[发明专利]一种相干衍射成像方法及其处理装置

说明书

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。