透射型光學(xué)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(kuò)束器、會(huì)聚透鏡、待測(cè)光學(xué)元件、二維電動(dòng)平移臺(tái)、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)組成,本發(fā)明相干光源發(fā)出的準(zhǔn)平行光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡后形成的會(huì)聚球面波作為待測(cè)光學(xué)元件的照明光,在計(jì)算機(jī)的控制下驅(qū)動(dòng)二維電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)待測(cè)光學(xué)元件,并在待測(cè)光學(xué)元件后一定距離處用探測(cè)器記錄待測(cè)光學(xué)元件在不同位置時(shí)的衍射光斑,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理獲得待測(cè)光學(xué)元件各層的復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)及各層的相位。而且測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)造成任何破壞。
【專利說(shuō)明】透射型光學(xué)元件分層相位成像的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多層結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。特別是一種透射型光學(xué)元件分層相位成像的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與采用干涉技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位成像的典型代表‘全息’(holography)相對(duì)應(yīng),在非干涉相位成像領(lǐng)域也存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法,叫‘ptychography’。其基本思路在1970年前后由Hoppe等人提出,后經(jīng)Fienup等人的完善逐步發(fā)展起來(lái)(參見(jiàn)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(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度譜,通過(guò)頻譜面和物面之間的反復(fù)疊代運(yùn)算,將物面上收斂的計(jì)算結(jié)果作為物體的實(shí)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(jīng)過(guò)小孔后形成的發(fā)散光對(duì)樣品進(jìn)行掃描,同時(shí)記錄一系列的散射斑強(qiáng)度In(x,y)。進(jìn)行相位恢復(fù)時(shí)先給被測(cè)量物體一個(gè)任意的初始猜想值,并計(jì)算此猜想物體的透射光場(chǎng)和其傅立葉變換,進(jìn)而將此頻譜的振幅用所記錄到的強(qiáng)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(cè)物體的復(fù)振幅,如此反復(fù)將在所有照明位置記錄的頻譜按順進(jìn)行疊代運(yùn)算。
[0005]2009 年,Maiden 等提出了 Extended-PIE (ePIE)算法(參見(jiàn) 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(jìn)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(cè)值,在迭代運(yùn)算過(guò)程中對(duì)樣品和照明光同時(shí)更新,同時(shí)恢復(fù)照明光和樣品分布。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是在ePIE算法的基礎(chǔ)上,提出一種透射型光學(xué)元件分層相位成像的裝置和方法,本發(fā)明相干光源發(fā)出的準(zhǔn)平行光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡后形成的會(huì)聚球面波作為待測(cè)光學(xué)元件的照明光,在計(jì)算機(jī)的控制下驅(qū)動(dòng)二維電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)待測(cè)光學(xué)元件,并在待測(cè)光學(xué)元件后一定距離處用探測(cè)器記錄待測(cè)光學(xué)元件在不同位置時(shí)的衍射光斑,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理獲得待測(cè)光學(xué)元件各層的復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)及各層的相位。而且測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)造成任何破壞。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種透射型光學(xué)元件分層相位成像的裝置,其特點(diǎn)在于:該裝置由相干光源、擴(kuò)束器、會(huì)聚透鏡、待測(cè)光學(xué)元件、二維電動(dòng)平移臺(tái)、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)組成,上述元件的位置關(guān)系如下:[0009]沿相干光源發(fā)出的波長(zhǎng)為λ的光依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器、會(huì)聚透鏡后變?yōu)榍蛎娌?,該球面波照射待測(cè)光學(xué)元件,所述的待測(cè)光學(xué)元件置于二維電動(dòng)平移臺(tái)上并在垂直于光路方向進(jìn)行逐行逐列掃描,所述的探測(cè)器記錄照明光經(jīng)過(guò)待測(cè)光學(xué)元件后的衍射光斑分布,所述的探測(cè)器輸出端與所述的計(jì)算機(jī)的輸入端相連,計(jì)算機(jī)的輸出端與所述的二維電動(dòng)平移臺(tái)的控制端相連。
[0010]利用上述裝置對(duì)具有多層結(jié)構(gòu)的透射型光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)分層相位成像的方法,其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟:
[0011]①將待測(cè)光學(xué)元件置于二維電動(dòng)平移臺(tái)上并使之與入射光束垂直,待測(cè)光學(xué)元件
具有多層結(jié)構(gòu),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(cè)光學(xué)元件最后一層距離所述的探測(cè)器的距離為ZN,層I與所述的會(huì)聚透鏡(3)的焦距之間的距離為Ztl ;
[0012]②所述的計(jì)算機(jī)控制所述的二維電動(dòng)平移臺(tái)使所述的具有多層結(jié)構(gòu)的待測(cè)光學(xué)元件在垂直于光束傳播方向的平面內(nèi)進(jìn)行逐行逐列掃描,步長(zhǎng)為1,相鄰兩個(gè)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(cè)光學(xué)元件的移動(dòng)的位置由P行q列的矩陣表示,在掃描過(guò)程中,當(dāng)所述的待測(cè)光學(xué)元件處于i行j列時(shí),所述的探測(cè)器記錄衍射光斑的光強(qiáng)分布為Iu,其中i為I~P的正整數(shù),j為I~q的正整數(shù),P, q分別表示待測(cè)光學(xué)元件掃描矩陣的總行數(shù)和總列數(shù),Iiij以m行η列矩陣形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中,掃描后的光斑全部記錄完成后,得到一組光斑數(shù)據(jù)I1,P Ιι;2>...IijJ,..Ip,q ;
[0013]③利用光斑數(shù)據(jù) 進(jìn)行相位處理的步驟:
[0014]計(jì)算機(jī)首先對(duì)待測(cè)光學(xué)元件每一層的透過(guò)率函數(shù),包括振幅透過(guò)率和相位改變量提供一個(gè)隨機(jī)的猜測(cè)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(chǎn)生a行b列的隨機(jī)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(zhǎng);沿光束傳播方向待測(cè)光學(xué)元件第一層(元件表面)處的照明光為Hlu1,提供一個(gè)猜測(cè)值作為初始值:
【權(quán)利要求】
1.一種透射型光學(xué)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(kuò)束器(2)、會(huì)聚透鏡(3)、待測(cè)光學(xué)元件(4)、二維電動(dòng)平移臺(tái)(5)、探測(cè)器(6)、計(jì)算機(jī)(7)組成,上述元件的位置關(guān)系如下: 沿相干光源(I)發(fā)出的波長(zhǎng)為λ的光依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器(2)、會(huì)聚透鏡(3)后變?yōu)榍蛎娌?,球面波照射待測(cè)光學(xué)元件(4),所述的待測(cè)光學(xué)元件(4)置于二維電動(dòng)平移臺(tái)(5)上并在垂直于光路方向進(jìn)行逐行逐列掃描,所述的探測(cè)器(6)記錄照明光經(jīng)過(guò)待測(cè)光學(xué)元件后的衍射光斑分布,所述的探測(cè)器(6)輸出端與所述的計(jì)算機(jī)(7)的輸入端相連,計(jì)算機(jī)(7)的輸出端與所述的二維電動(dòng)平移臺(tái)(5)的控制端相連。
2.利用權(quán)利要求1所述的裝置對(duì)具有多層結(jié)構(gòu)的透射型光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)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(cè)光學(xué)元件(4)置于二維電動(dòng)平移臺(tái)(5)上并使之與入射光束垂直,待測(cè)光學(xué)兀件具有多層結(jié)構(gòu),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(cè)光學(xué)元件最后一層距離所述的探測(cè)器的距離為ΖΝ,層I與所述的會(huì)聚透鏡(3)的焦距之間的距離為Ztl ; ②所述的計(jì)算機(jī)(7)控制所述的二維電動(dòng)平移臺(tái)(5)使所述的具有多層結(jié)構(gòu)的待測(cè)光學(xué)元件(4)在垂直于光束傳播方向的平面內(nèi)進(jìn)行逐行逐列掃描,步長(zhǎng)為1,相鄰兩個(gè)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(cè)光學(xué)元件(4)的移動(dòng)的位置由P行q列的矩陣表示,在掃描過(guò)程中,當(dāng)所述的待測(cè)光學(xué)元件(4)處于i行j列時(shí),所述的探測(cè)器(6)記錄衍射光斑的光強(qiáng)分布為Iu,其中i為I~P的正整數(shù),j為I~q的正整數(shù),P,q分別表示待測(cè)光學(xué)元件(4)掃描矩陣的總行數(shù)和總列數(shù),Iiij以m行η列矩陣形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)(7)中,掃描后的光斑全部記錄完成后,得到一組光斑數(shù)據(jù)I1J工1, 2,...1 i, j,..1p, q ; ③利用光斑數(shù)據(jù)進(jìn)行相位處理的步驟: 計(jì)算機(jī)(7)首先對(duì)待測(cè)光學(xué)元件每一層的透過(guò)率函數(shù),包括振幅透過(guò)率和相位改變量提供一個(gè)隨機(jī)的猜測(cè)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(chǎn)生a行b列的隨機(jī)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(zhǎng);沿光束傳播方向待測(cè)光學(xué)元件第一層(元件表面)處的照明光為Hlu1,提供一個(gè)猜測(cè)值作為初始值:
【文檔編號(hào)】G01M11/00GK103837325SQ201410064172
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】王海燕, 劉誠(chéng), 潘興臣, 孫美智, 程君, 朱健強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所