基于相干调制成像的大视场三维相位重建系统及方法

本发明涉及相干调制成像领域，特别是涉及一种基于相干调制成像的大视场三维相位重建系统及方法。

背景技术：

1、随着人们对高分辨率成像的迫切需求，x射线、深紫外和电子束等短波长领域的光源应用越来越广泛，而在此波段使用的光学成像器件制作困难，成本较高，因而不依赖于高质量光学成像元件的相干衍射成像技术在此就发挥了至关重要的作用。相干调制成像是一种新的相干衍射成像方法，它以成像光路简单，采集数据耗时短等优势，目前多应用于动态成像、高功率激光器的波前在线诊断和光学元件的检测等。与传统的相干衍射成像方法相比，相干调制成像技术在成像光路中引入了一个相位调制器，对物光波起到散射的作用，从而降低了中心亮斑强度，降低了对探测器动态范围的要求。同时由于调制器的引入，一个物点的信息能分布到探测器的很多像素点上，这样就使得重构过程中对探测器噪声的敏感性降低，从而显著提高了迭代方法的收敛性和鲁棒性。

2、传统的相干调制成像技术需要将调制器的透过率函数作为先验信息，一般是通过叠层成像的方法预先对调制器进行标定。这样的方法使得相干调制成像技术不得不依赖于其他成像方式，成像系统通常比较复杂，且成像结果信噪比较低。此外，目前对于相干调制成像技术的研究主要是针对二维样品和非扩展性的样品，对于三维样品和扩展性样品的研究较少，而大多数样品都是具有一定的厚度的，三维物体的测量更具有一般性，因此需要开发新的方法，使相干调制成像技术成为更加独立、适用范围更广泛的衍射成像技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于相干调制成像的大视场三维相位重建系统及方法，可实现对三维样品的相位重建，使相干调制成像技术更加独立、适用范围更广泛。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于相干调制成像的大视场三维相位重建系统，包括：半导体激光源、空间滤波准直系统、分束器、探针、二维平移台、相位调制器、探测器和计算机；

4、待测三维样品设置在二维平移台上，所述二维平移台用于带动待测三维样品进行二维平移；

5、在二维平移台每次带动待测三维样品平移后：半导体激光源发出的激光束通过空间滤波准直系统，输出一个平面波；所述平面波经分束器反射后，形成入射光波，入射光波依次通过探针和待测三维样品，待测三维样品的出射波到达相位调制器；相位调制器对所述出射波施加相位调制后，传输至探测器，在探测器中记录待测三维样品扫描位置的衍射图案；所述扫描位置为待测三维样品上照射入射光波的位置；

6、探测器与计算机连接，所述计算机用于获取多次平移待测三维样品后探测器记录的待测三维样品不同扫描位置的衍射图案，并采用多层切片的方法重构待测三维样品的相位。

7、一种基于相干调制成像的大视场三维相位重建方法，所述基于相干调制成像的大视场三维相位重建方法应用前述的基于相干调制成像的大视场三维相位重建系统，所述基于相干调制成像的大视场三维相位重建方法包括：

8、确定所述大视场三维相位重建系统的衍射传播距离；

9、获取待测三维样品不同位置的衍射图案，并从每张衍射图案中确定待测三维样品的扫描位置；

10、采用多层切片的方法对待测三维样品进行分层；

11、初始化探针复振幅分布、待测三维样品各层的复振幅分布以及相位调制器的透过率函数；

12、根据每张衍射图案确定的扫描位置、所述衍射传播距离、初始化的探针复振幅分布、初始化的待测三维样品各层的复振幅分布以及初始化的相位调制器的透过率函数，对每张衍射图案采用迭代投影算法，重构待测三维样品各层在扫描位置的复值场和调制器的透过率函数；

13、根据待测三维样品各层在扫描位置的复值场，获得待测三维样品各层的相位，构成待测三维样品的三维相位。

14、可选地，所述确定所述大视场三维相位重建系统的衍射传播距离，具体包括：

15、通过自动聚焦和位置配准算法从多张衍射图案样本中确定所述大视场三维相位重建系统的衍射传播距离；所述衍射传播距离包括三维样品的层间距、三维样品与相位调制器之间的衍射传播距离，以及相位调制器与探测器之间的衍射传播距离。

16、可选地，所述根据每张衍射图案确定的扫描位置、所述衍射传播距离、初始化的探针复振幅分布、初始化的待测三维样品各层的复振幅分布以及初始化的相位调制器的透过率函数，对每张衍射图案采用迭代投影算法，重构待测三维样品各层在扫描位置的复值场和调制器的透过率函数，具体包括：

17、根据衍射图案、衍射图案确定的扫描位置、所述衍射传播距离、初始化的探针复振幅分布、初始化的待测三维样品各层的复振幅分布以及初始化的相位调制器的透过率函数，按照光波的传播方向，依次确定待测三维样品各层的出射场、相位调制器的入射场、相位调制器的出射场以及探测器的平面光场；

18、对所述探测器的平面光场进行反向传播，依次更新探测器的平面光场、相位调制器的出射场、相位调制器的入射场和待测三维样品各层的出射场；

19、根据更新后的相位调制器的入射场，更新初始化的透过率函数；

20、根据更新前后的待测三维样品各层的出射场，更新初始化的探针复振幅分布和初始化的待测三维样品各层的复振幅分布，完成一次迭代；

21、根据更新后的探针复振幅分布、更新后的待测三维样品各层的复振幅分布和更新后的透过率函数进行下一次迭代，直至达到最大迭代次数或收敛，结束。

22、可选地，所述按照光波的传播方向，依次确定的待测三维样品各层的出射场、相位调制器的入射场、相位调制器的出射场以及探测器的平面光场分别为：

23、待测三维样品各层的出射场：式中，表示光波经过第n层后的出射场，n表示待测三维样品的第n个扫描位置，j表示第j次迭代，符号·表示元素相乘，表示波传播算子，z0表示三维样品的层间距，p表示探针复振幅分布，on表示待测三维样品第n层的复振幅分布；

24、相位调制器的入射场：式中，表示相位调制器的入射场，z1表示三维样品与相位调制器之间的衍射传播距离；

25、相位调制器的出射场：式中，表示相位调制器的出射场，m表示相位调制器的透过率函数；

26、探测器的平面光场:式中，表示探测器的平面光场，z2表示相位调制器与探测器之间的衍射传播距离。

27、可选地，更新后的探测器的平面光场为：式中，表示更新后的探测器的平面光场，in表示待测三维样品第n个扫描位置采集的衍射图案；

28、更新后的相位调制器的出射场为：式中，表示更新后的相位调制器的出射场，表示反向波传播算子；

29、更新后的相位调制器的入射场为：式中，表示更新后的相位调制器的入射场，*表示复共轭运算，α表示第一反馈系数；

30、更新后的待测三维样品各层的出射场为：式中，表示更新后的待测三维样品第n层的出射场。

31、可选地，相位调制器的透过率函数更新公式为：

32、

33、式中，表示更新后的透过率函数，β表示第二反馈系数。

34、可选地，待测三维样品各层的复振幅分布的更新公式为式中，表示待测三维样品第n层的复振幅分布；

35、探针复振幅分布的更新公式为：式中，表示待测三维样品第n层对应的更新后的探针复振幅分布。

36、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

37、本发明公开一种基于相干调制成像的大视场三维相位重建系统及方法，通过平移待测三维样品采集不同扫描位置的衍射图案，增大了成像范围，通过分层切片的方法来对待测三维样品进行相位重建，使得该方法不仅能对二维非扩展性样品进行重构，而且能够重建几十至上百微米的三维扩展性样品的复振幅分布。并且在重构时，对样品函数和调制器函数同时进行更新，利用迭代投影算法在完全未知调制器分布的情况下同时重构出待测三维样品的复值场和调制器的透过率函数，不依赖于其他成像方式而独立使用，使相干调制成像技术更加独立、适用范围更广泛。