩陣的評估方式分別隨機評估不同波長下對應的待測樣品復振幅分布Om[r(x,
y)]、探針的復振幅分布Pm[r(x,y)]和光譜權重Sc,m；
步驟5.2結合步驟5.1評估的光譜權重Sc,m、待測樣品復振幅分布Om[r(x，y)]及探針的復
振幅分布Pm[r(x,y)]，根據公式(1)計算多波長同時照明待測樣品后所得到的出射波的復
振幅分布：
Ec,m[r(x,y)]=Sc,mΣx,y|Pm[r(x,y)]|2·Pm[r(x,y)]·Om[r(x,y)]---(1)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓洋，何俊華，閆亞東，韋明智，潘安，萬能，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：陜西;61