透射型光學元件分層相位成像的裝置和方法
【專利摘要】一種透射型元件分層相位成像的裝置和方法，該裝置由相干光源、擴束器、會聚透鏡、待測光學元件、二維電動平移臺、探測器和計算機組成，本發明相干光源發出的準平行光經過會聚透鏡后形成的會聚球面波作為待測光學元件的照明光，在計算機的控制下驅動二維電動平移臺移動待測光學元件，并在待測光學元件后一定距離處用探測器記錄待測光學元件在不同位置時的衍射光斑，通過計算機處理獲得待測光學元件各層的復振幅透過率函數及各層的相位。而且測量過程中不會對光學元件的結構造成任何破壞。
【專利說明】透射型光學元件分層相位成像的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多層結構的光學元件。特別是一種透射型光學元件分層相位成像的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]與采用干涉技術來實現相位成像的典型代表‘全息’(holography)相對應,在非干涉相位成像領域也存在一個對應的測量方法，叫‘ptychography’。其基本思路在1970年前后由Hoppe等人提出，后經Fienup等人的完善逐步發展起來(參見J.R.Fienup.Phaseretrieval algorithms: a comparison[J], Appl.0pt., 1982, 21 (15):
[0003]2758?2769)。該方法是用所記錄的物體透射光遠場強度譜，通過頻譜面和物面之間的反復疊代運算，將物面上收斂的計算結果作為物體的實際分布，從而得到物體的相位信息。
[0004]2004 年 John Rodenburg 提出 Ptychographic Iterative Engine (PIE),(參JAL J.Μ.Rodenburg and Η.M.L.Faulkner, A phase retrieval algorithm for shiftingillumination [J], Appl.Phys.Lett., 2004, 85(20):4795 ?4797)。激光經過小孔后形成的發散光對樣品進行掃描，同時記錄一系列的散射斑強度In(x，y)。進行相位恢復時先給被測量物體一個任意的初始猜想值，并計算此猜想物體的透射光場和其傅立葉變換，進而將此頻譜的振幅用所記錄到的強度的平方根代替而保留其相位不變，再作反變換并更新待測物體的復振幅，如此反復將在所有照明位置記錄的頻譜按順進行疊代運算。
[0005]2009 年，Maiden 等提出了 Extended-PIE (ePIE)算法(參見 Andrew M.Maiden andJohn M.Rodenburg, An improved ptychographical phase retrieval algorithm fordiffractive imaging, Ultramicroscopy, 2009, 109:1256 ~ 1262)。ePIE 作為一種改進的PIE算法，在樣品上照明光未知的情況下分別賦予樣品和照明光初始猜測值，在迭代運算過程中對樣品和照明光同時更新，同時恢復照明光和樣品分布。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是在ePIE算法的基礎上，提出一種透射型光學元件分層相位成像的裝置和方法，本發明相干光源發出的準平行光經過會聚透鏡后形成的會聚球面波作為待測光學元件的照明光，在計算機的控制下驅動二維電動平移臺移動待測光學元件，并在待測光學元件后一定距離處用探測器記錄待測光學元件在不同位置時的衍射光斑，通過計算機處理獲得待測光學元件各層的復振幅透過率函數及各層的相位。而且測量過程中不會對光學元件的結構造成任何破壞。
[0007]本發明的技術解決方案如下:
[0008]一種透射型光學元件分層相位成像的裝置，其特點在于:該裝置由相干光源、擴束器、會聚透鏡、待測光學元件、二維電動平移臺、探測器和計算機組成，上述元件的位置關系如下:[0009]沿相干光源發出的波長為λ的光依次經過擴束器、會聚透鏡后變為球面波，該球面波照射待測光學元件，所述的待測光學元件置于二維電動平移臺上并在垂直于光路方向進行逐行逐列掃描，所述的探測器記錄照明光經過待測光學元件后的衍射光斑分布，所述的探測器輸出端與所述的計算機的輸入端相連，計算機的輸出端與所述的二維電動平移臺的控制端相連。
[0010]利用上述裝置對具有多層結構的透射型光學元件實現分層相位成像的方法，其特點在于該方法包括下列步驟:
[0011]①將待測光學元件置于二維電動平移臺上并使之與入射光束垂直，待測光學元件
具有多層結構，沿光束傳播方向，依次定義為層1、層2、層3......層N-ι、層N,層I與層2之
間的距離為Z1，層2與層3之間的距離為Z2,以此類推，層N-1與層N之間的距離為Zim，待測光學元件最后一層距離所述的探測器的距離為ZN，層I與所述的會聚透鏡(3)的焦距之間的距離為Ztl ；
[0012]②所述的計算機控制所述的二維電動平移臺使所述的具有多層結構的待測光學元件在垂直于光束傳播方向的平面內進行逐行逐列掃描，步長為1，相鄰兩個掃描位置處透光部分必須有重疊，重疊面積最好為光斑的三分之二，待測光學元件的移動的位置由P行q列的矩陣表示，在掃描過程中，當所述的待測光學元件處于i行j列時，所述的探測器記錄衍射光斑的光強分布為Iu，其中i為I~P的正整數，j為I~q的正整數，P, q分別表示待測光學元件掃描矩陣的總行數和總列數，Iiij以m行η列矩陣形式存儲在計算機中，掃描后的光斑全部記錄完成后，得到一組光斑數據I1,P Ιι;2>...IijJ,..Ip,q ;
[0013]③利用光斑數據 進行相位處理的步驟:
[0014]計算機首先對待測光學元件每一層的透過率函數，包括振幅透過率和相位改變量提供一個隨機的猜測值作為初始值:
[0015]obj1=obj2...=ob j3=E*exp (i*rand (a, b)*2 π )，
[0016]其中:E為振幅，rand (a, b)為產生a行b列的隨機矩陣，a=m+(p_l)*l,b=n+(q_l)*l,其中m、n分別為光斑矩陣的行、列，P、q分別分別為掃描矩陣的行、列，I為掃描步長；沿光束傳播方向待測光學元件第一層(元件表面)處的照明光為Hlu1，提供一個猜測值作為初始值:
【權利要求】
1.一種透射型光學元件分層相位成像的裝置，其特征在于:該裝置由相干光源(I)、擴束器(2)、會聚透鏡(3)、待測光學元件(4)、二維電動平移臺(5)、探測器(6)、計算機(7)組成，上述元件的位置關系如下: 沿相干光源(I)發出的波長為λ的光依次經過擴束器(2)、會聚透鏡(3)后變為球面波，球面波照射待測光學元件(4)，所述的待測光學元件(4)置于二維電動平移臺(5)上并在垂直于光路方向進行逐行逐列掃描，所述的探測器(6)記錄照明光經過待測光學元件后的衍射光斑分布，所述的探測器(6)輸出端與所述的計算機(7)的輸入端相連，計算機(7)的輸出端與所述的二維電動平移臺(5)的控制端相連。
2.利用權利要求1所述的裝置對具有多層結構的透射型光學元件實現分層相位成像的方法，其特征在于該方法包括下列步驟: ①將待測光學元件(4)置于二維電動平移臺(5)上并使之與入射光束垂直，待測光學兀件具有多層結構，沿光束傳播方向，依次定義為層1、層2、層3......層N-1、層N,層I與層2之間的距離為Z1，層2與層3之間的距離為Z2,以此類推，層N-1與層N之間的距離為ΖΝ_1;待測光學元件最后一層距離所述的探測器的距離為ΖΝ，層I與所述的會聚透鏡(3)的焦距之間的距離為Ztl ； ②所述的計算機(7)控制所述的二維電動平移臺(5)使所述的具有多層結構的待測光學元件(4)在垂直于光束傳播方向的平面內進行逐行逐列掃描，步長為1，相鄰兩個掃描位置處透光部分必須有重疊，重疊面積最好為光斑的三分之二，待測光學元件(4)的移動的位置由P行q列的矩陣表示，在掃描過程中，當所述的待測光學元件(4)處于i行j列時，所述的探測器(6)記錄衍射光斑的光強分布為Iu，其中i為I~P的正整數，j為I~q的正整數，P，q分別表示待測光學元件(4)掃描矩陣的總行數和總列數，Iiij以m行η列矩陣形式存儲在計算機(7)中，掃描后的光斑全部記錄完成后，得到一組光斑數據I1J工1, 2，...1 i, j，..1p, q ; ③利用光斑數據進行相位處理的步驟: 計算機(7)首先對待測光學元件每一層的透過率函數，包括振幅透過率和相位改變量提供一個隨機的猜測值作為初始值:
obj1=obj2...=Obj3=E氺exp (i氺rand (a, b)氺2 π ), 其中:E為振幅，rand (a, b)為產生a行b列的隨機矩陣，a=m+(p_l)*l, b=n+(q_l)*l,其中m、η分別為光斑矩陣的行、列，P、q分別分別為掃描矩陣的行、列，I為掃描步長；沿光束傳播方向待測光學元件第一層(元件表面)處的照明光為Hlu1，提供一個猜測值作為初始值:
【文檔編號】G01M11/00GK103837325SQ201410064172
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】王海燕, 劉誠, 潘興臣, 孫美智, 程君, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所
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