一种微结构的干涉衍射测量装置及其结构复原方法

本发明涉及一种干涉衍射测量装置及其结构复原方法，尤其涉及一种微结构的干涉衍射测量装置及其结构复原方法。

背景技术：

1、傅里叶变换全息是被广泛应用于复原二维或三维复杂微结构的无透镜成像技术。该方法虽然只需对全息图进行傅里叶变换就可以实现对复杂微结构的快速复原，但存在无法消除的零级斑和共轭像。2014年oren raz等人在optics express期刊上发表了题为direct phase retrieval in double blind fourier holography的论文，他们首次报道了使用double-blind fourier holography(dbfh)方法实现复杂二维结构的复原。此后，ben leshem等人于次年在nature communications期刊上发表的题为direct single-shotphase retrieval from the diffraction pattem of separated objects文章，他们利用傅里叶变换全息技术结合dbfh算法实现了对两个微小物体振幅和相位的同时复原。dbfh方法虽然能够避免零级斑和共轭像的干扰，但算法实现过程相对复杂、耗时。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提出一种微结构的干涉衍射测量装置及其结构复原方法，装置结构简单，操作性强，复原方法简单，易于实现。

2、技术方案：本发明包括相干光源、偏振片、扩束准直系统、第一分束棱镜、衰减片、第一反射镜、微结构产生装置、第二双凸透镜、第二分束棱镜和ccd，由相干光源发出的光经过偏振片和扩束准直系统后，再经过第一分束棱镜分为两路光，一路通过衰减片后被第一反射镜反射形成参考光，另一路到达微结构产生装置形成衍射光，衍射光经过第二双凸透镜后，与参考光在第二分束棱镜合束后发生干涉，第二双凸透镜经过第二分束棱镜后发生平移，将ccd感光面放置在平移后的像面上。

3、所述微结构产生装置采用振幅或相位调制器，包括反射型振幅或相位调制器和透射型振幅或相位调制器。

4、所述微结构产生装置采用反射型振幅或相位调制器时，在微结构产生装置前方的光路上放置第三反射镜和第二反射镜。

5、所述第二双凸透镜将衍射图样成像在透镜像方焦平面上。

6、所述第二分束棱镜导致衍射图样的像面发生平移，平移量δl与第二分束棱镜的折射率n和厚度d有关，即δl＝d(1-1/n)。

7、所述参考光的光强通过调节衰减片降低。

8、一种微结构的干涉衍射测量装置的结构复原方法，包括以下步骤：

9、s1、利用ccd分别采集尺寸已知的标准微结构a0(x1，y1)和待测复杂微结构a(x1，y1)的衍射图样以及衍射光和参考光的干涉图样；

10、s2、从标准微结构a0(x1，y1)的衍射图样获取其衍射光的振幅

11、s3、从标准微结构的干涉图样中获取其衍射光的相位

12、s4、计算标准微结构的傅里叶变换ft{a0(x1，y1)}；

13、s5、计算指数相位因子c(x，y)；

14、s6、从待测微结构a(x1，y1)的衍射图样中获取其衍射光的振幅

15、s7、从待测微结构的干涉图样中获取该结构衍射光的相位

16、s8、对待测微结构的衍射复振幅与指数相位因子的比/c(x，y)进行逆傅里叶变换实现对待测微结构的复原。

17、所述s4的计算过程中采用的微结构图片与干涉或衍射图样具有相同的分辨率，且微结构的傅里叶变换结果和衍射图样在横纵方向上的配准误差均小于1个像素，以得到与ccd采集的衍射或干涉图样对应的标准微结构的傅里叶变换。

18、所述指数相位因子/ft{a0(x1，y1)}，其中，λ为激光波长，f为双凸透镜的焦距。

19、所述标准微结构的衍射光相位的获取方式如下：对标准微结构的干涉图样进行逆傅里叶变换，得到空间分离的标准微结构和参考光的自相关函数和两者的互相关函数或对傅里叶变换得到，其相位是两路光的相位差当参考光垂直入射ccd感光面时，其相位近似为常数此时，标准微结构衍射光的相位为所述待测微结构a(x1，y1)衍射光的相位

20、有益效果：本发明将振幅或相位调制器作为复杂微结构产生装置，将干涉仪作为微结构的干涉衍射测量装置，能够简单地实现对复杂微结构的可控采集以及干涉衍射现象的记录和观测；通过在ccd前放置双凸透镜，并将ccd感光面放置在其焦平面上采集微结构的衍射图样，即可以保留待测微结构的高频信息，也可以简化应用傅里叶全息术获得衍射光复振幅的流程，且只需对衍射复振幅与相位传播因子的比值进行二维逆傅里叶变换即可实现对待测微结构的快速复原，并能消除零级像和共轭像的干扰。

技术特征：

1.一种微结构的干涉衍射测量装置，其特征在于，包括相干光源、偏振片、扩束准直系统、第一分束棱镜、衰减片、第一反射镜、微结构产生装置、第二双凸透镜、第二分束棱镜和ccd，由相干光源发出的光经过偏振片和扩束准直系统后，再经过第一分束棱镜分为两路光，一路通过衰减片后被第一反射镜反射形成参考光，另一路到达微结构产生装置形成衍射光，衍射光经过第二双凸透镜后，与参考光在第二分束棱镜合束后发生干涉，第二双凸透镜的像方焦平面经过第二分束棱镜后发生平移，将ccd感光面放置在平移后的像面上。

2.根据权利要求1所述的一种微结构的干涉衍射测量装置，其特征在于，所述微结构产生装置采用振幅或相位调制器，包括反射型振幅或相位调制器和透射型振幅或相位调制器。

3.根据权利要求2所述的一种微结构的干涉衍射测量装置，其特征在于，所述微结构产生装置采用反射型振幅或相位调制器时，在微结构产生装置前方的光路上放置第三反射镜和第二反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种微结构的干涉衍射测量装置，其特征在于，所述第二双凸透镜将衍射图样成像在透镜像方焦平面上。

5.根据权利要求4所述的一种微结构的干涉衍射测量装置，其特征在于，所述第二分束棱镜导致衍射图样的像面发生平移，平移量δl与第二分束棱镜的折射率n和厚度d有关，即δl＝d(1-1/n)。

6.根据权利要求1所述的一种微结构的干涉衍射测量装置，其特征在于，所述参考光的光强通过调节衰减片降低。

7.一种采用权利要求1～6任一项所述的微结构的干涉衍射测量装置的结构复原方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种微结构的干涉衍射测量装置的结构复原方法，其特征在于，所述s4的计算过程中采用的微结构图片与干涉或衍射图样具有相同的分辨率，且微结构的傅里叶变换结果和衍射图样在横纵方向上的配准误差均小于1个像素。

9.根据权利要求7所述的一种微结构的干涉衍射测量装置的结构复原方法，其特征在于，所述指数相位因子其中，λ为激光波长，f为双凸透镜的焦距。

10.根据权利要求7所述的一种微结构的干涉衍射测量装置的结构复原方法，其特征在于，所述标准微结构的衍射光相位的获取方式如下：对标准微结构的干涉图样进行逆傅里叶变换，得到空间分离的标准微结构和参考光的自相关函数和两者的互相关函数或对傅里叶变换得到其相位是两路光的相位差当参考光垂直入射ccd感光面时，其相位近似为常数此时，标准微结构衍射光的相位为所述待测微结构a(x1,y1)衍射光的相位

技术总结
本发明公开了一种微结构的干涉衍射测量装置及其结构复原方法，包括相干光源，由相干光源发出的光经过偏振片和扩束准直系统后经第一分束棱镜分为两路光，一路通过衰减片后被第一反射镜反射形成参考光，另一路到达微结构产生装置形成衍射光，衍射光经过第二双凸透镜后，与参考光在第二分束棱镜合束后发生干涉，第二双凸透镜的像方焦平面经过第二分束棱镜后发生平移，将CCD感光面放置在平移后的像面上。本发明将振幅或相位调制器作为微结构产生装置，将干涉仪作为微结构的干涉衍射测量装置，能够简单地实现对复杂微结构的可控采集以及干涉衍射现象的记录和观测，且只需对衍射复振幅与相位传播因子的比值进行逆傅里叶变换实现对待测微结构的快速复原。

技术研发人员：荆庆丽,汪园香,窦健泰,喻子曦,鲍柯宇,金忠成,胡友友,赵明琳,刘俊
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24