[發明專利]相位恢復成像裝置和成像方法

有效

• 申請號: 201910822769.4
• 申請日: 2019-09-02
• 公開（公告）號: CN110687078B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 劉誠;昌成成;董學;陶華;潘興臣;朱健強
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種相位恢復成像裝置，其特征在于，包括光源(1)、光纖(2)、變焦光纖準直器(3)、聚焦透鏡(4)、二維位移平臺(5)、第一魚眼軸承(6)、第二魚眼軸承(7)、空心管道(8)、樣品(9)、二維光電探測器(10)和數據采集與處理軟件的電腦(11)；

所述的光纖(2)將所述的光源(1)中的激光束導入所述的變焦光纖準直器(3)中，所述的變焦光纖準直器(3)的一端與所述的光纖(2)相連，另一端與所述的聚焦透鏡(4)相連，所述的變焦光纖準直器(3)與所述的聚焦透鏡(4)共同固定在所述的空心管道(8)的一端，所述的第一魚眼軸承(6)作為支點，與所述的空心管道(8)的另一端連接，所述的空心管道(8)可以繞所述的第一魚眼軸承(6)轉動，所述的第二魚眼軸承(7)與所述的二維位移平臺(5)相連接，該第二魚眼軸承(7)位于所述的空心管道(8)的中部；所述的二維光電探測器(10)的輸出端與所述的電腦(11)的輸入端相連，所述的電腦(11)的輸出端與所述的二維位移平臺(5)的控制端相連，所述的電腦(11)控制所述的二維位移平臺(5)，所述的二維位移平臺(5)帶動所述的第二魚眼軸承(7)繞所述的空心管道(8)的軸向轉動或橫向滑動，調節所述的變焦光纖準直器(3)，使激光束的焦點位于所述的第一魚眼軸承(6)的球心處。

2.根據權利要求1所述的相位恢復成像裝置，其特征在于所述的光纖(2)帶有衰減器，用于控制輸出光的光強。

3.根據權利要求1所述的相位恢復成像裝置，其特征在于所述的二維光電探測器(10)為CCD，采集和記錄樣品(9)的衍射光斑。

4.利用權利要求1所述的相位恢復成像裝置對樣品進行成像的方法，其特征在于該成像方法包括下列步驟：

1)根據衍射光斑的實際大小，設置所述的二維位移平臺(5)的步長和步數，使相鄰光斑的重疊面積為60％，所述的二維位移平臺(5)通過所述的電腦(11)控制其移動步長和步數，使得每次得到的衍射光斑都與周圍的衍射光斑有部分重疊；

2)根據實際入射光斑的尺寸大小和采集數據矩陣的大小，將所述的二維光電探測器(10)放在合適的距離上，使待記錄的光斑能夠被所述的二維光電探測器(10)完全接收；

3)所述的二維光電探測器(10)在J個掃描位置共記錄J個射光斑，并輸入所述的電腦(11)中，

4)令j＝1

5)所述的電腦(11)利用所述的數據采集與處理軟件(12)對第j掃描位置的衍射光斑，進行下列迭代運算，包括以下步驟：

a)第一次迭代時，初始猜測樣品(9)的分布為O(r)，照明光的分布為P(r)；

b)令n＝n+1，進行第n次迭代過程描述如下：根據所述的二維位移平臺(5)第j掃描位置的位置信息，計算出光束偏移的角度，利用相似三角形定理，計算出光束在所述樣品(9)和所述的二維光電探測器(10)上相應的位移信息：

d/h＝D1/H1

d/h＝(D1+D2)/(H1+H2)

其中，d表示所述的二維位移平臺(5)移動的距離，h表示所述的二維位移平臺(5)到所述的第一魚眼軸承(6)球心的垂直距離，H1表示所述的第一魚眼軸承(6)球心到所述的樣品(9)的垂直距離，H2表示所述的樣品(9)到所述的二維光電探測器(10)的垂直距離，D1表示照明光束在所述的樣品(9)上的位移距離，D2表示照明光束在所述的二維光電探測器(10)上的位移距離；

c)假設樣品(9)足夠薄，樣品后表面的透射光場為照明光函數與樣品函數的乘積：

其中，rj表示第j掃描位置，n表示迭代次數；

d)將得到的透射光場傳播到衍射面，得到衍射面的光場分布：

其中，u是衍射面上的空間坐標，Π是衍射傳播算子，在遠場ptychography中Π為夫瑯禾費衍射，在近場ptychography中Π為角譜傳播或者菲涅爾衍射，ψ_n(u，u_j)可以寫成振幅和相位乘積的形式：

ψ_n(u，u_j)＝|ψ_n(u，u_j)|exp[iθ_n(u，u_j)]

e)應用衍射強度約束更新衍射面光強分布，保持光場相位值不變，振幅值用記錄到的衍射強度的平方根來替換：

Iuj是第j掃描位置所述的二維光電探測器(10)記錄到的衍射強度；

f)將更新后的光場反向傳播到樣品面，得到更新的樣品透射光場分布：

其中，Π^-是反向傳播算子；

g)使用下面的公式更新照明光及樣品分布函數：

其中，*代表復共軛操作，{|Pn(r)|²}_max是照明光強度的最大值，{|On(r-rj)|²}_max是當前位置處樣品強度的最大值，α與β為常數，用于控制更新步長；

h)移動至下一個掃描位置，令j＝j+1，返回步驟5中的步驟b)，當jJ時，進入下一步：

i)計算均方根誤差Erms，公式如下：

j)當衍射光斑均方根誤差Erms小于自己設定的精度要求，比如10-3時，進入步驟6)，當衍射光斑均方根誤差Erms大于自己設定的精度要求時，令n＝n+1，返回步驟b)；

6)結束，獲得高分辨率大視場的相位恢復成像。