[发明专利]基于预照明成像的叠层成像技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于预照明成像的叠层成像技术，属于叠层成像技术领域。具体涉及一种通过预先照明获取待测样品及其周围图像所成像，提取样品周围图像作为叠层恢复的已知条件，再利用叠层扫描获取带周围图像的待测样品的衍射图像，并将二者共同带入基于预照明成像的叠层迭代算法中，最终恢复得到样品复振幅图像的方法。

背景技术

叠层衍射成像是一种不需要透镜的成像技术，通过交叠采集冗余的衍射图样信息，能够很好地恢复样品的复振幅信息，在X射线、可见光域、电子显微等领域有重要应用。

基于叠层成像(Ptychography)原理的扫描相干衍射成像方法由Hoppe于20世纪70年代首次提出，参见(ActaCrystallogr：A25，495，1969)。叠层成像技术的基本做法是改变样品或探针的相对位置，使入射平面波照射到样品的不同部位，并保证相邻两次照射部分有一定面积的交叠，这样衍射图样之间存在相互约束的关系，通过所有衍射图样的共同解，最终重建样品的复振幅信息。叠层成像技术相比于传统衍射成像技术，具有实验装置相对简单，恢复收敛速度快等优点。同时，叠层成像技术消除了正确解和复共轭间的二义性，并且在一定程度上能够克服透镜像差对成像恢复精度的干扰以及数值孔径对样品尺寸的限制，参见(PhysLett.4795：85，2004)。

然而，传统的叠层成像技术，除上述优势特征外仍存在以下不足：

1.实际操作中，照明光束的位置与理论位置间存在一定偏差，影响恢复图像质量。

2.实验受随机噪声和系统噪声的干扰较大，恢复图像效果仍有很大提升空间。

3.实验设施条件限制较大。重建图像质量越好，实验设施需求越精密。

发明内容

本发明通过提供一种预先照明成像的方法来解决现有技术中的上述不足。本发明提出一种基于预照明成像的叠层成像技术，相比于传统叠层成像技术，能够获得更精确的恢复效果，同时抗噪声能力，抗孔径偏移能力均有显著提升。

本发明可通过以下技术措施实现：

1.首先用激光通过成像透镜照射待测样品及其周围部分获取所成像。其中，将待测样品周围部分所成像称为预照明图像，预照明图像信息为已知。

2.保证待测样品位置不变，使激光依次通过空间滤波器和准直透镜进行扩束和准直获得入射平面波。然后利用孔径光阑作为探针，使平面波通过探针照射在待测样品平面上。

3.沿x轴和y轴方向移动带探针的二维机械平移台，依次叠层扫描待测样品及其周围预照明区域，利用图像传感器接收并记录各扫描位置的衍射强度图像。

4.提取步骤1中所成像的预照明信息，并以此作为基准图像，与样品的衍射图像同时带入到基于预照明成像的叠层迭代算法中进行处理。由于预照明部分的信息已知，可以以此作为待测样品图像重建的约束，最终获得待测样品的复振幅图像。

本发明所公开的基于预照明的叠层成像技术，可适用于反射型物体或透射型物体的成像。

上述叠层扫描过程，即将待测样品或探针移动一定距离使入射平面波照射到样品的不同部位，并保证相邻两次平移时照射部分有一定面积的交叠。此外，在叠层扫描时，应在保证交叠率和恢复效率的同时，尽量多的采集样品周围的预照明信息，并以此作为迭代恢复的约束条件提升叠层成像的精度。

本发明所用成像算法为基于预照明的叠层扫描的迭代重建算法，它的具体实现过程为：

(1)在计算机上对样品做初始猜测为O(x，y)。将样品周围预照明信息所成像作为已知条件，代入初始图像中，初始图像变为O_in(x，y)。(初始时i＝1为迭代次数，n＝1为第一个probe)。

(2)物体由照明探针P_n(x，y)照明后传输到CCD面上：

ψ_in(ξ，η)＝FrT_λ，d[P_n(x，y)·O_in(x，y)](1)

(3)将由CCD的拍摄到的光强分布作为约束条件带入到迭代恢复过程中：