CN101482503B - 一种相干衍射成像方法及其处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干衍射成像方法及其处理装置。物波通过一个可旋转的多针孔板，由图像传感器记录下透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射强度分布图样，对衍射强度分布做逆傅立叶变换得到被记录物波的相关函数图样，从该相关函数图样中与各测量针孔中心位置坐标对应的点直接提取出被测物波的振幅和相位信息，在计算机中实现复振幅物体的衍射成像。本方法不需要任何迭代过程，大大减小了对扫描记录过程及定位精度的要求，提高了衍射成像速度，处理装置结构简单，调节方便，成本较低，适用于多种不同光源，可实现复数物体或三维物体的成像，不需要成像透镜，尤其适用于像X射线这类难以制备出高质量成像透镜的场合。

Description

一种相干衍射成像方法及其处理装置

技术领域

本发明涉及一种相干衍射成像技术，特别是一种利用多针孔板实现一般复振幅物体记录和重现的相干衍射成像方法及其处理装置。

背景技术

相干衍射成像是一种利用物波的远场或夫琅和费衍射的强度分布实现复数或三维物体成像的技术。由于可以避免成像透镜孔径和像差对分辨率的限制，这种技术特别适用于像X射线、电子束这类缺乏或很难制备出高质量成像透镜的领域。相干衍射成像技术的关键问题是怎样从一幅或多幅衍射强度图样中准确快速地将被测物波的振幅和相位信息恢复出来。目前，解决这一问题的一个主要途径是采用迭代算法。传统的迭代方法一般都需要较长的迭代时间，迭代结果存在不确定性；对被测物体也存在一些苛刻的限制条件，如物体要特殊固定、要求被测物体是纯振幅物体或纯相位物体，等等。

为了提高相位恢复的准确性和成像速度，近年来人们已经发展了一些改进的衍射成像技术，如超抽样衍射成像技术、分区扫描衍射成像技术等(参见Phys.Rev.Lett.93，023903(2004)；Phys.Rev.Lett.98，034801(2007)；Phys.Rev.Lett.100，155503(2008)；Science 321，379(2008))。但上述技术都不能从根本上避免迭代算法和迭代结果的不确定性。其相位恢复过程都还需要涉及大量的迭代过程；这就意味着用这些方法实现动态或实时成像仍然是比较困难的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术所存在的问题和不足，提供一种基于多针孔板的相干衍射成像方法及其处理装置，它是让被成像物体所发出的物波先通过一个可旋转的多针孔板，然后再用图像传感器记录物波经过多针孔板后的夫琅和费衍射强度分布，最后借助计算机图像处理技术提取出被测物波的振幅和相位分布信息。

本方法完全不需要迭代过程。相位恢复过程也只在一幅衍射强度图像中进行，不涉及多幅图像的交互处理，因此相位恢复过程可以和衍射图样的扫描记录过程同步进行。这样不仅可以大大减小对扫描记录过程及定位精度的要求，而且也可以极大的提高衍射成像速度，从而为真正实现实时相干衍射成像提供了可能。

为了实现本发明方法，必须采用专门设计的衍射成像处理装置。本发明的衍射成像处理装置包括光源、扩束及波面整形器、样品台、被成像物体、多针孔板、步进旋转架、图像传感器和计算机。沿光束前进的方向依次共轴(光轴)排列着光源、扩束及波面整形器、被成像物体、多针孔板和图像传感器。被成像物体放在样品台上。多针孔板固定在可精密步进旋转的步进旋转架上。图像传感器和步进旋转架与计算机相连，通过计算机控制旋转架的定量转动和图像传感器的同步记录。相邻部件之间的距离可调。

本发明的方法为：

(1)由光源发出一单色光，经扩束及波面整形处理后照明被成像物体。透过物体的光波(即物波)传播距离Z1后照射到一个特别设计的多针孔板上。该多针孔板上有一个参考针孔和多个测量针孔。

(2)透过多针孔板的物波继续传播距离Z2到达记录平面，并在该记录平面上形成它的夫琅和费衍射光场。在该记录平面处用一个二维图像传感器(如CCD)记录该夫琅和费衍射光场的强度分布图样。

(3)在计算机中对该夫琅和费衍射强度图样做逆傅里叶变换得到透过多针孔板的物波复振幅的相关函数图样(一般为复变函数)。将该相关函数图样中与多针孔板上各测量针孔的中心位置所对应的点的函数值提取出来，就得到被测物波在各测量针孔处的相对振幅和相位值。

(4)以参考针孔的中心为轴旋转多针孔板，使测量针孔在多针孔板所在平面上扫描。记录不同旋转角度下透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射强度图样，并对记录的每幅衍射强度图样重复步骤(3)，就得到物波在多针孔板所在平面上的复振幅分布的二维抽样阵列。利用该抽样阵列就可以在计算机中重现被成像物体。

上述方法中，步骤(1)中的光源可以是可见光源，也可以是其他相干波源，如紫外光、X射线、电子束等。扩束及波面整形处理单元主要包括扩束器、限制光阑、准直器或会聚器，它们沿光束传播方向依次共轴排列，目的是对从光源发出的光波进行波面整形，以产生后续光路所需要的相干平面波或球面波。步骤(1)中所用多针孔板是通过在一块不透明薄板上制备若干微小针孔形成的。该多针孔板上的针孔包含一个参考针孔和若干个测量针孔。它们在多针孔板上的排列方式满足以下要求：若将两块完全相同的多针孔板重叠放置，当平移其中一块使其参考针孔和另一块的任一测量针孔重叠时，其它针孔都不会发生重叠。多针孔板上的针孔形状可以是圆孔也可以是其它形状的通光孔。针孔的大小取决于传播到多针孔板处的物波的复振幅分布的空间变化情况，一般要求在一个针孔范围内物波的相位变化不大于π/4弧度。当针孔大小一定时，可通过适当选择多针孔板与被成像物体的距离Z1使满足上述条件。

步骤(2)中的记录平面与多针孔板之间的距离Z2满足夫琅和费衍射条件，即记录平面上的衍射光场正比于多针孔板平面上透过多针孔板的物波的傅立叶变换。设透过多针孔板上第m个针孔的物波的复振幅值为

其中A_m为第m个针孔处的物波的振幅，

为第m个针孔处的物波的相位，

为针孔板所在平面上的坐标变量(以参考针孔的中心为坐标原点)，

为第m个针孔中心的坐标，j为虚数，

为第m个针孔的孔径函数；在记录平面上得到的衍射光场的强度分布可表示为：

其中，I₀为积分常数，

为傅立叶变换算符，N为针孔板上测量针孔的数目，m＝0对应参考针孔，为记录平面上的坐标变量。

步骤(3)中对衍射强度图样进行逆傅立叶变换可以通过将该衍射强度图样读入计算中用计算机程序实现，也可以通过专用DSP芯片来完成。由于(2)式描述的物波的夫琅和费衍射的强度分布正比于物波的傅立叶变换函数的模方，对其逆傅立叶变换的结果刚好是该物波的相关函数。一般情况下，从该相关函数中恢复物波的复振幅函数是一项非常困难的任务，要用迭代算法才行。本方法中，由于所记录的衍射强度分布是通过前述的多针孔板后的物波的夫琅和费衍射强度，该相关函数在与任意测量针孔中心位置相对应的点的值刚好正比于透过该针孔的物波复振幅与透过参考针孔的物波的复共轭振幅值的乘积(以参考针孔中心为坐标中心)。因此，本方法不需要任何迭代算法。透过多针孔板的物波复振幅可以直接从衍射强度图样的逆傅立叶变换图样中提取。具体计算过程如下：对(1)式作逆傅立叶变换，得到的相关函数

为

其中，A_n为第n个针孔处的物波的振幅，

为第n个针孔处的物波的相位，

$P_{\mathrm{mn}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\∫\∫\mathrm{circ}(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}-{\stackrel{\→}{r}}_m){\mathrm{circ}}^{*}(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}-{\stackrel{\→}{r}}_n-\stackrel{\→}{r})d\stackrel{\→}{\mathrm{\α}};---\left(3\right)$

其中，

为积分变量，*号为共轭符号。根据(3)式所示的相关运算的几何意义，并考虑到前述针孔板上的针孔分布特点，可知(2)式在坐标矢量 $\stackrel{\→}{r}={\stackrel{\→}{r}}_m$ 处的值就正比于第m个针孔处的物波复振幅值和参考针孔处的物波复共轭值的乘积，即

其中P₀为正比于针孔面积的常数。(4)式表明，由(2)式给出的逆傅立叶变换图样中与各测量针孔中心点相对应的位置上的值刚好就是我们想要得到的透过该针孔的物波的相对复振幅值。

步骤(4)中的可旋转多针孔板是以垂直通过参考针孔中心的直线为旋转轴。这样，在多针孔板的旋转过程中，参考针孔的位置始终保持不变，从而保证了在不同旋转角度下测得的物波复振幅分布的参考点保持一致。

本发明的原理是：被成像物体发出的物波先经过一个可旋转的多针孔板抽样，然后由一个图像传感器记录下透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射的强度分布图样，接着对该衍射强度分布做逆傅立叶变换得到被记录物波的自相关函数，从该自相关函数中与各测量针孔中心位置坐标对应的点就可直接提取出被测物波的振幅和相位信息从而实现复振幅物体的衍射成像。

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)不需要成像透镜。物波的振幅和相位信息是从物波的夫琅和费衍射强度图样中通过简单的算法恢复出来的。

(2)从物波的夫琅和费衍射强度图样中提取物波的振幅和相位信息的过程中不需要任何迭代过程，并且该振幅和相位信息是从该夫琅和费衍射强度的逆傅里叶变换图样中直接提取出来的。

(3)振幅和相位信息的提取过程可以和衍射图样的记录过程同步进行，效率高，速度快，为动态相干衍射成像的实现提供了一条可行的途径。

(4)振幅和相位信息的提取不涉及多幅图样之间的交互处理，这样可以大大降低对记录系统的稳定性和扫描精度的要求。

(5)本发明所采用的多针孔板容易制备，并且特别适用于像X射线这样的难以使用传统成像技术进行成像的波段。

附图说明

图1是本发明的相干衍射成像方法的过程方框图；

图2是本发明的相干衍射成像方法中的多针孔板的第一种设计实例的针孔分布示意图；

图3是本发明的多针孔板的第二种设计实例的针孔分布示意图；

图4是本发明的相干衍射成像处理装置的第一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的相干衍射成像处理装置的第二种实施方式的结构示意图；

图6a是采用本发明的相干衍射成像方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例；

图6b是采用本发明的相干衍射成像方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例；

图6c是采用本发明的相干衍射成像方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例；

图6d是采用本发明的相干衍射成像方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例。

其中，光源1、扩束及波面整形器2、样品台3、样品4、步进旋转支架5、多针孔板6、图像传感器7、计算机8、傅里叶变换透镜9。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图与实施例对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明方法包括如下步骤：(1)由光源发出的一束单色光，经扩束及波面整形处理单元处理形成一束相干平面波(或汇聚球面光)；用该相干平面波(或球面波)照明置于样品台上的被成像物体；(2)透过物体的物波传播一定距离Z1后照射到一个固定在旋转支架上的具有特殊针孔分布的多针孔板上，该多针孔板上的针孔由一个参考针孔和若干个测量针孔构成；(3)透过多针孔板的物波继续传播，在远场(或通过一个傅里叶变换透镜后)形成夫琅和费衍射光场；(4)用一个二维图像传感器(如CCD)记录透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射强度图样；(5)利用图像处理技术对该夫琅和费衍射强度图样作逆傅里叶变换得到透过多针孔板的物波复振幅的相关函数图样；将该相关函数图样中与多针孔板上各测量针孔的中心位置所对应的点的函数值提取出来，就得到透过多针孔板的物波复振幅在各测量针孔处的相对振幅和位相值；(6)以参考针孔的中心为轴旋转多针孔板，使测量针孔在多针孔板所在平面上扫描。记录不同旋转角度下透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射强度图样，并对记录的每幅衍射强度图样重复步骤(5)，就得到物波在多针孔板所在平面上的复振幅分布的二维抽样阵列。利用该抽样阵列就可以在计算机中重现被成像物体。

图2是本发明的多针孔板的一种典型实施方式。该针孔板上的针孔均匀分布在一个半圆环上，针孔中心的间隔不小于针孔直径的1.5倍。位于针孔板中心半圆环一端处的针孔为参考针孔，其他针孔均为测量针孔。将该多针孔板放置在旋转支架上时，要让参考针孔的中心与旋转轴重合。

图3是本发明的方法中所述的多针孔板的第二种实施方式。该多针孔板上的针孔分布在三条互成120度的直线上。位于针孔板中心三直线相交处的针孔为参考针孔，其他针孔均为测量针孔。参考针孔中心与相邻的测量针孔中心间的距离D0不小于针孔直径的1.5倍。其他测量针孔中心的间隔相等，均为D0的两倍。将该多针孔板放置在旋转支架上时，要让参考针孔的中心与旋转轴重合。

图4是本发明的相干衍射成像处理装置的一种典型实施方式。该装置包括光源1、扩束及波面整形器2、样品台3、样品4、步进旋转支架5、多针孔板6、图像传感器7、计算机8。沿光束前进的方向依次共轴(光轴)排列着光源1、扩束及波面整形器2、样品台3、样品4、步进旋转支架5、多针孔板6、图像传感器7。光源1、扩束及波面整形器2之间的相互位置保证由光源1发出的单色光经扩束及波面整形器3后形成一束平面波或球面波。样品(被成像物体)4和多针孔板6之间的相对距离Z1保证照射到多针孔板上的物波在每个针孔通光孔径上的相位变化不大于π/4弧度。而多针孔板6到图像传感器7的感光平面之间的距离Z2保证满足夫琅和费衍射条件，使透过多针孔板6的物波在图像传感器感光平面上的衍射光场正比于该物波的傅里叶变换。步进旋转支架5由计算机8控制的步进驱动器控制。步进旋转支架7和图像传感器8由同一计算机8控制实现多针孔板的旋转与衍射强度图像的同步记录。从所记录的衍射强度图样中提取物波的复振幅信息并成像由根据本发明方法设计的计算机程序完成。

图5是本发明的装置的第二种实施方式，比图4多了一个傅里叶变换透镜9，即在多针孔板6和图像传感器7之间放置傅里叶变换透镜9，图像传感器记录平面位于傅里叶变换透镜9的后焦面上。这样可以使装置紧凑，并且可以通过改变透镜9的焦距方便地放大或缩小传播到传感器记录平面上的夫琅和费衍射强度图样的大小。

图6a-图6d是采用本发明的相干衍射成像方法和装置进行相干衍射成像的一个实验结果实例。实验中，光源采用He-Ne激光，输出光波的波长为0.6328微米；被成像物体为字符“DM”的缩微图片；多针孔板采用图2所示的针孔排列方式。针孔直径为28微米，针孔间隔为56微米。实验装置采用图3所示的第二种实施方式，其中傅里叶变换透镜的焦距为240毫米，图像传感器为CCD数码相机，像素数为1300×1030，像素大小为6.7微米。图6a为用CCD记录的被测物波的夫琅和费衍射强度图样的其中一幅。图6b和图6c分别为利用本发明的方法从所记录的夫琅和费衍射强度图样中恢复出来的物波的振幅和相位分布的二维抽样阵列。图6d为利用图6b和图6c所示的测量数据在计算机中通过数字衍射得到的被测物体的一个重现像。

上述方法及实施例都是通过记录被测物波通过一个多针孔板后的夫琅和费衍射强度图样和通过对该图样的图像处理来达到重现物波的振幅和相位分布的目的。本发明的实施不局限于上述具体实施方案。只要是通过记录被测物波经过上述方法所述的多针孔板后的夫琅和费衍射强度图样来实现重现物波的振幅和相位分布目的的方法、装置与系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种相干衍射成像方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，由光源发出的单色光经光束处理单元进行波面整形后照明被成像物体，透过物体的光波即物波再照射到多针孔板上，所述多针孔板是一块不透明薄板上设置一个参考针孔和多个测量针孔组成；各针孔在多针孔板上的分布满足以下要求：两块完全相同的多针孔板重叠放置，当平移其中一块使其参考针孔和另一块的任一测量针孔重叠时，其它针孔都不会发生重叠；

第二步，用图像传感器记录透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射光场的强度分布图样；记录平面上的衍射光场正比于多针孔板平面上透过多针孔板的物波的傅立叶变换；

第三步，对该夫琅和费衍射强度图样做逆傅里叶变换，将该逆傅里叶变换图样中与多针孔板上各测量针孔的中心位置所对应的点的函数值提取出来，该函数值正比于被测物波在各测量针孔处的复振幅值；

第四步，以参考针孔的中心为轴旋转多针孔板，使测量针孔在多针孔板所在平面上扫描，记录不同旋转角度下透过多针孔板的物波的夫琅和费衍射强度图样，并对记录的每幅衍射强度图样重复步骤三，就得到物波在多针孔板所在平面上的复振幅分布函数的二维抽样阵列，利用该抽样阵列可在计算机中重现被成像物体。

2.如权利要求1所述的相干衍射成像方法，其特征在于，所述步骤一中的光源可以是相干可见光源或紫外光、X射线、电子束及其他相干波源；波面整形后产生后续光路所需要的相干平面波或球面波。

3.如权利要求1所述的相干衍射成像方法，其特征在于，所述多针孔板的针孔的大小满足一个针孔范围内物波的相位变化不大于四分之一波长。

4.如权利要求1或3所述的相干衍射成像方法，其特征在于，所述多针孔板上的针孔均匀分布在一个半圆环上，针孔中心的间隔相等，不小于针孔直径的1.5倍，位于针孔板中心半圆环一端处的针孔为参考针孔，其他针孔均为测量针孔。

5.如权利要求1或3所述的相干衍射成像方法，其特征在于，所述多针孔板上的针孔分布在三条互成120度的直线上，其中位于针孔板中心三直线相交处的针孔为参考针孔，其他针孔均为测量针孔；参考针孔中心与相邻的测量针孔中心的距离D0不小于针孔直径的1.5倍，其他测量针孔中心的间隔相等，均为D0的两倍。

6.一种权利要求1所述相干衍射成像方法使用的相干衍射成像处理装置，其特征在于，它包括光源、放置样品的样品台和图像记录及处理装置，其特征在于，它还包括扩束及波面整形器、多针孔板和步进旋转支架；多针孔板安装在步进旋转支架上，多针孔板上的参考针孔中心与步进旋转支架的旋转中心重合；沿光束前进的方向依次排列光源、扩束及波面整形器、样品、多针孔板和图像记录及处理装置；图像记录及处理装置包括图像传感器，图像传感器置于步进旋转支架之后，并与计算机连接；同时计算机还与步进旋转支架连接。

7.如权利要求6所述的相干衍射成像处理装置，其特征在于，所述样品与多针孔板之间的距离Z1保证照射到多针孔板上的物波在每个针孔通光孔径上的相位变化不大于π/4弧度；所述图像传感器与多针孔板之间的距离Z2满足夫琅和费衍射条件，即图像传感器记录平面上的光场分布正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换。

8.一种权利要求1所述相干衍射成像方法使用的相干衍射成像处理装置，其特征在于，它包括光源、放置样品的样品台和图像记录及处理装置，它还包括扩束及波面整形器、多针孔板和步进旋转支架以及傅里叶变换透镜，多针孔板安装在步进旋转支架上，多针孔板上的参考针孔中心与步进旋转支架的旋转中心重合；沿光束前进的方向依次排列光源、扩束及波面整形器、样品、多针孔板、傅里叶变换透镜和图像记录及处理装置；图像记录及处理装置包括图像传感器，图像传感器置于步进旋转支架之后，并与计算机连接；同时计算机还与步进旋转支架连接。

9.如权利要求8所述的相干衍射成像处理装置，其特征在于，所述样品与多针孔板之间的距离Z1保证照射到多针孔板上的物波在每个针孔通光孔径上的相位变化不大于π/4弧度；所述图像传感器位于傅里叶变换透镜的后焦面上，即图像传感器记录平面上的光场分布正比于透过多针孔板的物波的傅立叶变换。

Images