一种透射型样品振幅和位相成像的装置和方法，通过移动扫描小孔光阑用其在一定距离处的衍射斑作为样品的照明光，并在小孔光阑在成像系统中的像面内用探测器其记录小孔光阑在不同位置时的衍射光斑，通过计算机进行迭代运算的方式获得样品的复振幅透过率函数，不仅能够获得振幅信息还能够实现相位成像。同时每一幅衍射图样不仅能够记录衍射斑光强分布，还能够通过相关性运算获得与之相对应的小孔光阑的实际位置，实现不依赖平移台精度的再现像重建，克服了平移台精度不足带来的误差。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及透射型样品的成像及相位测量，特别是一种不依赖于平移台精度的透射型样品振幅和相位成像的装置和方法。
技术介绍
相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,简称为0)1)算法是一种直接从光场的散射斑强度中获得样品的位相信息的方法，是一种直接用迭代方法逐次逼近目标的‘重建’法，该方法1970年前后由Hoppe等人提出，后经Fienup等人的完善逐步发展起来(参见 J· R· Fienup. Phase retrieval algorithms: a comparison , Appl.Opt.，1982，21 (15) :2758 2769)。该方法是，在紧靠样品的后表面放置一个带孔的空间分布 已知的遮光屏，用相干光源照射物体并使物体只有一小部分的光透过概念小孔被相隔一定距离处的CXD记录。⑶I算法如下假设CXD所记录的光强为I，则相应的重建过程为(a)首先给样品一个任意的猜测值O(r);(b)利用菲涅尔衍射计算其经过小孔到达CXD时的复振幅分布G(X);(c)保持G(X)的位相不变，但用实际测量的光场I的平方根sqrt(I)振幅代替其幅值，得到一个更新后的G’(X)；(d)再次利用菲涅尔衍射计算出G’(X)反向传播回物体平面上的复振幅O’ (r);(e)令O’ (r)在透光孔外的值被强制为零，然后重复步骤(b) (d)，重建出孔内部分物体的透射函数。⑶I算法具有结构简单，理论上可以达到衍射极限的分辨率，但这种成像方法要求样品是孤立物体，同时理论上它不能区别出物体自身和其自身的共轭以及自身与其它函数的卷积组合，对于稍微复杂的物体往往很难得到理想的重构像，极大地限制了其应用范围。PIE (ptychographical iterative engine)算法是一种基于 CDI 算法的迭代算法，通过扫描样品不同部分的衍射斑(相邻扫描位置有重叠)来进行振幅和位相重建，克服了 CDI的缺点，该算法理论上可以获得波长决定的极限分辨率，这种方式需要记录不同扫描位置处的衍射斑，在实际操作中大概需要至少100个衍射斑，但是该算法对扫描装置的移动精度要求较高，而目前的平移台很难满足对精度的要求，而平移台误差成为该算法误差的一个主要来源，这也限制了该算法的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述现有技术的不足，提出一种透射型样品相位显微装置和相位显微方法，该装置记录的每一幅扫描的光强分布不仅包含了衍射斑分布还能够记录扫描小孔光阑的移动信息和小孔光阑的实际位置，克服了平移台精度不够带来的误差，同时通过迭代算法实现对样品的振幅和位相成像。本专利技术的技术解决方案如下一种透射型振幅和位相成像装置，特点在于其构成包括相干光源，沿该相干光源的输出光束方向依次是光束空间滤波器、准直透镜、小孔光阑、待测透射型样品、透镜组、探测器，所述的小孔光阑固定在所述的二维电动平移台上，该小孔光阑在所述的二维电动平移台的驱动下在垂直于光束传播方向的平面内移动，在所述的透镜组的小孔光阑的像平面设置所述的探测器，该探测器和二维电动平移台与所述的计算机相连；相干光源发出的光经过光束空间滤波器后变成点光源并经过所述的准直透镜后变为平行光，经过小孔光阑的出射光波作为待测透射型样品的照明光，即照明光为小孔光阑的衍射光斑，调整小孔光阑、待测透射型样品到透镜组的距离大于其焦距，并且待测透射型样品的出射光波经过透镜后在小孔光阑的像平面上成放大的实像，并由放在像平面上的探测器接收并记录光斑分布送所述的计算机，同时探测器和二维电动平移台由计算机进行控制。利用上述成像装置对透射型样品的振幅透过率和位相进行测量，包括以下步骤(I)数据记录计算机控制二维电动平移台使小孔光阑在垂直于光束传播方向的 平面内进行逐行逐列扫描，相邻两个扫描位置处透光部分必须有重叠，最好重叠50%左右，小孔光阑的移动可以由a行b列的矩阵表示，在扫描过程中的i行j列处，通过探测器记录衍射光斑的光强分布Ι 其中i为l"a的正整数,j为l b的正整数,a, b分别表不小孔光阑扫描矩阵的总行数和总列数。将Iu存储在计算机中并编号以便进行计算。扫描后的光斑全部记录完成后，拿掉透射型样品，记录只有小孔光阑时的光强分布，即记录小孔光阑的放大的实像hole(l。去掉透射型样品和小孔光阑，探测器位置不变，记录光强分布Background。测量小孔光阑到透射型样品的距离Z，测量小孔光阑的实像的放大倍数D。(2)数据处理(a)计算衍射斑Iiij所对应的扫描小孔光阑在扫描位置(i，j)处的屏函数CiriJCiriij的计算可以通过以下方式将小孔光阑的实像Iioleci取合适的阈值得到小孔的二值像hole,孔内为I,孔外为O ;将Iu取合适的阈值,大于阈值为1，小于阈值为O,阈值的选取标准为能够获得清晰的小孔光阑4的轮廓，轮廓内为O的点可以人为设定为1，得到扫描位置(i, j)处的衍射斑二值像I’由于记录Iu处为小孔光阑的实像，因此Γ M即可表示在扫描位置(i，j)处相对探测器靶面小孔的屏函数，即I’ u可作为Ciru，但考虑到这样得到的小孔光阑轮廓会有误差，因此需要用hole中的小孔光阑轮廓来代替更加准确。计算I’ ,j与hole的相关性(即两二值图像在不同的相对位置处值为I的点的重合面积)并得到相关性最大时hole相对I' ,j移动的距离，并根据此距离移动hole得到准确的(b)所述计算机9首先对透射型样品5的复振幅透过率Obj = abs{obj)exp{/^)(包括振幅透过率和相位改变量)产生一个随机猜测值guess,并且guess =E*rand(m, n)*exp(i*rand(m, η)* π ),其中:Ε 为振幅，rand(m, η)为产生 m 行 η 列的随机数的函数，在计算机中以矩阵的形式存在，同时探测器记录的数据的矩阵也为m行η列。即obj = guess作为最开始的初始值,小孔光阑4在扫描位置(i, j)处obj的更新步骤为(C)计算小孔光阑在扫描位置(i，j)处时在透射型样品5处的光斑分布Proi,计算方法如下 Ptui , = ffexp(i— a2 — β~I)Z)exp 2π(—χ + ^- y) d — d^—-λ λ λL 义义·」义 λ其中权利要求1.一种透射型振幅和位相成像装置，特征在于其构成包括相干光源(I)，沿该相干光源(I)的输出光束方向依次是光束空间滤波器(2)、准直透镜(3)、小孔光阑(4)、待测透射型样品(5)、透镜组￠)、探測器(8)，所述的小孔光阑(4)固定在所述的ニ维电动平移台(10)上，该小孔光阑(4)在所述的ニ维电动平移台(10)的驱动下在垂直于光束传播方向的平面内移动，在所述的透镜组(6)的小孔光阑⑷的像平面(7)设置所述的探測器⑶，该探測器(8)和ニ维电动平移台(10)与所述的计算机(9)相连； 相干光源(I)发出的光经过光束空间滤波器(2)后变成点光源并经过所述的准直透镜(3)后变为平行光，经过小孔光阑(4)的出射光波作为待测透射型样品(5)的照明光，即照明光为小孔光阑(4)的衍射光斑，调整小孔光阑(4)、待测透射型样品(5)到透镜组(6)的距离大于其焦距，并且待测透射型样品(5)的出射光波经过透镜组(6)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种透射型振幅和位相成像装置，特征在于其构成包括相干光源(1)，沿该相干光源(1)的输出光束方向依次是光束空间滤波器(2)、准直透镜(3)、小孔光阑(4)、待测透射型样品(5)、透镜组(6)、探测器(8)，所述的小孔光阑(4)固定在所述的二维电动平移台(10)上，该小孔光阑(4)在所述的二维电动平移台(10)的驱动下在垂直于光束传播方向的平面内移动，在所述的透镜组(6)的小孔光阑(4)的像平面(7)设置所述的探测器(8)，该探测器(8)和二维电动平移台（10）与所述的计算机(9)相连；相干光源(1)发出的光经过光束空间滤波器(2)后变成点光源并经过所述的准直透镜(3)后变为平行光，经过小孔光阑(4)的出射光波作为待测透射型样品(5)的照明光，即照明光为小孔光阑(4)的衍射光斑，调整小孔光阑(4)、待测透射型样品(5)到透镜组(6)的距离大于其焦距，并且待测透射型样品(5)的出射光波经过透镜组(6)后在小孔光阑(4)的像平面(7)上成放大的实像，并由放在像平面(7)上的探测器(8)接收并记录光斑分布送所述的计算机(9)，同时探测器(8)和二维电动平移台由计算机(9)进行控制。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：潘兴臣，刘诚，朱健强，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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