一种宽光谱部分相干衍射计算成像方法及系统

本发明属于相干衍射计算成像，更具体地，涉及一种宽光谱部分相干衍射计算成像方法及系统。

背景技术：

1、相干衍射成像是生物成像和微纳测量领域中较为先进的一种无透镜计算成像技术。现有相干衍射成像系统主要采用相干光源汇聚入射到样品表面形成微光斑，经样品透射或反射后产生相干衍射，传播至远场被探测器捕获衍射光强，经由相位恢复计算成像算法重构出样品的复振幅函数。为了满足照明光源高相干性的要求，通常要对入射光进行单色光谱调制，如添加带通滤光片等，使得光源的光子利用效率大大降低。采用宽光谱光源能增强整个光谱范围内的光子利用效率，然而光谱拓宽自然地引入了衍射混叠导致的退相干现象，进而阻碍相干衍射成像的成功收敛。

2、近年以来，宽光谱部分相干衍射计算成像技术呈现出一些新型算法，如混合态多波长光谱分解等，此方法采用对输入光谱离散化分解，然后使用复杂算法遍历整个离散光谱，迭代求算出各个光谱分量下的能量权重。这些解决方案面临着几个难以克服的挑战，包括复杂的迭代计算过程，需要遍历完整光谱中的密集波长通道，需要准确的光谱测量作为输入，对非色散样本在整个光谱范围内有严格的约束，以及解决方案在带宽限制内收敛的要求才能有效。这些问题严重阻碍了宽光谱部分相干衍射计算成像技术的进展。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种宽光谱部分相干衍射计算成像方法及系统，旨在解决现有的相干衍射成像技术对光源相干性要求高、宽光谱部分相干衍射方法光谱带宽受限以及算法求解复杂度高的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种宽光谱部分相干衍射计算成像方法，包括以下步骤：

3、将宽光谱光束入射至待测样品，根据单色光束对应衍射光谱点扩散传输矩阵和待测样品下夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布，建立宽光谱衍射图像单色化矩阵方程，求出单色化衍射光强分布；

4、将单色化衍射光强分布代入相干衍射计算成像算法中，输出相干衍射计算成像的重构结果；

5、其中，单色光束对应衍射光谱点扩散传输矩阵的获取方法为：

6、将宽光谱光束经入射光路入射至基准样品，获取基准样品下夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布；其中，基准样品与待测样品的光学材料相同；

7、使用带通滤光片将宽光谱光束单色滤波调制至单色光束，单色光束经入射光路入射至基准样品，获取基准样品下夫琅禾费衍射远场单色光束相干衍射光强分布；

8、通过联立基准样品下的夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布和单色光束相干衍射光强分布，建立宽光谱衍射多元线性回归模型求解离散光谱能量密度；

9、根据离散光谱能量密度建立单色光束对应的衍射光谱点扩散传输矩阵。

10、进一步优选地，入射光路的入射形式为：使用光阑器件将宽光谱光束截断成光斑入射至基准样品或者待测样品；

11、或采用聚焦镜将宽光谱光束汇聚成光斑入射至基准样品或待测样品。

12、进一步优选地，宽光谱衍射多元线性回归模型为：

13、b0＝ωt·xλ+b

14、

15、其中，为基准样品在波长矩阵λ＝[λ0,λ1,λ2,…,λn]单色相干光束入射条件下的衍射光强分布矩阵；ω表示对应离散波长λ位置的光谱权重；b为系统噪声误差分量，at为线性变换传递函数，缩放变换系数为λc为单色光束波长；mc为夫琅禾费衍射远场单色光束相干衍射光强分布；b0为夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布；λ0,λ1,λ2,…,λn为宽光谱光束的光谱离散波长。

16、进一步优选地，宽光谱衍射图像单色化矩阵方程为ctb＝ctcm；其中，c为单色光束对应衍射光谱点扩散传输矩阵；b为待测样品下宽光谱部分相干衍射光强分布；m为单色化衍射光强分布。

17、进一步优选地，相干衍射计算成像算法包括相干衍射成像算法、叠层衍射成像算法、傅里叶叠层算法和计算全息成像算法。

18、进一步优选地，宽光谱光束的光谱带宽范围为从极紫外波段到远红外波段。

19、另一方面，本发明提供了一种宽光谱部分相干衍射计算成像系统，包括：

20、单色化衍射光强分布的计算模块，用于将宽光谱光束入射至待测样品，根据单色光束对应衍射光谱点扩散传输矩阵和待测样品下夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布，建立宽光谱衍射图像单色化矩阵方程，求出单色化衍射光强分布；

21、相干衍射计算成像的重构模块，用于将单色化衍射光强分布代入相干衍射计算成像算法中，输出相干衍射计算成像的重构结果；

22、宽光谱部分相干衍射光强分布的获取模块，用于将宽光谱光束经入射光路入射至基准样品，获取基准样品下夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布；其中，基准样品与待测样品的光学材料相同；

23、单色光束相干衍射光强分布的获取模块，用于使用带通滤光片将宽光谱光束单色滤波调制至单色光束，单色光束经入射光路入射至基准样品，获取基准样品下夫琅禾费衍射远场单色光束相干衍射光强分布；

24、离散光谱能量密度的求算模块，用于通过联立基准样品下的夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布和单色光束相干衍射光强分布，建立宽光谱衍射多元线性回归模型求解离散光谱能量密度；

25、衍射光谱点扩散传输矩阵的建立模块，用于根据离散光谱能量密度建立单色光束对应的衍射光谱点扩散传输矩阵。

26、进一步优选地，入射光路的入射形式为：使用光阑器件将宽光谱光束截断成微光斑入射至基准样品或者待测样品；

27、或采用聚焦镜将宽光谱光束汇聚至基准样品或待测样品。

28、进一步优选地，宽光谱衍射多元线性回归模型为：

29、b0＝ωt·xλ+b

30、

31、其中，为基准样品在波长矩阵λ＝[λ0,λ1,λ2,…,λn]单色相干光束入射条件下的衍射光强分布矩阵；ω表示对应离散波长λ位置的光谱权重；b为系统噪声误差分量，at为线性变换传递函数，缩放变换系数为λc为单色光束波长；mc为夫琅禾费衍射远场单色光束相干衍射光强分布；b0为夫琅禾费衍射远场宽光谱部分相干衍射光强分布；λ0,λ1,λ2,…,λn为宽光谱光束的光谱离散波长。

32、进一步优选地，宽光谱衍射图像单色化矩阵方程为ctb＝ctcm；其中，c为单色光束对应衍射光谱点扩散传输矩阵；b为待测样品下宽光谱部分相干衍射光强分布；m为单色化衍射光强分布。

33、进一步优选地，相干衍射计算成像算法包括相干衍射成像算法、叠层衍射成像算法、傅里叶叠层算法和计算全息成像算法。

34、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

35、本发明提供了一种宽光谱部分相干衍射计算成像方法及系统，其中，通过利用部分相干宽光谱衍射光强多元线性回归模型求解宽光谱能量密度函数，再使用宽光谱衍射光强单色化算法对部分相干衍射图像进行单色化，抑制宽光谱衍射带来的退相干现象，提升宽光谱部分相干衍射计算成像质量和收敛鲁棒性。

36、本发明提供了一种宽光谱部分相干衍射计算成像方法及系统，全面解决了当前最先进的宽带衍射成像的关键挑战和局限性，实现了无先验超宽光谱部分相干衍射成像。通过对宽光谱衍射数据单色化求解，极大提升了超宽光谱部分相干衍射信号的相干性，实现全光谱带宽内的所有光子能量的利用率。与现有相干衍射成像技术相比，本发明提出的方法光子能量利用效率提升了至少两个数量级，从而极大降低了对光源功率的要求，且显著减少了数据采集时间。此外，本发明提供的方法无需先验光谱信息，且克服了对色散样品的约束限制。因此，本发明提供的方法在任何宽带波长范围都有基本适用性，特别适用于euv光刻缺陷检测和软x射线无透镜成像范围的应用。