[发明专利]三维成像

说明书

技术领域

本发明涉及用于提供图像数据的方法和设备，可从该图像数据生成 目标物体的图像。特别地，然而不是绝对地，本发明涉及用于从数据集 获得跨焦系列的方法和设备。当被组合时该系列可用来检查目标物体的 三维(3D)结构。

背景技术

已知用于得出关于目标物体(或者称为样本)的空间信息的许多类 型的成像技术。例如，且如图1所示，在传统透射成像中，通过平面波 照明10照射物体。物体散射的波被透镜12重新干预以形成图像。在非 常短的波长成像(X射线或电子)的情况下该技术具有与透镜引入的像 差和不稳定性相关联的许多已知的困难，所述像差和不稳定性限制了结 果所得到的图像的分辨率和解释能力。典型的可实现的分辨率比理论的 波长极限大许多倍。

传统的扫描透射成像是成像技术的另一例子，其中使用透镜来聚焦 辐射斑，使其通过目标物体。一个或多个检测器被布置在目标物体的目 标后侧(即下游)以检测被散射的辐射。已知各种类型的检测器策略， 如环状检测器、扇形检测器和/或离轴检测器。然而这些方法依赖于对需 要目标物体的图像的所有点扫描被聚焦的辐射斑。存在与该技术相关联 的许多问题，例如，需要对斑的非常准确的控制，因为如果期望 1000×1000像素的图像则必须使用一百万个准确的探测位置点。另一问 题是，所使用的透镜必须具有非常高的质量。这不仅因为最终图像的分 辨率仅能与斑的锐度和定位几乎一样，还因为对于诸如电子或X射线的 各种形式的辐射存在许多问题，诸如像差效应、色度扩展和透镜电流不 稳定，它们会影响图像产品且会毁坏分辨率。这在图2中被示意性地示 出，其中入射辐射15(诸如电子或X射线束)入射在形成目标物体的 样本16上。被物体散射的辐射离开目标物体且传播到检测器平面17上。

传统扫描透射成像的已知问题是，由于必须利用入射的辐射斑来探 测大量点，因此需要大量时间来完成图像。而且，如果在数据收集期间 目标物体移动，则这会导致收集到不准确的数据且最终导致产生不准确 的图像。进一步地，传统的扫描透射成像方法不能使与离开目标物体的 辐射的相位有关的信息被测量。仅仅检测器处的总散射强度可被测量。 这样，与越过目标物体发射的出射波有关的相位信息不能被收集。

对传统扫描透射成像的改进是四维解卷积成像。该技术利用与图1 所示的设备相似的设备，但是针对每个探测位置记录整个衍射图。这提 供了以比斑尺寸或所使用的透镜的响应函数更好的分辨率确定目标物 体的结构的方式，但是具有许多重大问题。最显著的问题是，对于适当 的视场必须记录要花费若干小时来收集的大量的数据。这使得实验实际 上非常难以实现，因为非常准确地控制探测照明且准确地移动它以扫描 用于最终的图像重构的每个(一百万)像素是必要的。而且由于在所花 费的较多时间内需要大剂量的入射辐射，因此可发生对目标物体的若干 损坏或毁坏。

另一公知的成像技术是纯衍射成像。在该替代策略中，可省略透镜 且通过探测辐射的简单的平面波来照明目标物体。在远场中测量的散射 图形成Fourier(傅里叶)平面衍射图且其强度被记录。然后通过应用从 所测量的强度得出的信息使用迭代方法来计算估计的物体出射波场。为 了从估计的波场确定关于目标物体的实际信息，必须提供真实空间中的 区域，在该区域中已知不存在物体或物体以某种限定的方式被遮蔽。只 有知道这个事实才能迭代地改变对代表物体的波场的运行估计。然而存 在与纯衍射成像相关联的许多问题。最显著的是必须以某种方式在某固 定的位置悬挂或隔离目标物体。这实际上非常难以实现。而且不可能将 该解决方案扩展到物体的新的或不同的部位或者获得全部有良好分辨 率的大图像。仅可照明物体的一个隔离区域且对其进行解决。而且目标 物体必须是单值的。也就是说，其必须由单个实数表示。该数可表示吸 收或相位变化，但是不能同时表示这二者。事实上，大部分实际目标物 体波(即与离开目标物体的照明相关联的波函数)呈现为具有相位和振 幅分量这两者的复数。

纯衍射成像的另一主要问题是目标物体的边缘必须被清晰地限定 且因而具有清楚的边缘。这使得已知不存在物体或物体以某种方式被遮 蔽的区域轮廓分明。实际上难以产生具有这样的清晰边缘的物体或光 阑。