[发明专利]用于位置分辨地确定在物体成像的图像平面中电磁场的相位和幅度的方法和装置

说明书

本发明的领域

本发明涉及一种用于位置分辨地(ortsaufgeloesten)确定在物体成 像的图像平面中电磁场的相位和幅度的方法，其中图像的生成是通过 (a)该物体利用一种照明装置的相干光线被照射并在一个图像平面中 被成像，(b)光线在该图像平面中位置分辨地以像素被探测，(c)其 中针对每个像素确定光线强度，按图像点来存储并把这些图像点分配给 图像。在此首先生成一个第一图像。然后生成至少另一图像，其中光线 的相位和/或幅度以给定的方式被改变，并且对于每个图像所述改变都与 对于其他图像的改变不相同。该第一图像在此通常在没有任何改变的情 况下被记录。然后由所生成的图像中，位置分辨地确定在物体该图像平 面中的成像的相位。

本发明还涉及一种用于位置分辨地确定在物体成像的图像平面中 电磁场的相位和幅度的装置。这种装置包括具有辐射出相干光线的光源 的照明装置、物体支架、成像光学装置、进行位置分辨的像素探测器、 存储器模块以及分析模块。该装置通过如下方式生成图像：(a)该物 体利用相干光学被照射，并通过该成像光学装置在该图像平面中被成 像，(b)光线在该图像平面中位置分辨地按像素(in den Pixeln)被探 测，(c)其中对于每个像素光线强度被确定，并按图像点被存储在该 存储器模块中，并把这些图像点分配给图像。

当前技术

为了在利用相干光线照射的一个未知物体的成像中确定波前 (Wellenfront)的相位，在当前技术中存在不同的方法。在此通常涉及 迭代方法，其中在成像中的相位以及在成像中的波前由两个或多个位置 分辨的强度测量而被迭代地重建。所述强度测量在此以预定的、充分确 定的方式相互不同。这样比如就可以记录一个第一图像，其中物体和进 行位置分辨的探测器分别位于该成像光学装置的焦点位置。然后可以记 录一个第二图像，其方式是进行有针对性的散焦。如果该物体位于一个 支架上，那么可以沿着该光轴把该支架移动一个确定的长度。代替地并 且等效地，也可以移动该探测器，其中该成像光学装置的放大越大，所 述移动就相应越大。在该探测器中入射的光线被记录并被转换为强度 值。在相同的记录条件下以及同时被记录的强度值按图像点被存储，并 被组合为图像。然后由所述至少两个图像，就可以借助所谓的相位恢复 算法来计算当该物体成像在位于焦点处的图像平面中时来自其的光线 的相位以及波前。最常使用的相位恢复算法包括所谓的 Gerchberg-Saxton算法(R.B.Gerchberg、W.O.Saxton，光学装置，35卷， 237页，1972)或Yang-Gu算法(G.Yang，应用光学，33卷，209页， 1994)系列。

虽然原理上两个图像就足以计算相位，但是迭代可能延续非常长。 因此希望记录尽可能多的图像，其中这样虽然一些信息是冗余的，但最 终能够达到较高的精确度。如果仅仅基于散焦来生成不同的图像，那么 就迅速地突破该界限，因为散焦在仅仅一个有限的调整范围内是可以 的，以便还能够合理地进行分析，并且否则该图像就可能被模糊。

另一方面在显微镜中公开了一些方法，其中利用该方法可以提高在 成像时的相位对比。在这些方法中，光线在微观或宏观物体之中或之上 所经受的不可见的、微小的相位变化被转换为强度变化。这样其就变成 可见的。其实现是通过在该物体成像时不衍射的光线相对于在该物体上 被衍射的光线在相位和幅度上都被改变，其中该物体的衍射光谱在一个 瞳孔平面中被影响。在此所利用的是，显微物镜近似如同傅立叶变换光 学装置来构建，使得在该成像光学装置的瞳孔平面中能够影响从该物体 所衍射的光线的强度分布的位置频谱。