[發(fā)明專利]單次曝光相位恢復(fù)成像裝置和成像方法

在審

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• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112326601A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉誠;昌成成;陶華;潘興臣;朱健強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)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(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種單次曝光相位恢復(fù)成像裝置，包括LD光源、半球殼、小孔、樣品、二維位移平臺、二維光電探測器、電腦以及數(shù)據(jù)采集與處理軟件；和成像方法，先通過二維位移平臺移動樣品，對照明光陣列進(jìn)行標(biāo)定，得到每一個照明光束的復(fù)振幅分布；再用二維光電探測器記錄一幅含有30個子衍射斑的衍射圖，將樣品的復(fù)振幅分布恢復(fù)出來。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低，數(shù)據(jù)采集時間短，相位恢復(fù)算法具有收斂速度快，成像測量精度高等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光相干衍射成像，特別是一種單次曝光相位恢復(fù)成像裝置和成像方法。

背景技術(shù)

近年來，計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)得到了快速的發(fā)展，基于疊層衍射成像(PIE)原理的相位恢復(fù)成像技術(shù)作為其中的一個重要分支，具有高分辨率、大視場、成像精度高等特點(diǎn)，得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，比如生物顯微成像、玻璃中的應(yīng)力檢測、多波長復(fù)合光場的測量等。通常情況下，為了采集到更多數(shù)據(jù)，獲得更大的視場及更高的成像精度，需要通過平移裝置對樣品進(jìn)行多點(diǎn)掃描，這就增加了數(shù)據(jù)采集時間。為了縮短數(shù)據(jù)采集時間，適應(yīng)更多動態(tài)場景，廣大學(xué)者們提出了多種快速采集數(shù)據(jù)的方法，比如利用光柵對照明光束進(jìn)行分束，或者利用分布已知的相位板，對照明光攜帶的信息進(jìn)行恢復(fù)。其中光柵在分光的過程中會出現(xiàn)相鄰光束之間相互干涉的現(xiàn)象，影響成像質(zhì)量。利用分布已知的相位板進(jìn)行單次曝光時，需要對相位板進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，花費(fèi)大量的時間。所以在快速相位恢復(fù)領(lǐng)域還有許多方法值得研究和改進(jìn)，本發(fā)明提出了一種分光方法，利用角度復(fù)用，在照明光已經(jīng)校準(zhǔn)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)單次曝光成像。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有相位恢復(fù)成像技術(shù)的不足，提出一種單次曝光相位恢復(fù)成像裝置和成像方法，該成像裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、數(shù)據(jù)采集時間短和相位恢復(fù)快速的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種單次曝光相位恢復(fù)成像裝置，其特點(diǎn)在于，包括LD光源、半球殼、小孔、樣品、二維位移平臺、二維光電探測器、和數(shù)據(jù)采集與處理軟件的電腦；

所述的30個LD光源按照5行6列的方式固定在所述半球殼上，同時指向球心，所述小孔放在球心處，所述樣品放在所述小孔后面，并且在相鄰光束有交疊的區(qū)域內(nèi)，與所述二維位移平臺相連，所述的二維光電探測器的輸出端與所述的電腦的輸入端相連，所述的電腦的輸出端與所述的二維位移平臺的控制端相連。

所述的半球殼用來固定所述LD光源和所述小孔，保證所述30個光束都指向球心，通過小孔。

所述的小孔放在所述半球殼的球心處。

所述的二維平移臺通過所述電腦控制，與所述樣品相連。

所述的二維光電探測器為CCD，采集和記錄樣品的衍射光斑。

利用上述單次曝光相位恢復(fù)成像裝置對樣品進(jìn)行成像的方法，其特點(diǎn)在于該成像方法包括下列步驟：

1)所述二維平移臺(5)通過所述電腦(7)控制，帶動所述樣品(4)進(jìn)行掃描，經(jīng)校準(zhǔn)照明光,分別恢復(fù)出30束激光的復(fù)振幅分布，記為P_i，j(x,y)；

2)所述二維光電探測器(6)記錄一幅同時含有30個子衍射光斑的圖像，30個子衍射光斑按照5行6列的方式排列，與30束照明激光相對應(yīng)，并且30束照明激光在樣品上相互之間有重疊，在二維探測器面上分開，相互之間無重疊；

3)所述的帶有數(shù)據(jù)采集與處理軟件的電腦(7)對步驟2)中采集到的衍射光斑進(jìn)行下列迭代運(yùn)算，包括以下步驟：

a)以小孔所在的平面為x-y平面，以垂直于該平面的軸為z軸，假設(shè)每一束激光與x軸和y軸的夾角分別為α_n，β_n，第一次迭代時，已知照明光的分布為P_i，j(x,y)，初始猜測樣品(5)的分布為O¹(x,y)；其中，i表示行信息，j表示列信息；