基于預(yù)照明成像的疊層成像技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于預(yù)照明成像的疊層成像技術(shù)，屬于疊層成像技術(shù)領(lǐng)域。具體 涉及一種通過預(yù)先照明獲取待測(cè)樣品及其周圍圖像所成像，提取樣品周圍圖像作為疊層恢 復(fù)的已知條件，再利用疊層掃描獲取帶周圍圖像的待測(cè)樣品的衍射圖像，并將二者共同帶 入基于預(yù)照明成像的疊層迭代算法中，最終恢復(fù)得到樣品復(fù)振幅圖像的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 疊層衍射成像是一種不需要透鏡的成像技術(shù)，通過交疊采集冗余的衍射圖樣信 息，能夠很好地恢復(fù)樣品的復(fù)振幅信息，在X射線、可見光域、電子顯微等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
[0003] 基于疊層成像（Ptychography)原理的掃描相干衍射成像方法由Hoppe于20世 紀(jì)70年代首次提出，參見（Acta Crystallogr :A25,495,1969)。疊層成像技術(shù)的基本做法 是改變樣品或探針的相對(duì)位置，使入射平面波照射到樣品的不同部位，并保證相鄰兩次照 射部分有一定面積的交疊，這樣衍射圖樣之間存在相互約束的關(guān)系，通過所有衍射圖樣的 共同解，最終重建樣品的復(fù)振幅信息。疊層成像技術(shù)相比于傳統(tǒng)衍射成像技術(shù)，具有實(shí)驗(yàn)裝 置相對(duì)簡(jiǎn)單，恢復(fù)收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，疊層成像技術(shù)消除了正確解和復(fù)共輒間的二義 性，并且在一定程度上能夠克服透鏡像差對(duì)成像恢復(fù)精度的干擾以及數(shù)值孔徑對(duì)樣品尺寸 的限制，參見（Phys Lett. 4795 :85, 2004)。
[0004] 然而，傳統(tǒng)的疊層成像技術(shù)，除上述優(yōu)勢(shì)特征外仍存在以下不足：
[0005] 1.實(shí)際操作中，照明光束的位置與理論位置間存在一定偏差，影響恢復(fù)圖像質(zhì)量。
[0006] 2.實(shí)驗(yàn)受隨機(jī)噪聲和系統(tǒng)噪聲的干擾較大，恢復(fù)圖像效果仍有很大提升空間。
[0007] 3.實(shí)驗(yàn)設(shè)施條件限制較大。重建圖像質(zhì)量越好，實(shí)驗(yàn)設(shè)施需求越精密。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明通過提供一種預(yù)先照明成像的方法來(lái)解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足。本發(fā)明 提出一種基于預(yù)照明成像的疊層成像技術(shù)，相比于傳統(tǒng)疊層成像技術(shù)，能夠獲得更精確的 恢復(fù)效果，同時(shí)抗噪聲能力，抗孔徑偏移能力均有顯著提升。
[0009] 本發(fā)明可通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)：
[0010] 1.首先用激光通過成像透鏡照射待測(cè)樣品及其周圍部分獲取所成像。其中，將待 測(cè)樣品周圍部分所成像稱為預(yù)照明圖像，預(yù)照明圖像信息為已知。
[0011] 2.保證待測(cè)樣品位置不變，使激光依次通過空間濾波器和準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn) 直獲得入射平面波。然后利用孔徑光闌作為探針，使平面波通過探針照射在待測(cè)樣品平面 上。
[0012] 3.沿X軸和y軸方向移動(dòng)帶探針的二維機(jī)械平移臺(tái)，依次疊層掃描待測(cè)樣品及其 周圍預(yù)照明區(qū)域，利用圖像傳感器接收并記錄各掃描位置的衍射強(qiáng)度圖像。
[0013] 4.提取步驟1中所成像的預(yù)照明信息，并以此作為基準(zhǔn)圖像，與樣品的衍射圖像 同時(shí)帶入到基于預(yù)照明成像的疊層迭代算法中進(jìn)行處理。由于預(yù)照明部分的信息已知，可 以以此作為待測(cè)樣品圖像重建的約束，最終獲得待測(cè)樣品的復(fù)振幅圖像。
[0014] 本發(fā)明所公開的基于預(yù)照明的疊層成像技術(shù)，可適用于反射型物體或透射型物體 的成像。
[0015] 上述疊層掃描過程，即將待測(cè)樣品或探針移動(dòng)一定距離使入射平面波照射到樣品 的不同部位，并保證相鄰兩次平移時(shí)照射部分有一定面積的交疊。此外，在疊層掃描時(shí)，應(yīng) 在保證交疊率和恢復(fù)效率的同時(shí)，盡量多的采集樣品周圍的預(yù)照明信息，并以此作為迭代 恢復(fù)的約束條件提升疊層成像的精度。
[0016] 本發(fā)明所用成像算法為基于預(yù)照明的疊層掃描的迭代重建算法，它的具體實(shí)現(xiàn)過 程為：
[0017] (1)在計(jì)算機(jī)上對(duì)樣品做初始猜測(cè)為0(x，y)。將樣品周圍預(yù)照明信息所成像作為 已知條件，代入初始圖像中，初始圖像變?yōu)镺 in(x，y)。（初始時(shí)i = 1為迭代次數(shù)，n= 1為 第一個(gè) probe) 〇
[0018] (2)物體由照明探針Pn(X，y)照明后傳輸?shù)紺⑶面上：
[0019] Φ?η(ξ, n) = FrTAjd[Pn(x, y) *0in(x,y)] (I)
[0020] (3)將由CXD的拍攝到的光強(qiáng)分布V7作為約束條件帶入到迭代恢復(fù)過程中：
[0021]
(2)
[0022] (4)將2式逆衍射回物面：
[0023]
(3)
[0024] 其中FrT1為逆菲涅爾變換的運(yùn)算符。
[0025] (5)接著更新初始樣品猜測(cè)Oin (X，y)，更新公式為：
[0026] Oin (X，y) = Oin (X，y) +U [Oin (X，y) -Pn (X，y) · OiIi (X，y) ] (4)
[0027] 其中U為更新系數(shù)：
[0028]
(5)
[0029] 其中Pn, _(x，y)表示Pn (X，y)模值的最大值，δ為噪聲壓縮因子，其值為接近〇 的常數(shù)，通常設(shè)為0.01。
[0030] (6)完成該更新操作后，代入已知預(yù)照明信息再次進(jìn)行更新。并移至下一照明探針 Pn(x，y) (η = η+1)，重復(fù)公式（2)-(5)直到最后一個(gè)照明位置。
[0031] (7)持續(xù)進(jìn)行以上迭代過程，即k = k+Ι，直到k的值達(dá)到設(shè)定的閾值，通常情況下 k = 100已能輸出較好地重建結(jié)果。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 1.本發(fā)明采用樣品周圍所成預(yù)照明圖像作為基準(zhǔn)，相較于傳統(tǒng)疊層成像技術(shù)，由 于利用周圍預(yù)照明所得信息作約束，在振幅和相位的恢復(fù)效果上均有提升，尤其在相位上 提升效果顯著，并且恢復(fù)出的圖像細(xì)節(jié)更加豐富。
[0034] 2.本發(fā)明利用預(yù)照明成像作為基準(zhǔn)，在存在實(shí)驗(yàn)條件限制的情況下，相較于傳統(tǒng) 疊層成像技術(shù)，其抗噪聲能力和抗孔徑位置偏移能力均有一定提升。
[0035] 3.本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)中利用預(yù)照明所得信息作約束，相比傳統(tǒng)疊層成像技術(shù)，在不需 要額外實(shí)驗(yàn)成本的情況下可以獲得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且操作簡(jiǎn)單。
[0036] 本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施過程和恢復(fù)效果可結(jié)合以下附圖詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖Ia是本發(fā)明中透射型基于預(yù)照明成像的疊層成像方法的典型實(shí)施方式的光路 結(jié)構(gòu)圖。
[0038] 圖Ib是本發(fā)明在透射型基于預(yù)照明成像的疊層成像實(shí)驗(yàn)中待測(cè)樣品的成像光路 結(jié)構(gòu)圖。
[0039] 圖2為本發(fā)明實(shí)例實(shí)驗(yàn)的精密實(shí)驗(yàn)光路搭建圖。
[0040] 圖3為本發(fā)明實(shí)例實(shí)驗(yàn)使用的待測(cè)樣品所成的振幅圖像。
[0041] 圖4a為本實(shí)例實(shí)驗(yàn)中的疊層掃描示意圖。
[0042] 圖4b為本發(fā)明實(shí)例實(shí)驗(yàn)中探針在不同位置掃描待測(cè)樣品獲得的衍射圖像。
[0043] 圖4c為本發(fā)明實(shí)例中f孔位置上探針對(duì)準(zhǔn)待測(cè)樣品采集到的衍射圖像。
[0044] 圖5a為采用傳統(tǒng)疊層成像技術(shù)恢復(fù)得到待測(cè)樣品的振幅圖像。
[0045] 圖5b為采用傳統(tǒng)疊層成像技術(shù)恢復(fù)得到待測(cè)樣品的相位圖像。
[0046] 圖6a為采用基于預(yù)照明成像的疊層成像技術(shù)恢復(fù)得到待測(cè)樣品的振幅圖像。
[0047] 圖6b為采用基于預(yù)照明成像的疊層成像技術(shù)恢復(fù)得到待測(cè)樣品的相位圖像。
[0048] 其中，1、氦氖激光器，2、空間濾波器，3、準(zhǔn)直透鏡，4、孔徑光闌，5、二維機(jī)械平移平 臺(tái)，6、待測(cè)樣品，7、圖像傳感器(XD，8、計(jì)算機(jī)，9、成像透鏡，10、衰減器。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖與實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述，本發(fā)明所示實(shí)例是為更完整清楚的 展示本發(fā)明，而非本發(fā)明僅能應(yīng)用于此實(shí)例中，本發(fā)明可以應(yīng)用于多種實(shí)施形式。
[0050] 圖Ia是本發(fā)明在透射型基于預(yù)照明成像的疊層成像方法的典型實(shí)施方式的光路 結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)包括：1、氦氖激光器，2、空間濾波器，3、準(zhǔn)直透