[发明专利]一种解析的双波长相位解耦方法

说明书

本发明涉及相干衍射成像，具体涉及一种解析的双波长相位解耦方法，用于解决现有相位解耦方法或是由于扫描技术导致测量系统的复杂性增加和测量速度降低，或是由于灌注技术导致样品的原始状态被破坏的不足之处。该解析的双波长相位解耦方法不再使用扫描技术或者灌注技术，而是使用成像探测器记录不同波长下的衍射图像的强度信息，通过设计算法求解高阶方程组，从而获得了样品的折射率分布和厚度分布。

技术领域

本发明涉及相干衍射成像，具体涉及一种解析的双波长相位解耦方法。

背景技术

相干衍射成像(CDI)是一种通过记录强度信息，并利用相位耦合技术重构出样品的无透镜成像方法，近年来得到了较快的发展，可广泛应用于纳米尺度生物材料结构测量、集成电路芯片结构和表面形貌无损测量等领域(Science,2015,348,530–535；Optica,2015,3,827–835)。

在光学和测量中，物体的厚度分布反映了光场的边界条件，折射率分布决定了介质的分布；根据麦克斯韦方程，只有在确定边界条件和介电常数分布的情况下，才能唯一地确定电磁场。传统的相干衍射技术只能给出厚度信息和折射率信息的耦合形式，导致无法获得样品完整的电磁信息。为了获得样品完整的电磁信息来准确地控制光场，需要对光程差中的厚度信息和折射率信息进行解耦。因此，如何将厚度信息和折射率信息解耦是光学中的一个关键问题。

近年来，要将厚度信息和折射率信息解耦，主要有两种方法。一是将定量相位显微镜与其他显微技术相结合，如共焦显微镜，层析相位显微镜以及衍射相位显微镜(Photonics,2021,8(5),170；Optics Letters,2006,31,178-180；Optics Letters,2014,39(10),2908–2911)；然而由于这些技术都需要对样品进行轴向扫描或照明扫描，这增加了测量系统的复杂性，降低了测量速度。二是在样品周围用不同的灌注介质采集两幅相位图像(Optics Express,2005,13(23),9361–9373)；虽然可以利用适当的解耦算法获得厚度信息和折射率信息，但是样品周围介质的改变会破坏样品的原始状态。

发明内容

本发明的目的是解决现有相位解耦方法或是由于扫描技术导致测量系统的复杂性增加和测量速度降低，或是由于灌注技术导致样品的原始状态被破坏的不足之处，而提供一种解析的双波长相位解耦方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种解析的双波长相位解耦方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤(1)：分别启动第一光源、第二光源，使两个光源出射的不同波长激光沿主光路垂直入射到样品同一位置，CCD图像传感器采集到两幅衍射图样；

步骤(2)：利用步骤(1)得到的两幅衍射图样，以搜寻高阶方程组解的方法求解样品的折射率信息和厚度信息：

(2.1)根据菲涅尔反射公式，计算第一光源在两幅衍射图样的总复振幅和第二光源在两幅衍射图样的总复振幅

λ₁为第一光源的波长，当λ＝λ₁时，第一光源在两幅衍射图样总反射场的总复振幅为：

其中，A₀表示入射场的振幅，n表示样品的折射率，d为样品厚度；

λ₂为第二光源的波长，当λ＝λ₂时，第二光源在两幅衍射图样总反射场的总复振幅为：

(2.2)通过矢量分析法分别对步骤(2.1)中的和进行复振幅叠加，再利用余弦定理构造关于n和d的高阶方程：