一种宽带光源的大视场相干衍射成像方法、装置及系统

本发明属于显微成像领域，更具体地，涉及一种宽带光源的大视场相干衍射成像方法、装置及系统。

背景技术：

1、现如今，超快科学已经取得长远进展，可以通过超短脉冲与物质相互作用探究电子动力学，进一步揭开飞秒甚至阿秒时间尺度上的物理过程。

2、然而超短脉冲由于其极窄的时域带宽，不可避免的拥有较宽的频域带宽，因而很难运用于光学成像领域。而相干衍射成像作为一种无透镜成像技术，由于其能很好的作用于极紫外波段成像并且与台式飞秒相干光源设备组合使用，被尝试在不损失飞秒光源时间分辨能力下保留其成像效果以实现时空分辨能力。

3、目前针对单幅相干衍射成像，已经提出的polycdi和宽带相干衍射成像技术被广泛使用，然而单幅相干衍射成像极小的视场范围和无法避免的孪生像问题使之应用前景受限；针对大视场的叠层相干衍射成像技术(ptychography)，目前广泛接受的多模式叠层相干衍射成像和spire(spectrum,probe,andimagereconstruction)技术都需要对光谱进行非常有限的采样，这一方面使得迭代恢复过程所需的机时极大增加，另一方面在光谱成分并不平滑的情况下将很难选取合适的采样间隔。而一些其他的尝试中，都将不同频率的衍射图样进行插值处理以匹配对应的空间格点数，这使得在数据处理的过程中就不可避免的引入误差以及最终重建结果中的伪影。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种宽带光源的大视场相干衍射成像方法、装置及系统，以提高叠层相干衍射成像的空间分辨率。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种宽带光源的大视场相干衍射成像方法，包括：

3、s1，采用准直宽带光源照射精密针孔，以使所述宽带光源产生衍射后照射至样品上；其中，所述样品放置于按预设步长移动的二维平移台上；

4、s2，采集在不同曝光时间下，所述二维平移台在各位置处时样品的衍射图像；

5、s3，将不同曝光时间下所述各位置处的衍射图像进行拼接，得到所述各位置处样品的hdr(highdynamicrangeimaging，高动态范围成像)衍射图像；

6、s4，根据衍射矩阵，采用最小二乘共轭梯度法将各所述hdr衍射图像进行单色化后，采用叠层相干衍射成像迭代算法进行相位恢复，以重构样品信息图像；其中，所述衍射矩阵根据所述宽带光源的光谱信息构建得到。

7、按照本发明的第二方面，提供了一种宽带光源的大视场相干衍射成像装置，包括：准直宽带光源、精密针孔、二维平移台及处理模块；

8、所述准直宽带光源照射所述精密针孔，以使所述宽带光源产生衍射后照射至样品上；其中，所述样品放置于按预设步长移动的所述二维平移台上

9、所述处理模块用于采集在不同曝光时间下，所述二维平移台在各位置处时样品的衍射图像；将不同曝光时间下所述各位置处的衍射图像进行拼接，得到所述各位置处样品的hdr衍射图像；根据衍射矩阵，采用最小二乘共轭梯度法将各所述hdr衍射图像进行单色化后，采用叠层相干衍射成像迭代算法进行相位恢复，以重构样品信息图像；其中，所述衍射矩阵根据所述宽带光源的光谱信息构建得到。

10、按照本发明的第三方面，提供了一种宽带光源的大视场相干衍射成像系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

11、所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

12、所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。

13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

14、1、本发明提供的基于宽带光源的大视场相干衍射成像方法，包括：宽带光源通过精密针孔约束空间尺寸；空间约束后的宽带光源照射置于二维位移台的样品；采集宽带光源光谱；采集随二维位移台移动后不同样品区域的衍射图样；利用光谱信息构建衍射矩阵；将衍射矩阵作用于衍射图样，利用最小二乘共轭梯度法求解单色化图样；将单色化图样使用叠层相干衍射成像迭代算法重建得出样品信息。本发明提出利用单色化处理改善相干衍射成像中对窄带光谱的需求，在使用宽带光源的情况下，极大的保留了其空间分辨能力。

15、2、本发明基于利用衍射矩阵和最小二乘共轭梯度法将宽带衍射图样单色化以减小衍射图样等效带宽的方法，提出了一种可以使叠层相干衍射成像技术在宽带光源入射情况下，空间分辨率大幅提升的方法。衍射矩阵的构建只与衍射图样大小和光谱信息有关，不受光谱采样密度的影响，因此避免了对光谱有限密度采样的结果失真问题。同时，经过处理后获得的单色化衍射图样直接作用于合适的叠层相干衍射成像迭代算法，无需任何插值以及衍射图样叠加操作，极大的降低了重构所需时间，并最终提升了一倍以上的空间分辨率精度。

技术特征：

1.一种宽带光源的大视场相干衍射成像方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中，将各所述hdr衍射图像以其中心为起点展开为一维图像，根据衍射矩阵，采用最小二乘共轭梯度法对所述一维图像进行单色化处理，得到单色化一维图像；将所述单色化一维图像还原为二维图像，并采用叠层相干衍射成像迭代算法进行相位恢复，以重构样品信息图像。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最小二乘共轭梯度法的第n次循环公式如下：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衍射矩阵的构建公式为：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用ccd相机采集所述二维平移台在各位置处时样品的衍射图像；所述ccd相机与所述样品的间距满足夫琅禾费衍射公式，且所述ccd相机的中心位置与衍射中心重合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品与所述精密针孔的间距小于1mm。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设步长的长度a＝nd，且a≤0.3r；其中，n为正整数，d为实空间平面的单位长度，r为所述精密针孔的直径。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叠层相干衍射成像迭代算法的公式为：

9.一种宽带光源的大视场相干衍射成像装置，其特征在于，包括：准直宽带光源、精密针孔、二维平移台及处理模块；

10.一种宽带光源的大视场相干衍射成像系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

技术总结
本发明公开了一种宽带光源的大视场相干衍射成像方法、装置及系统，利用衍射矩阵和最小二乘共轭梯度法将宽带衍射图样单色化以减小衍射图样等效带宽，提出了一种可以使叠层相干衍射成像技术在宽带光源入射情况下，空间分辨率大幅提升的方法。衍射矩阵的构建只与衍射图样大小和光谱信息有关，不受光谱采样密度的影响，因此避免了对光谱有限密度采样的结果失真问题。同时，经过处理后获得的单色化衍射图样直接作用于合适的叠层相干衍射成像迭代算法，无需任何插值以及衍射图样叠加操作，降低了重构所需时间，提升了空间分辨率精度。利用单色化处理改善相干衍射成像中对窄带光谱的需求，在使用宽带光源的情况下，极大的保留了其空间分辨能力。

技术研发人员：曹伟,刘瑞凡,游骐骏,陆培祥
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13