基于黑色支撑的叠层成像技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于黑色支撑的叠层成像技术，属于叠层成像技术领域。具体涉 及一种在待测样品周围镀漆或放置遮光片，在叠层扫描的同时接收样品周围黑色的振幅信 息，并以此作为叠层恢复的支撑条件。根据基于黑色支撑的叠层迭代算法，获得其复振幅图 像信息的方法。本发明在光学，化学，生物医学等领域均可广泛应用。
【背景技术】
[0002] 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（Acta Crystallogr :A 25,495,1969)。叠层成像技术是一种无透 镜相干衍射成像技术，基本做法是移动样品或探针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，在交叠层衍射分布的约束下，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，恢复收敛速度快，消除了正确解和复共 辄间的二义性，并且在一定程度上能够克服透镜像差的干扰和数值孔径的限制，因此广泛 应用于在X射线、可见光域、电子显微等领域。参见（Ultramicroscopy :27,413,1989)。
[0003] 传统的叠层成像技术，照明光束的位置与理论位置间难免存在微小的偏差，影响 照明范围的精确度，从而影响到重建信息的质量。此外，传统的叠层成像技术，存在随机噪 声和系统噪声的干扰，在扫描样本时为实现更精确的恢复效果，需要提升设备要求，极大的 增加成本。一般来说，成像重建精度越高，实验设施越精密，实现成本越高。本发明技术在 实际叠层成像系统中，可提升恢复精度，加快收敛速度，提升抗系统噪声、抗孔径偏移能力， 节约实现成本，具有重要的实用价值。
【发明内容】
[0004] 本发明通过提出一种基于黑色支撑的方法来解决现有技术中的上述不足。本发明 相比于传统叠层成像技术，具有重建图像精度强，恢复效率高，收敛速度明显提升的优势。 同时抗噪声能力和抗孔径偏移能力均有显著提升，操作简单，实用性强。
[0005] 本发明可通过以下技术措施实现：
[0006] 将氦氖激光器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， 并以孔径光阑作为探针，使所得平面波通过探针照射在待测样品上。随后调节带探针的精 密机械平移台，对带黑色支撑的待测样品分别沿X方向和y方向移动实现叠层扫描，用图像 传感器依次接收并记录各扫描位置的强度图像。在交叠层衍射分布的约束下，利用基于黑 色支撑的叠层迭代算法进行处理，最终获得待测样品的复振幅图像。
[0007] 本发明所公开的基于黑色支撑的叠层成像技术，可适用于反射型物体或透射型物 体的成像。
[0008] 以上所述的黑色支撑，对于透射型物体是指在待测样品周围一定面积上镀漆或放 置遮光片，或在载物台上沿待测样品四周一定面积上镀漆或放置遮光片。当叠层扫描待测 样品时，由于光束无法通过被遮挡部分，在图像传感器中采集的被遮挡部分的振幅图像为 黑色，模拟程序中此部分的振幅信息为零；类似的，对于反射型物体是指在待测样品周围一 定面积上镀黑漆或放置黑色遮光片，或在载物台上沿待测样品边框四周一定面积上镀黑漆 或放置黑色遮光片。在叠层扫描待测样品时，图像传感器中可以采集到样品周围的黑色图 像，此部分在模拟程序中振幅信息为零。
[0009] 上述叠层扫描过程，即移动带支撑待测样品或探针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，该交叠部分作为恢复时的冗 余信息可以提升重建图像的恢复精度。此外在叠层扫描待测样品的过程中，应在保证恢复 效率和交叠率的同时，尽量多的采集样品周围的黑色支撑信息，并以此作为迭代恢复的约 束条件提升叠层成像的精度。
[0010] 本发明所用成像算法为基于黑色支撑的叠层扫描的迭代重建算法，它的具体实现 过程为：
[0011] (1)在计算机上对样品做初始猜测为Oin (X，y)。（初始时i = 1为迭代次数，η = 1为第一个probe)。
[0012] (2)物体由照明探针Pn(X，y)照明后传输到C⑶面上：
[0013] Φ?η(ξ, n) = FrTAjd[Pn(x, y) *0in(x,y)] (I)
[0014] (3)将由CXD的拍摄到的光强分布V7作为约束条件带入到迭代恢复过程中：
[0016] (4)将2式逆衍射回物面：
[0018] 其中FrT1为逆菲涅尔变换的运算符。
[0019] (5)接着更新初始样品猜测0(x，y)，更新公式为：
[0020] Oin (X，y) = Oin (X，y) +U [Oin (X，y) -Pn (X，y) · Oin (X，y) ] (4)
[0021] 其中U为更新系数：
[0023] 其中Pn, _(x，y)表示Pn (X，y)模值的最大值，δ为噪声压缩因子，其值为接近〇 的常数，通常设为0.01。
[0024] (6)完成该更新操作后，代入周围的黑色的支撑信息，令周围范围为0。并移至下 一照明探针P n(x，y) (η = η+1)，重复公式（2)-(5)直到最后一个照明位置。
[0025] (7)持续进行以上迭代过程，即k = k+Ι，直到k的值达到设定的阈值，通常情况下 k = 100已能输出较好地重建结果。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0027] (1)本发明利用采集得到的黑色振幅支撑信息作为约束条件进行叠层迭代恢复， 可实现图像恢复质量的显著提升，同时能够恢复出更多图像细节。
[0028] (2)本发明采用在样本周围镀漆或放置遮光板的方式获得黑色振幅支撑信息，实 验操作简单，实现成本低。相比传统叠层成像用价格昂贵的电动平移台以提升实验效果，本 发明可以以更低的实验成本达到更好的实验效果。
[0029] (3)本发明利用黑色振幅信息做支撑，相比于传统的叠层成像技术，其对抗噪声能 力和对抗孔径位置偏差能力均有明显提升，且收敛速度更快。
[0030] 本发明的技术实施过程和恢复效果可结合以下附图详细说明。
【附图说明】
[0031] 图Ia是本发明中透射型的基于黑色支撑的叠层成像方法的光路结构图。
[0032] 图Ib是本发明中反射型的基于黑色支撑的叠层成像方法的光路结构图。
[0033] 图2a为本实例中模拟实验使用的待测样品的振幅图像，图像像素为256X256。
[0034] 图2b为本实例中模拟实验使用的待测样品的相位信息，图像像素为256X256。
[0035] 图3a为本实例模拟实验中探针扫描待测样品。
[0036] 图3b为本实例模拟实验中图像传感器接收示意图。
[0037] 图4为本实例模拟实验中的叠层扫描示意图。
[0038] 图5a为引入7%随机噪声时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅图 像。
[0039] 图5b为引入7%随机噪声时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位图 像。
[0040] 图5c为引入7%随机噪声时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅收敛曲 线。
[0041] 图5d为引入7%随机噪声时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位收敛曲 线。
[0042] 图6a为引入7%的随机噪声时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测 样品的振幅图像。
[0043] 图6b为引入7%的随机噪声时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测 样品的相位图像。
[0044] 图6c为引入7%随机噪声时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的 振幅收敛曲线。
[0045] 图6d为引入7%随机噪声时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的 相位收敛曲线。
[0046] 图7a为存在3个孔径偏移时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅图 像。
[0047] 图7b为存在3个孔径偏移时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位图 像。
[0048] 图7c为存在3个孔径偏移时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅收敛曲 线。
[0049] 图7d为存在3个孔径偏移时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位收敛曲 线。
[0050] 图8a为存在3孔径偏移时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品 的振幅图像。
[0051] 图8b为存在3孔径偏移时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品 相位图像。
[0052] 图8c为存在3个孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的 振幅收敛曲线。
[0053] 图8d为存在3个孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的 相位收敛曲线。
[0054] 其中，1、氦氖激光器，2、空间滤波器，3、准直透镜，4、孔径光阑，5、二维机械平移平 台，6、待测样品，7、载物台，8、图像传感器(XD，9、计算机，10、分束镜，11、反射镜。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图与实例对本