基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法

摘要

一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法，待测光束经过特殊设计的波前调制器后，其衍射光斑具备可分割性，同时波前调制器频谱也具备可分割性，等效为待测光束经过多个不同波前调制器后，得到多个衍射光斑，利用匹配迭代算法，可以快速重建得到待测波前的复振幅分布，最终实现单次曝光下的波前重建和相位成像。

权利要求

1.一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置，其特征在于，其构成包括：待测光束(1)、波前调制器(2)和光斑探测器(3)，其中所述待测光束(1)为相干光或者部分相干光；所述波前调制器(2)为振幅型、相位型或者振幅相位型波前调制板，所述光斑探测器(3)位于所述波前调制器(2)的夫琅和费衍射面上，同时所述波前调制器(2)具备以下特点：根据所述波前调制器(2)频谱强度的分布，可以将其频谱分割出多个能量相近且空间相对独立的子频谱，各个所述子频谱之间在空间上具备一定间断性，在不考虑各个所述子频谱之间的空间平移的条件下，各个所述子频谱之间强度分布各不相同，将各个所述子频谱单独截取出后逆傅里叶变换可得到多个不同的波前调制器，即所述波前调制器(2)具备频谱空间可分割性，通过在频谱空间上的分割可分解出多个复振幅透过率不同的子波前调制器。

2.如权利要求1所述的基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置，其特征在于，所述波前调制器(2)为基于二元光学设计理论得到的振幅型、相位型或者振幅相位型波前调制板。

3.一种用于如权利要求1所述的基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对所述波前调制器(2)的透过率函数H进行傅里叶变换后得到 FFT{}表示傅里叶变换，根据 分布特点分割出n个子频谱 i＝1,2,…n,逆傅里叶变换得到n个‑1

子波前调制器 FFT {}表示逆傅里叶变换；

2)所述待测光束(1)经过所述波前调制器(2)后，通过所述光斑探测器(3)记录一幅衍射光斑I，由于所述光斑探测器(3)位于夫琅和费衍射面上，因此I分布和 强度分布趋势类i

似，根据 的分割方案，对衍射光斑I进行相同的分割，得到n个子衍射光斑I ，i＝1,2,…n；

3)对所述待测光束(1)分布进行初始猜测为G0后，第k次迭代过程描述为以下过程，其中下标表示迭代次数：

1

①计算第一个子波前调制器H ，i＝1，对应的衍射光斑得到 表示从所述波前调制器(2)到所述光斑探测器(3)的衍射过程；

1

②对计算得到的E进行振幅更新，得到 | |表示取振幅，逆传播 到所述波前调制器(2)所在平面，并根据以下公式计算得到更新后的照明光其中*表示共轭，αβ为自选常数，表示逆向传播；

2 2

③将 作为第2个子波前调制器H的照明光猜测，并利用子衍射光斑I ，对应i＝2，重复步骤①‑②，并得到更新后的

④将 作为下一个子波前调制器的照明光猜测重复步骤①‑③，直到n个子衍射光斑，并得到更新后的照明光

⑤计算不考虑分割情况下的衍射光斑误差 其中M为计算矩阵像素个数；

⑥将 作为第k+1次迭代的初始猜测，重复步骤①‑⑤直到RMS变化很小，完成迭代过程，得到所述待测光束(1)的复振幅分布G，将其传播到所需平面，完成波前重建或者实现相位成像过程。

说明书

基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及波前相位恢复，特别是一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法。

背景技术

[0002] 相位信息测量在成像和测量等领域具有极其重要的作用，但由于相位分布目前无法直接测量，因此只能通过间接测量的方式来实现，利用记录的衍射光斑强度信息，相干衍
射成像(CDI，coherent diffractive imaging)(J.M.Rodenburg,"Ptychography 
andRelated Diffractive Imaging Methods,"inAdvances in Imaging and Electron 
Physics,Hawkes,ed.(Elsevier,2008),pp.87‑184.)可以通过迭代计算重建得到丢失的相
位信息，实现对衍射光斑的相位恢复，结合记录得到的强度信息，进而得到波前完整的复振
幅分布，实现波前重建，从而可以利用衍射理论计算得到任意平面的复振幅分布，实现对特
定平面的相位成像。该类方法结构简单，作为一种非透镜成像技术，理论上能够达到衍射极
限分辨率，特别在X射线和电子束成像领域，由于高质量的成像透镜难以加工，传统直接成
像法分辨率受到极大约束，CDI技术由于不需要高质量透镜，因此是一种极为重要的成像技
术，同时在其他波段也具有广泛应用。然而收敛性是CDI算法所面临的关键问题，收敛性差
直接导致成像失败，因此，为实现快速收敛需要增加额外的约束条件，ptychography算法
(H.M.L.Faulkner and J.M.Rodenburg,"MovableAperture Lensless Transmission 
Microscopy:ANovel Phase RetrievalAlgorithm,"Physical Review Letters 93,023903
(2004).)通过将样品在垂直于光轴平面内平移，记录一系列衍射光斑，利用相邻两次平移
时引入的冗余信息，很好地解决了收敛性问题，具有非常高的收敛速度和抗干扰能力，在可
见光、X射线、电子束领域都得到了验证和广泛应用。然而在很多情况下应用条件决定了不
能进行多次扫描，比如对脉冲激光的在线测量，或者对易受X射线损伤的生物样品进行成
像，多次扫描的方式是不适用的，因此单次曝光测量依然具有广泛的需求基础，亟需发展具
备快速收敛能力的单次曝光相位恢复装置和算法。

发明内容

[0003] 本发明针对上述现有技术在单次曝光波前重建和相位成像领域的不足，提出了一种简单有效的单次曝光波前重建装置和算法，利用特定设计波前调制器，实现单次曝光下
的相位恢复，该调制器可以通过频谱分解等效为多个不同的子波前调制器，同时子波前调
制器对应的子衍射光斑也可以有效分割，实现单次曝光下的动态调制作用，通过增加调制
次数增强约束力，实现单次曝光下的波前快速重建。

[0004] 本发明的技术解决方案如下:

[0005] 一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置，特征在于其构成包括：待测光束、波前调制器和光斑探测器，其中待测光束为相干光或者部分相干光；波前调制器
为振幅型、相位型或者振幅相位型波前调制板，光斑探测器位于波前调制器的夫琅和费衍
射面上，同时波前调制器具备以下特点：根据波前调制器频谱强度的分布，可以将其频谱分
割出多个能量相近且空间相对独立的子频谱，各个子频谱之间在空间上具备一定间断性，
在不考虑各个子频谱之间的空间平移的条件下，各个子频谱之间强度分布各不相同，将各
个子频谱单独截取出后逆傅里叶变换可得到多个不同的波前调制器，即波前调制器具备频
谱空间可分割性，通过在频谱空间上的分割可分解出多个复振幅透过率不同的子波前调制
器。

[0006] 所述波前调制器为基于二元光学设计理论得到的振幅型、相位型或者振幅相位型波前调制板。所述的一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像方法，其特征在于
该方法包括以下步骤：

[0007] 1)对波前调制器的透过率函数H进行傅里叶变换后得到 FFT{}表示傅里叶变换，根据 分布特点分割出n个子频谱 i＝1,2,…n,逆傅里叶变换得到n个子
‑1
波前调制器 FFT {}表示逆傅里叶变换。

[0008] 2)待测光束经过波前调制器后，通过光斑探测器记录一幅衍射光斑I，由于光斑探测器位于夫琅和费衍射面上，因此I分布和 强度分布趋势类似，根据 的分割方案，对衍
i
射光斑I进行相同的分割，得到n个子衍射光斑I，i＝1,2,…n。

[0009] 3)对待测光束分布进行初始猜测为G0后，第k次迭代过程描述为以下过程，其中下标表示迭代次数：
1

[0010] ①计算第一个子波前调制器H (i＝1)对应的衍射光斑得到 表示从波前调制器到光斑探测器的衍射过程；

[0011] ②对计算得到的E1进行振幅更新，得到 | |表示取振幅，逆传播到波前调制器所在平面，并根据以下公式计算得到更新后的照明光
其中*表示共轭，αβ为自选常数，
表示逆向传播。

[0012] ③将 作为第2个子波前调制器H2的照明光猜测，并利用子衍射光斑I2(对应i＝2)重复步骤①‑②，并得到更新后的

[0013] ④将 作为下一个子波前调制器的照明光猜测重复步骤①‑③，直到n个自衍射光斑，并得到更新后的照明光

[0014] ⑤计算不考虑分割情况下的衍射光斑误差 其中M为计算矩阵像素个数。

[0015] ⑥将 作为第k+1次迭代的初始猜测，重复步骤①‑⑤直到RMS变化很小，完成迭代过程，得到待测光束的复振幅分布G，将其传播到所需平面，完成波前重建或者实现相位成
像过程。

[0016] 本发明的技术效果：

[0017] 1)本装置结构简单，核心部分只有一片波前调制器和光斑探测器。

[0018] 2)虽然只有一片波前调制器，但由于通过特定光路排布和算法，可以将其分解为多片不同的波前调制器，因此虽然只记录一幅衍射光斑，但由于多个等效波前调制器的强
约束作用，其具备较快的收敛速度，可以实现单次曝光测量。

[0019] 3)利用二元光学的设计思路，本发明描述的波前调制器很容易进行设计和加工，同时具有广泛的灵活性，可设计出纯振幅型、纯相位型，或者振幅相位型。

[0020] 3)作为CDI算法的一种，理论上的同样能够达到衍射极限分辨率，能够延拓到可见光、X射线、电子束以及其他波段和领域中的波前重建和相位重建。

附图说明

[0021] 图1是基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置的结构示意图。

[0022] 图2是实施例1波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0023] 图3是实施例2波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0024] 图4是实施例3波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0025] 图5是实施例4波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0026] 图6是实施例5波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0027] 图7是实施例6波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0028] 图8是实施例7波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0029] 图9是实施例8波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0030] 图10是实施例9波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0031] 图11是实施例10波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0032] 图12是实施例11波前调制器的结构分布、频谱分布示意图。

[0033] 图13是实施例12波前调制器的结构分布及频谱分布示意图。

[0034] 图14是实施例13波前调制器的结构分布、频谱分布示意图和对应衍射光斑分布示意图。

[0035] 图15是实施例13对应的一种单次曝光波前重建光路示意图。

[0036] 图16是一种样品相位成像光路示意图。

[0037] 图17是一种可用于X射线等短波长波段的单次曝光波前重建光路示意图。

[0038] 图中：1‑待测光束，2‑波前调制器，3‑光斑探测器，4‑会聚透镜，5‑入射平行光，6‑待测样品。

具体实施方式

[0039] 实施例1

[0040] 波前调制器的一种设计方案，如图2所示，为纯相位二元波前调制器，振幅透过率为1，相位延迟量为0或者π，最小基元尺寸为1微米×1微米，其频谱分布具备可分割性，可分
割为多个不同的子频谱。

[0041] 实施例2

[0042] 波前调制器的一种设计方案，如图3所示，为纯相位二元波前调制器，振幅透过率为1，相位延迟量为0或者π/4，最小基元尺寸为5微米×5微米，其频谱分布具备可分割性，可
分割为多个不同的子频谱。

[0043] 实施例3

[0044] 波前调制器的一种设计方案，如图4所示，为振幅相位二元波前调制器，振幅透过率为1或0，相位延迟量为0或者π，振幅和相位的最小基元尺寸为2微米×2微米，其频谱分布
具备可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0045] 实施例4

[0046] 波前调制器的一种设计方案，如图5所示，为振幅相位二元波前调制器，振幅透过率为1或0，相位延迟量为0或者π/3，振幅和相位的最小基元尺寸为10微米×10微米，其频谱
分布具备可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0047] 实施例5

[0048] 波前调制器的一种设计方案，如图6所示，为振幅相位二元波前调制器，振幅透过率为1或0，相位延迟量为0或者π/10，振幅和相位的最小基元尺寸为20微米×20微米，其频
谱分布具备可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0049] 实施例6

[0050] 波前调制器的一种设计方案，如图7所示，为振幅相位二元波前调制器，振幅透过率为1或0.1，相位延迟量为0或者π/4，相位和振幅分布有一定对应性，振幅和相位的最小基
元尺寸为0.1微米×0.1微米，其频谱分布具备可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0051] 实施例7

[0052] 波前调制器的一种设计方案，如图8所示，为振幅二元波前调制器，振幅透过率为1或0.5，相位延迟量为常数，振幅分布最小基元尺寸为0.1微米×0.1微米，其频谱分布具备
可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0053] 实施例8

[0054] 波前调制器的一种设计方案，如图9所示，为相位二元波前调制器，振幅透过率为常数，相位分布具备一定随机性，最小基元尺寸为6微米×12微米，相位延迟为0或π，其频谱
分布具备可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0055] 实施例9

[0056] 波前调制器的一种设计方案，如图10所示，为振幅二元波前调制器，振幅透过率为1或0，相位分布为常数，振幅分布最小基元尺寸为3微米×3微米，其分布经过算法优化使得
其频谱具备更加明显的可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0057] 实施例10

[0058] 波前调制器的一种设计方案，如图11所示，为相位二元波前调制器，振幅透过率为常数，相位分布为0或π，相位分布最小基元尺寸为60微米×60微米，其分布经过算法优化使
得其频谱具备更加明显的可分割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0059] 实施例11

[0060] 波前调制器的一种设计方案，如图12所示，为振幅二元波前调制器，振幅透过率随机为1或0，相位分布为常数，振幅分布最小基元尺寸为7微米×7微米，其频谱具备可分割
性，可分割为多个不同的子频谱。

[0061] 实施例12

[0062] 波前调制器的一种设计方案，如图13所示，为相位二元波前调制器，振幅透过率为1，相位分布为0或π，相位分布最小基元尺寸为9微米×9微米，其频谱具备可分割性，可分割
为多个不同的子频谱。

[0063] 实施例13

[0064] 波前调制器的一种设计方案，如图14所示，为振幅二元波前调制器，振幅透过率为1或0，相位分布为常数，振幅分布最小基元尺寸为3.5微米×3.5微米，其频谱分布具备可分
割性，可分割为多个不同的子频谱。

[0065] 将图14所示波前调制器放置于图15所示光路中，入射平行光5经过会聚透镜4会聚后，经过波前调制器2，到达光斑探测器3，其中光斑探测器3放置于会聚透镜4的焦平面上，
即光斑探测器等效位于波前调制器2的夫琅和费衍射面，记录的衍射光斑和波前调制器频
谱分布具有一定对应性，因此可以对其光进行分割。其中入射平行光5为波长632.8nm的相
干平行光，会聚透镜4焦距为100毫米，波前调制器2上的待测光束直径约为2毫米，光斑探测
器的像素尺寸为9微米×9微米。为克服光斑探测器3动态范围有限的缺点，调整曝光时间，
使得所记录的衍射光斑部分饱和，按照如图14所示，将波前调制器2的频谱和光斑探测器3
记录的衍射光斑进行分割，得到标号1‑9的9个子频谱和9个子衍射光斑，将9个子频谱取出
后逆傅里叶变换，即得到9个子衍射光斑对应的9个子波前调制器，具体迭代过程如下：

[0066] 1)对波前调制器的透过率函数H进行傅里叶变换后得到 FFT{}表示傅里叶变换，根据 分布特点分割出n个子频谱 i＝1,2,…9,逆傅里叶变换得到9个子
‑1
波前调制器 FFT {}表示逆傅里叶变换。

[0067] 2)待测光束经过波前调制器后，通过光斑探测器记录一幅衍射光斑I，由于光斑探测器位于夫琅和费衍射面上，因此I分布和 强度分布趋势类似，根据 的分割方案，对衍
i
射光斑I进行相同的分割，得到9个子衍射光斑I，i＝1,2,…9。

[0068] 3)对待测光束分布进行初始猜测为G0后，第k次迭代过程描述为以下过程，其中下标表示迭代次数：

[0069] ①计算第一个子波前调制器H1(i＝1)对应的衍射光斑得到 表示从波前调制器到光斑探测器的衍射过程；

[0070] ②对计算得到的E1进行振幅更新，得到 同时光斑饱和区域不更新，| |表示取振幅，逆传播 到波前调制器所在平面，并根据以下公式计算得到更新后的
照明光 其中*表示共轭，αβ为自选常
数， 表示逆向传播。
2 2

[0071] ③将 作为第2个子波前调制器H 的照明光猜测，并利用子衍射光斑I (对应i＝2)重复步骤①‑②，并得到更新后的

[0072] ④将 作为下一个子波前调制器的照明光猜测重复步骤①‑③，直到9个自衍射光斑，并得到更新后的照明光

[0073] ⑤计算不考虑分割情况下的衍射光斑误差 其中M为计算矩阵像素个数。

[0074] ⑥将 作为第k+1次迭代的初始猜测，重复步骤①‑⑤直到RMS变化很小，完成迭代过程，得到待测光束的复振幅分布G，将其传播到所需平面，完成波前重建或者实现相位成
像过程。

[0075] 实施例14

[0076] 一种典型测量光路，如图16所示，入射平行光5经过会聚透镜4会聚后，依次经过待测样品6和波前调制器2后，到达光斑探测器3，其中光斑探测器3放置于会聚透镜4的焦平面
上，即光斑探测器等效位于波前调制器2的夫琅和费衍射面，记录的衍射光斑和波前调制器
频谱分布具有一定对应性，因此可以对其光进行分割。利用迭代计算重建得到波前调制器2
的照明光复振幅分布后，逆向传播到达待测样品6所在平面，分别测量待测样品6存在和不
存在时的波前分布，两者差值即为待测样品6的复振幅透过率。

[0077] 实施例15

[0078] 一种典型测量光路，如图17所示，待测光束1为准直X射线经过待测样品6的出射光，其经过波前调制器2后，利用位于夫琅和费衍射面的光斑探测器3记录对应衍射光斑，通
过迭代计算后可获得待测光束1的复振幅分布，逆向传播到待测样品6所在平面，即得到待
测样品6的出射波函数。