加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种扫描相干衍射显微成像装置及应用，尤其是一种加纵向分离参照 的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用。
【背景技术】
[0002] 扫描相干衍射成像是一种将传统相干衍射成像技术与ptychography技术相结合 的新型相干衍射成像方法，它的提出解决了传统的相干衍射成像技术要求样品为孤立样 品，成像视场小，重建算法收敛慢、停滞、重建结果不唯一等一系列缺陷。但是对于弱散射的 样品，由于其衍射信号较为微弱，以往的扫描相干衍射成像技术往往无法实现对它们的准 确成像，甚至无法成像。对于弱散射样品，成像结果更易受到成像过程中引入的各种干扰的 影响，这就需要大量的冗余数据保证成像的抗干扰性。另外，由于扫描相干衍射成像过程 中要求相邻探针位置的照射区域有部分重合，这就不可避免地在重建图像中引入了格点伪 影。申请人通过对模拟数据的重建结果研宄发现，由于探针扫描过程中相邻位置的部分重 叠引入的格点噪音是一种乘性噪音，可以将真实的探针在整个扫描区域的累积通量作为矫 正系数矩阵对重建结果进行矫正。但由于探针与目标样品的波前函数在核心重建公式中的 互易关系，造成重建出的探针同样具有与目标样品相类似的伪影图形，失真的探针信息无 法用来产生矫正系数矩阵。由于相位恢复算法无法克服的自限性，矫正系数矩阵与待矫正 的目标样品重建图像的对准问题同样难以解决。经检索，相关扫描相干衍射显微成像装置 及应用，尤其是一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用还未见 报道。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种加纵向分离参照的多重级 联扫描相干衍射显微成像装置及应用。
[0004] 本发明所述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，沿光束前 进方向依次共轴排列有相干光光源----激光光源、由光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑和 长焦会聚透镜组成的激光光源光束优化组件、限光微孔、由精密电机控制可在垂直光轴平 面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、CCD图像传感器，和连接CCD图像传感器的计 算机；其中，所述光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜、限光微孔固定在装置设 定的磁力座上，（XD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进 架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；
[0005] 或者，本发明所述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置沿光 束前进方向依次共轴排列有相干光光源一同步辐射相干光源、限光微孔、由精密电机控 制可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、C⑶图像传感器，和连接 CCD图像传感器的计算机；其中，所述限光微孔固定在装置设定的磁力座上，CCD图像传感 器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能 沿光轴方向前后移动的步进架上；
[0006] 其特征在于：
[0007] 当装置中相干光光源为激光光源时，所述装置在限光微孔与目标样品台之间设置 有由精密步进电机控制且可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台； 所述光强衰减片选择调节光强与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配且衰减倍数为10 倍?1000倍的光强衰减片；所述短焦会聚透镜和长焦会聚透镜焦点重合，短焦会聚透镜的 焦距为10mm?200mm，长焦会聚透镜的焦距为220mm?3000mm，两透镜按焦距的比例拓展 光束；所述光阑位于短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上；所述限光微孔位于长焦会聚 透镜后的任意距离，其孔径为〇?Olum?500um;所述参照样品台位于限光微孔后0? 01mm? 5mm;所述目标样品台位于参照样品台后0?Olum?500um;所述C⑶图像传感器位于目标样 品台后lcm?200cm;
[0008] 当装置中相干光光源为同步辐射相干光源时，所述装置在限光微孔与目标样品台 之间设置有由精密步进电机控制且可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的参照 样品台；所述限光微孔孔径为〇?Olum?500um;所述参照样品台位于限光微孔后0? 01mm? 5mm;所述目标样品台位于参照样品台后0?Olum?500um;所述C⑶图像传感器位于目标样 品台后lcm?200cm;
[0009] 上述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置中，优选的实施方 式是：
[0010] 当装置中相干光光源为激光光源时，所述光强衰减片选择调节光强与CCD图像传 感器的动态感光范围相匹配且衰减倍数为80倍?150倍的光强衰减片；所述短焦会聚透 镜和长焦会聚透镜焦点重合，短焦会聚透镜的焦距为40mm?80mm，长焦会聚透镜的焦距为 400mm?800mm，两透镜按焦距的比例拓展光束；所述光阑位于短焦会聚透镜和长焦会聚透 镜的焦点上；所述限光微孔位于长焦会聚透镜后的任意距离，其孔径为〇?Olum?300um; 所述参照样品台位于限光微孔后〇. 6mm?2mm;所述目标样品台位于参照样品台后10um? 400um;所述(XD图像传感器位于目标样品台后5cm?150cm;
[0011] 当装置中相干光光源为同步辐射相干光源时，所述限光微孔孔径为〇.Olum? 300um;所述参照样品台位于限光微孔后0? 6mm?2mm;所述目标样品台位于参照样品台后 10um?400um;所述CO)图像传感器位于目标样品台后5cm?150cm〇
[0012] 本发明所述加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置的应用，步骤 是：
[0013] 第一步：部署一套相干光光源为激光光源的加纵向分离参照的多重级联扫描相干 衍射显微成像装置，包括：激光光源，由光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜组 成的激光光源光束优化组件，限光微孔，参照样品台，目标样品台，CCD图像传感器和连接 CCD图像传感器的计算机；按权利要求1所述参数调整它们的位置，并使它们依次沿光轴共 轴排列；
[0014] 第二步：扩束，准直和净化光束，方法如下：
[0015] 选择衰减倍数为10倍?1000倍的光强衰减片；选择焦距为10mm?200mm的短焦 会聚透镜，焦距为220mm?3000mm的长焦会聚透镜，调整两个透镜的距离，使两个透镜的焦 点重合；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上，消除光路的杂散光，得到净化光 束；
[0016] 或者，
[0017] 第一步：部署一套相干光光源为同步辐射相干光源的加纵向分离参照的多重级联 扫描相干衍射显微成像装置，包括：同步辐射相干光源，限光微孔，参照样品台，目标样品 台，CCD图像传感器和连接CCD图像传感器的计算机；按权利要求1所述参数调整它们的位 置，并使它们依次沿光轴共轴排列；
[0018] 第二步：以同步辐射相干光源的出射光为净化光束；
[0019] 第三步：调节限光微孔，产生探针光斑，方法如下：
[0020] 在光路中放入孔径为0?Olum?500um的限光微孔，在垂直光轴平面上微调微孔 位置，只允许经第二步优化后的平面波波前强度较均匀的微小区域通过微孔，作为扫描探 针；
[0021] 第四步：进行级联式扫描，采集衍射信号，方法如下：
[0022] 将参照样品台置于限光微孔后0? 01mm?5mm处，利用一组精密步进电机控制参 照样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选0.Olum? 300um以保证相邻探测区域间有30%以上的重叠，视样品待测区域的大小可随意增加扫描 步数，步数设定为nl，以保证覆盖整个样品待测区域即该参照样品的全部区域划分为了nl 个扫描探测区；将目标样品台置于参照样品台后〇?Olum?500um处，同样利用一组精密步 进电机控制目标样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长 选0?Olum?300um以保证相邻探测区域间有30%以上的重叠，视目标样品待测区域的大 小可随意增加扫描步数，步数设定为n2,以保证覆盖整个目标样品待测区域即该目标样品 的全部区域划分为了n2个扫描探测区；采集衍射信号时，移动目标样品台，使目标样品面 对扫描探针；移动参照样品台，使参照样品的nl个扫描探测区中的某一局部区域面对扫描 探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透 射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射 图样为全部nl组衍射图样中的第1组；然后继续移动参照样品台，使参照样品未被扫描的 其它某一局部区域按设定顺序依次面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位 置，依然将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目 标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部nl组衍射图样中的第2组； 如此重复上述移动参照样品台后的步骤，直至参照样品的第nl个扫描探测区被扫描探针 光斑覆盖过，并完成依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样 为全部nl组衍射图样中的第nl组；至此获得每组包含n2张衍射图样的全部nl组的衍射 图样，总计为nlXn2幅完全独立的衍射图样；
[0023] 第五步：将第四步获得完全独立的衍射图