专利名称：强度关联衍射成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学衍射成像，特别是一种强度关联衍射成像装置。
背景技术：
常用的傅里叶变换衍射成像是利用一束相干光(通常是平面波)照射在被成像物体上，透过物体的光场传输一段距离(该距离满足夫琅和费条件)后，用一个面探测器(如CCD)接收，就可以得到该物体的包含物体的振幅和位相信息的透过率函数傅里叶变换强度信息，然后利用得到的傅里叶变换强度信息，采用迭代算法恢复被成像物体的振幅或位相信息。这种图像恢复算法局限于纯振幅型物体(位相分布已知)或纯位相型物体(振幅分布已知)，对于复透过率函数的物体无法得到理想的恢复结果。
采用这种成像技术通常需要满足以下几个条件 1.成像光束必须是相干光。
2.成像光束经过物体后必须传输较长的距离(满足夫琅和费条件)或用透镜聚 焦后，才能探测到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息。
3.只有当被测物体的振幅分布或者位相分布为已知时，才能根据傅里叶变换强度信息计算出物体的位相分布或者振幅分布。
但是大多数情况下，物体的透过率函数的振幅信息与位相信息都是无法确定的，因此，这一成像技术的缺陷就是先要根据实际情况推测出物体大致的振幅分布函数，然后根据这一推测的振幅分布函数，通过计算恢复出物体的位相分布函数。如果推测的振幅分布函数和实际情况相差较大，就会降低位相恢复的精度并增加计算所需的时间，而且经常会遇到迭代中收敛停滞的问题而得不到理想结果，因此这种图像恢复方法具有很大的局限性。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种强度关联衍射成像装置，以解决下列技术问题 1、本实用新型不需要相干光源就可以实现衍射成像，解决在某些波段(如X光波段)获得相干光源比较困难的问题。
2、本实用新型不需要经过透镜对光场进行聚焦，就可以在离物体较近的位置(满足傍轴近似条件即可)探测到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息。解决在某些波段(如X光波段)透镜加工比较困难的问题。
3、本实用新型可以同时获得物体振幅信息(不包含位相信息)的傅里叶变换强度和物体的复振幅(包含位相信息)的傅里叶变换强度。以解决当物体振幅与位相分布均不可知的情况下，实现对物体透过率函数恢复的问题。
本实用新型的技术解决方案如下 一种强度关联衍射成像装置，包括一热光源，沿该热光源发射光束的前进方向设有分束器，在该分束器的透射光束方向依次是待测物体和物光路的面探测器，在所述的分束器的反射光束方向是参考光路，光路中设置参考光路的面探测器，所述的物光路面探测器和参考光路面探测器的输出端同时连接执行数据采集和处理的计算机，所述的热光源与物光路面探测器以及参考光路面探测器同时由一个同步信号发生器同步触发控制，所述的参考光路面探测器的探测面与分束器中心的距离d3满足下列关系 d3＝d1+d2 其中d1为分束器中心到待测物体之间的距离； d2为待测物体与物光路面探测器的探测面之间的距离。
所述的物光路面探测器和参考光路面探测器为面阵CCD或者光电二极管阵列。
利用上述强度关联衍射成像装置实现的图像恢复方法，包括下列步骤 (一)按上述强度关联衍射成像装置的要求设置待测物体、物光路面探测器和参考光路面探测器； (二)在同步信号发生器的驱动下，同时驱动热光源和物光路面探测器以及参考光路面探测器，利用物光路面探测器和参考光路面探测器分别同步采集光场在探测面上的强度分布，并存入所述的计算机； (三)利用所述的计算机进行数据处理 ①将物光路探测器面上探测到的不同位置处光的所有时刻强度值的波动与该面上某一固定点处所有时刻的光强度值的波动进行相关运算，得到物光路的自相关强度分布信息； ②将物光路的探测器上某一固定点处所有时刻的光强值的波动与参考光路的探测器上不同位置处的光强度值波动进行相关运算，可以得到物光路和参考光路的互相关强度分布； ③假设物体的位相分布为常数，利用位相恢复迭代算法恢复出被成像物体的振幅分布函数； ④利用第③步恢复的成像物体振幅分布函数，结合第②步的物光路与参考光路互相关强度分布信息，利用迭代算法计算出成像物体的位相分布函数，从而完成对物体的透过率函数的恢复。
本实用新型的技术效果 1、利用强度关联衍射成像装置实现了物体透过率函数的无透镜傅里叶变换。
2、在菲涅尔衍射区得到了非相干光的夫琅和费衍射强度分布。
3、将物体复透过率函数的振幅信息单独提取出来，并得到其傅里叶变换强度分布，对应于自相关强度分布，避免了图像恢复工作中位相信息的影响。
4、同时可以得到物体复透过率函数的傅里叶变换强度信息，对应于互相关强度分布。
5、从自相关强度分布通过常用的迭代算法，实现物体振幅分布的恢复。
6、结合互相关强度分布与恢复的振幅分布，用常用的迭代算法实现物体位相分布的恢复。
7、以两步常用的图像恢复算法，完成了物体复透过率函数的恢复工作，较之现有的此领域中的复透过率物体的恢复算法更为简便快捷。
图1是本实用新型强度关联衍射成像装置实施例的结构框图。
图中1是脉冲式热光源；2是分束器；3为待测物体；4为物光路面探测器CCD1；5为参考光路面探测器CCD2；6是对数据进行采集与处理的计算机；7为同步信号发生器。
图2是待测物体的透过率函数分布图。
图3是经过自相关运算得到的强度分布曲线。
图4是用迭代算法恢复的物体振幅分布曲线。
图5是经过互相关运算得到的强度分布曲线。
图6是用本实用新型方法恢复的物体位相分布图。
图7是振幅恢复迭代算法流程图。
图8是位相恢复迭代算法流程图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
本实用新型的强度关联衍射成像装置如图1所示，包括一热光源1，沿该热光源1发射光束的前进方向设有分束器2，在该分束器2的透射光束方向依次是待测物体3和物光路的面探测器4，在所述的分束器2的反射光束方向是参考光路，该参考光路中置参考光路的面探测器5，所述的物光路面探测器4和参考光路面探测器5的输出端同时连接执行数据采集和处理的计算机6，热光源1与物光路面探测器4以及参考光路面探测器5同时由一个同步信号发生器7同步触发控制，所述的参考光路面探测器5的探测面与分束器2中心的距离d3满足下列关系 d3＝d1+d2 其中d1为分束器2中心到待测物体3之间的距离； d2为待测物体3与物光路面探测器4探测面之间的距离。
在本实例中，所述的物光路面探测器4和参考光路面探测器5为面阵CCD。
热光源1所产生的热光场可用下列方式描述 热光场由复样本空间O＝oejθ来表示，随机变量函数表示该热光源编号为m(m＝0.1.2...)的发光基元所辐射光场的相幅矢量；其中，随机变量om表示该相幅矢量的振幅，θm为位相。该热光源应具有如下性质 振幅o服从参数为σ的瑞利分布
位0相θ服从(-π，π]上的均匀分布
以上两式是模拟热光场的数学模型，也是联合圆形高斯型复随机变量的普遍性质。一般认为代表经典热光源的发光基元热光场的相幅矢量是联合圆形高斯随机变量。
本实用新型强度关联衍射成像装置的应用方法，包括下列步骤 (一)按权利要求1所述的强度关联衍射成像装置的要求设置待测物体3和物光路的面探测器4以及参考光路的面探测器5； (二)在同步信号发生器7的同步信号驱动下，同时驱动热光源1和物光路面探测器4以及参考光路面探测器5，利用物光路面探测器4和参考光路面探测器5同步采集光场在探测面上的强度分布，并存入所述的计算机6； (三)所述的计算机6进行数据处理 ①将物光路探测器面上探测到的不同位置xt处光的所有时刻强度值It(xt)的波动与该面上某一固定点xt′处所有时刻的光强度值It(xt′)的波动进行相关运算ΔG(xt，xt′)≡<ΔIt(xt)ΔIt(xt′)>＝<It(xt)It(xt′)>-<It(xt)><It(xt′)>得到物光路的自相关强度分布信息。该强度分布信息和物体振幅分布之间的关系(见J.Cheng and S.Han，Phys.Rev.Lett.92，093903，2004)可以用如下公式表示 其中xt与xt′为物光路探测面上的位置坐标，t(x)为物体透过率函数，F为函数的傅里叶变换，从上式可以看出，经过自相关得到的强度分布仅与物体透过率函数的振幅分布有关，而与位相分布无关。
②将物光路的探测器上某一固定点xt处所有时刻的光强值It(xt)的波动与参考光路的探测器上不同位置xr处所有时刻的光强度值Ir(xr)的波动进行相关运算，可以得到物光路和参考光路的互相关强度分布。互相关所得强度分布函数与物体透过率函数之间的关系(见J.Cheng and S.Han，Phys.Rev.Lett.92，093903，2004)可以用如下的公式来表示 其中xr为参考光路探测面上的位置，xt为物光路探测面上的位置，F为被成像物体透过率函数的傅里叶变换。从上式可以看出，实际上我们得到的是物体透过率函数的傅里叶变换强度信息。
③根据自相关强度分布，假设物体的位相分布为常数，利用迭代算法(图7)(见J.R.Fienup，Optics Letters.Vol.3，No.1，27-29，1978)恢复出被测物体的振幅分布函数； ④利用第③步恢复的成像物体振幅分布函数，结合第②步所得的物光路与参考光路互相关强度分布信息，利用迭代算法(图8)(见J.R.Fienup，Optics Letters.Vol.3，No.1，27-29，1978)计算出成像物体的位相分布函数，从而完成对物体的透过率函数的恢复。
结合附图进一步说明 热光场经过分束器2分成反射光束和透射光束，其中透射光束传播了一段距离d1后照射在被成像物体3上，其中物体3的复透过率函数如图2所示，振幅在一维方向上为双缝分布(图2上部分)，但是双缝间位相差为π(图2下部分)。经过物体透过率函数调制后的透射光再传输一段距离d2(该距离要满足傍轴近似条件)后，用一个物光路面探测器CCD 4接收，我们把这部分光路称为物光路； 分束器2分出的反射光束，即参考光束传播一段距离d3＝d1+d2后，其强度分布由参考光路探测器CCD 5测得。其中热光源1、物光路面探测器4与参考光路探测器5由同一个信号发生器7同步驱动； 将物光路上探测器4采集的不同位置所有时刻光强度分布与其中某一固定点的强度经过自相关运算，得到自相关强度分布，该自相关强度分布与物体透过率函数振幅的傅里叶变换有关，如图3所示，其中横坐标是物光路面探测器4面上的位置坐标，强度值经过归一化处理。
利用图像恢复迭代算法由自相关强度分布来恢复物体振幅分布函数，其中图像恢复迭代算法流程图如图7所示，最后计算得到的物体振幅分布如图4所示。可以看到，计算得到的物体振幅分布函数非常接近物体的实际振幅分布。
将不同时刻得到的参考光路探测器5上不同位置所有时刻的光强度分布与物光路探测器4上某一点的光强度进行互相关运算，得到物体的透过率函数(包含振幅与位相)的傅里叶变换，如图5所示，其中横坐标是参考光路探测器5面上的位置坐标，所得强度也是经过归一化处理。
综合上一步得到的互相关强度分布(图5)和已恢复的物体的振幅分布函数(图4)，用迭代法计算出物体的位相分布函数，该迭代算法的流程图如图8所示，最后得到的位相分布如图6所示。对于此类物体透过率函数的位相来说重要的是相对位相值，恢复的双缝间位相差平均值为π。从图中可以看出，物体的位相分布函数得到了较为理想的恢复。
综合以上步骤，我们最终完成了物体的透过率函数的恢复工作。
权利要求1.一种强度关联衍射成像装置，其特征在于包括一热光源(1)，沿该热光源(1)发出的光束的前进方向设有分束器(2)，在该分束器(2)的透射光束方向依次是待测物体(3)和物光路面探测器(4)，在所述的分束器(2)的反射光束方向是参考光路，光路中置考光光路面探测器(5)，所述的物光路面探测器(4)和参考光路面探测器(5)的输出端同时连接执行数据采集和处理的计算机(6)，热光源(1)与物光路面探测器(4)以及参考光路面探测器(5)同时由一个同步信号发生器(7)同步触发控制，所述的参考光路面探测器(5)的探测面与分束器(2)中心的距离d3满足下列关系
d3＝d1+d2
其中d1为分束器(2)中心到待测物体(3)之间的距离；
d2为待测物体(3)与物光路面探测器(4)探测面之间的距离。
2.根据权利要求1所述的强度关联衍射成像装置，其特征在于所述的物光路面探测器(4)和参考光路面探测器(5)为面阵CCD或者光电二极管阵列。
专利摘要一种强度关联衍射成像装置，该装置包括一热光源，沿该热光源发射光束的前进方向设有分束器，在该分束器的透射光束方向依次是待测物体和物光路的面探测器，在分束器的反射光束方向是参考光路，光路中设置参考光路的面探测器，物光路面探测器和参考光路面探测器的输出端同时连接执行数据采集和处理的计算机，热光源与物光路面探测器和参考光路面探测器同时由一个同步信号发生器同步触发控制。本实用新型可以实现非相干源的衍射成像，可以在无透镜的情况下在菲涅耳衍射区得到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息，并据此恢复物体的振幅及位相。
文档编号G02B27/00GK201017108SQ20072006696
公开日2008年2月6日 申请日期2007年2月2日 优先权日2007年2月2日
发明者青 魏, 刘永峰, 韩申生, 夏 沈, 张明辉, 刘红林, 静 程 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所