一种新型三步无透镜相干衍射成像方法与流程

本发明涉及光学衍射成像技术领域，具体涉及一种新型三步无透镜相干衍射成像方法。

背景技术：

无透镜相干衍射成像近年来已经有了许多的发展，该方法技术一般采用迭代算法。从物体的衍射强度图样中重现出物体的复振幅信息而不需要参考光，具有非常宽广的波长适用范围，已经广泛运用于x射线和电子束的无透镜相干衍射成像中。参见(opt.lett.31，3095-3097(2006)；j.opt.soc.am.a25，416-422(2008)；nat.phys.，4，394-398(2008)；appl.opt.21，2758-2769(1982)；j.opt.soc.am.a23，1179-1200(2006))由一束相干光照射样品后，在ccd上接收到由样品产生的衍射图样。为了获得更加精确的振幅与相位信息，通过不断的改变ccd与样品的相对距离以获得更多不同衍射距离的衍射图样。参见(opt.lett.30(8)，833-5(2005))但上这些技术方案，它们有如下技术缺陷：需要获得多个不同距离的衍射面，在实施过程中采取移动样品或ccd的方式来改变距离，这种方法需要不断重复的改变样品或ccd的摆放位置，需要大量的重复工作，与此同时引入了直接影响实验结果的随机误差，所获得采样图样精度不高，且需要过采样，实验操作周期长以及可操作性弱，成像的时效性很差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种新型三步无透镜相干衍射成像方法。本发明提高成了像系统的时效性与可操作性，简化实施操作的步骤，改进需要通过改变ccd或样品的摆放位置来改变它们之间相对距离的方法，克服大量改变相对距离的重复性工作，降低由于实验操作所带的随机误差，避免过采样，能对复振幅型物体做到快速且成像质量好的恢复重建，使具体实验操作简单易实现。

本发明的目的可通过以下技术方案实现，一种新型三步无透镜相干衍射成像的方法，包括以下步骤：

1)搭建三步无透镜相干衍射成像系统的光路，加入待测样品；

2)以一束可见平行光束照射待测样品，利用ccd采集到第一幅衍射图样；

3)在待测样品与ccd之间加入第一块平行平晶，利用ccd采集到第二幅衍射图样；

4)在待测样品与ccd之间加入第二块平行平晶，利用ccd采集到第三幅衍射图样；

5)利用步骤2)～4)得到的三幅不同距离的衍射图样，以相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，对待测样品的图像振幅与相位恢复重建，得到无透镜的相干衍射成像图像；

其中，所述步骤5)中的相干衍射算法与滤波的有效融合的方法，物平面上的初始的复振幅分布为g⁰(x0,y0)任意的复振幅分布。

所述待测样品为纯振幅型，第k+1次迭代后物平面上的复振幅分布如公式(2)所示：

g^(k+1)(x0,y0)＝|g^(k)(x0,y0)|(1)。

所述待测样品为为复振幅型，第k+1次迭代后物平面上的复振幅分布如公式(3)所示：

g^(k+1)(x0,y0)＝g^(k)(x0,y0)(2)。

所述g^(k)(x0,y0)表示第k次迭代获得的物函数的复振幅分布，g^(k)(x0,y0)由公式(4)-公式(14)迭代得到：

式中，frt表示菲涅耳衍射正变换，ifrt表示菲涅耳衍射逆变换，分别为第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代后的复振幅分布，|f1(x1，y1)|²、|f2(x2，y2)|²、|f3(x3，y3)|²分别为在第1、第2、第3衍射平面上实际测得的振幅分布，φ1(x,y)、φ2(x,y)、φ3(x,y)分别表示第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代后的相位分布，g1^(k)'(x1,y1)、g2^(k)'(x2,y2)、g3^(k)'(x3,y3)分别为第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代振幅部分经过校正的复振幅分布。其中(4)-(14)为一个循环，初始k＝0。随着循环次数k的增加，直至输出理想的物体的复振幅重建图样。

所述无透镜相干衍射成像系统的光路，包括氦氖激光器、第一平行平晶和第二平行平晶，氦氖激光器的光源产生激光后，光线经准直扩束系统扩束后，平行光依次经待测样品所处的第一衍射平面、第一平行平晶所处的第二衍射平面、以及第二平行平晶所处的第三衍射平面后，由ccd图像传感器记录成像图像、并将成像图像传输给计算机，计算机对ccd图像传感器记录的成像图像进行处理。

所述氦氖激光器的光源产生波长为632nm的红光。

本发明与现有的技术方案相比存在以下有益效果：

1)将“想要得到多距离衍射面上的不同衍射图样，而需重复的移动ccd或移动待测样品的相对距离”这样的实验操作方式进行了根本的变比，使得实验实施性得到质的提升。

2)通过插入平行平晶来获得不同距离的衍射面上的衍射图样，避免在移动过程所带来的随机误差，实验操作时效性很大幅提升，增强实验的可操作性。

3)在算法中引入了滤波处理，将滤波和相干衍射算法进行了有效的融合，使得在图像恢复过程中，收敛速度与精确度大幅度提升。

4)所述的待测样品，可以为纯振幅或复振幅型样品，且对复振幅样品的恢复效果更具有优势。

由于采取本发明提出的依次加入平行平晶的方法，使得人为引起的随机误差减小，不需要过采样，利用三幅衍射图样，完成对样品的图样的恢复重建，采用本发明的所提出的三步无透镜相干衍射成像系统，大大的简化实验操作步骤。

附图说明

图1是本发明的新型三步无透镜相干衍射成像方法原理图；

图2是本发明的新型三步无透镜相干衍射成像方法的光路原理图；

图3是本发明的无平行平晶时图像采集器ccd接收第一幅衍射图样；

图4是本发明插入一块平行平晶后图像采集器ccd接收第二幅衍射图样；

图5是本发明插入两块平行平晶后图像采集器ccd接收第三幅衍射图样；

图6是本发明对纯振幅型样品的仿真实验系列图；

图7是本发明对复振幅型样品的仿真实验系列图。

图中，1为氦氖激光器；2为准直扩束系统；3为待测样品；4为第一平行平晶；5为第二平行平晶；6为ccd图像传感器；7为计算机。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的具体内容及实施过程，下面将结合说明书附图，对实施新型三步无透镜相干衍射成像方法的具体过程进行详细说明。

参照图1～图5，一种新型三部无透镜相干衍射成像方法的光路系统，包括氦氖激光器、第一平行平晶和第二平行平晶，氦氖激光器的光源产生激光后，光线经准直扩束系统扩束后，平行光依次经待测样品所处的第一衍射平面、第一平行平晶所处的第二衍射平面、以及第二平行平晶所处的第三衍射平面后，由ccd图像传感器记录成像图像、并将成像图像传输给计算机，计算机对ccd图像传感器记录的成像图像进行处理。

参照图2，搭建实验光路图，使用，氦氖激光器波长为632nm的红光，安装准直扩束系统，然后摆放待测样品，分别准备纯振幅型与复振幅型的样品以便在实验中可以形成样品对比，相隔距离z0后摆放ccd图像传感器，并将ccd图像传感器连接至计算机，并且准备实验所需要的两块平行平晶、以便在实验过程中使用。

参照图3，搭建好光路图后，第一步，打开图像采集器ccd采集第一幅样品衍射图样，并保存。

如图4所示，第二步，在与样品的的距离为z1处插入第一块平行平晶，ccd采集第二幅衍射图样，并保存。

如图5所示，第三步，在与平行平晶的距离为z2处插入第二块平行平晶，ccd采集第三幅衍射图样，并保存。按上述过程实施具体的操作步骤，然后利用计算机对采集的到图样进行处理。

本发明实施所使用的算法：设分别为第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代后的复振幅分布，|f1(x1，y1)|²、|f2(x2，y2)|²、|f3(x3，y3)|²分别为在第1、第2、第3衍射平面上实际测得的振幅分布，φ1(x,y)、φ2(x,y)、φ3(x,y)分别表示第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代后的相位分布，g1^(k)'(x1,y1)、g2^(k)'(x2,y2)、g3^(k)'(x3,y3)分别为第1、第2、第3衍射平面上第k次迭代振幅部分经过校正的复振幅分布。其中(4)-(14)为一个循环，初始k＝0。随着循环次数k的增加，直至输出理想的物体的复振幅重建图样：

若物体为纯振幅型，则g^(k+1)(x0,y0)＝|g^(k)(x0,y0)|，若物体为复振幅型，则g^(k+1)(x0,y0)＝g^(k)(x0,y0)。

一束激光经过准直扩束系统后，在探针后面放置待测样品，在与样品有一段距离的位置上安装ccd，然后保持ccd与样品的距离位置不变，分步骤的在ccd与待测样品之间，采用本发明提出的技术方法：依次加入两块平行平晶，在ccd上接收到第一幅，第二幅，第三幅，三幅样品衍射图样，最终实现对样品恢复重建。

实施例1

纯振幅型样品的成像效果如图6所示，图6的系列图中，6a为待测的纯振幅型图样，6b为距离样品300mm处的第1衍射平面上的衍射图样，6c为距离第1衍射平面50mm的第2衍射平面上衍射图样，6d为距离第2衍射平面50mm处的第3衍射平面上衍射图样，6e为三步衍射迭代算法迭代100次的恢复结果。6a和6e的相关系数为0.9991，说明该方法可以对纯振幅物体实现良好的成像效果。

实施例2

复振幅型样品的成像效果如图7所示，图7的系列图中，7a为原复振幅型物体的振幅部分，7b为原复振幅型物体的相位部分，7c为距离物体300mm处的第1衍射平面上衍射图样，7d为距离第1衍射平面50mm处的第2衍射平面上衍射图样，7e为距离第2衍射平面50mm处的第3衍射平面上衍射图样，7f和7g分别为三步相干衍射算法迭代100次重建的振幅部分和相位部分。7a和7f的相关系数为0.9982，7b和7g的相关系数为0.9763。说明该方法可以对复振幅物体实现良好的成像效果。

上述方法和实施例都是通过本发明提出的新型三步无透镜相干衍射成像方法，通过依次插入平行平晶的方法获取不同距离的三幅衍射图样，最终实现对待测样品的振幅和位相信息恢复重建的目的。本发明的实施不局限于上述具体实施方案。只要是通过插入平行平晶获取不同衍射距离的衍射成像方法、装置、和系统，后者采用本发明所提出的恢复算法，均属于发明的保护范围。