[發明專利]一種高分辨率衍射成像方法及裝置

有效

• 申請號: 201910684751.2
• 申請日: 2019-07-26
• 公開（公告）號: CN110411983B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 張福才;王航宇;何振飛;許文慧
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆

本發明提供一種高分辨率衍射成像方法及裝置，包括：步驟S110、根據待測物體的預設透過率函數和預設照明光波函數，以及待測物體與檢測器之間的距離，獲取所述檢測器位置處光的波函數；步驟S120、分離所述檢測器位置處光的波函數得到第一振幅和第一相位；步驟S130、根據所述檢測器接收到的光強度，以及所述檢測器的物理像素和計算樣本的尺寸對應關系對所述第一振幅進行修正得到第二振幅；步驟S140、將所述第二振幅與所述第一相位合并形成所述檢測器位置處的波前估計；所述計算樣本為模擬計算中一個計算像素，所述計算像素的尺寸小于所述檢測器的物理像素尺寸。本發明以實現利用像素細分進一步提高重構的圖像分辨率，實現弱吸收物體的高對比度高分辨率成像。

技術領域

本發明涉及光學成像技術，尤其涉及一種高分辨率衍射成像方法及裝置。

背景技術

弱吸收物體的成像在科學研究和工程應用中是常面臨的問題，比如活體細胞的形態檢測，短波長下材料特性的測量等。目前的電子圖像采集傳感器只能記錄光波經過物體后的強度變化，當直接應用到弱物體成像時，獲得的圖像對比度會很低。我們知道當光波通過物體時，除了光波吸收變化外，不同部分(組分)還會引入時延(相位)變化。然而傳統的基于透鏡(或反射鏡)的光學成像系統無法測量到這些相位變化，這就是成像科學中的著名的＂相位問題＂。常用的獲得相位的辦法是澤爾尼克相襯成像方法。該方法在物鏡后焦面上放置相位板，通過改變物光光譜的方式將物體引入的光波的相位變化轉化為可記錄的光場的強度變化。但是澤爾尼克相襯方法獲得的相位信息是高度非線性的，無法對樣品做嚴格定量的分析。全息顯微成像技術是另外一種發展較為成熟的相位測量方法。該方法通過引入參考光來記錄物光和參考光的干涉條紋，獲得物波前的信息。參考光的使用要求該方法在具有高度靈敏度的同時，也對外界環境極為敏感，同時重構圖像經常伴有偽影和較強的非均勻背景。近年來發展的相位成像技術力圖解決這些問題。這些進展大體分為兩類：1)相襯成像技術,包括基于波前傳播,基于光柵,基于晶體,基于相位擴展片(砂紙),以及強度傳遞方程(Transport Intensity Equation,TIE)的方法。這類方法追求高的相位靈敏度,大的視場，和折中的亞微米分辨率。典型的應用包括昆蟲，小型魚類的三維層析成像；2)相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,CDI)。相干衍射成像是基于高級迭代算法,從衍射強度數據直接重構出物體的結構信息。這類方法中,特別引人矚目的是過去20年里掃描相干衍射成像技術(Ptychography)的發展。相比于相襯成像(phase contrastImaging),相干衍射成像多追求原子和納米尺度的高分辨率,常和X光或電子等短波長輻射源結合應用。掃描相干衍射成像技術是介于全場成像和掃描成像之間的一種技術方案。它使用一個有限大小的照明光掃描物體，在每個掃描點處記錄二維衍射強度圖樣，重要的是保證相鄰的掃描點間的照明區域有足夠的重疊(一般照明光波面積的60％)。這個方案突破了原有方法只適用于孤立樣品的限制,也適合復雜擴展樣品的測量。利用相鄰重疊照明區域帶來的數據冗余性，被測物體的振幅和相位信息可以被Ptychographic IterativeEngine(PIE算法)算法快速準確恢復出來。該方法目前在快速發展，已經成為同步輻射裝置上的主流成像技術之一。在生命科學和材料科學應用上都有廣闊的前景。

對于光學成像系統，分辨率是判斷系統質量的重要指標。在遠場幾何中,相干衍射成像方法理論分辨率由照明光波長和記錄數據的最大衍射角度決定。在實際實驗中,掃描相干衍射成像可實現的分辨率還受限于運動平臺的位置不確定性。平移臺位置誤差會極大影響PIE算法獲得圖像的分辨率。為消除掃描臺精度的影響,目前的解決方案有兩種:1)在平移臺上集成干涉測量裝置,盡量準確地獲得實際的掃描位置；2)利用記錄數據的高冗余度,在重構圖像的同時對掃描位置做改進估算。第二種方案中位置更新算法包括:串行相關算法、退火算法、共軛梯度算法、相似結構方法等諸多修正算法。

掃描相干衍射成像除了目前研究較多的遠場實驗結構,也可以在近場幾何實驗布局下實現。近場結構的優勢包括可以獲得更大的視場范圍,更大的樣品工作距離。然而在近場系統如何實現超像素尺寸分辨率這方面目前還缺少合適的解決方法。

發明內容