專利名稱：三維成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提供圖像數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備，可從該圖像數(shù)據(jù)生成目標(biāo)物體的圖像。特別地，然而不是絕對地，本發(fā)明涉及用于從數(shù)據(jù)集獲得跨焦系列的方法和設(shè)備。當(dāng)被組合時該系列可用來檢查目標(biāo)物體的三維(3D)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：
已知用于得出關(guān)于目標(biāo)物體(或者稱為樣本)的空間信息的許多類型的成像技術(shù)。例如，且如圖1所示，在傳統(tǒng)透射成像中，通過平面波照明10照射物體。物體散射的波被透鏡12重新干預(yù)以形成圖像。在非常短的波長成像(X射線或電子)的情況下該技術(shù)具有與透鏡引入的像差和不穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)的許多已知的困難，所述像差和不穩(wěn)定性限制了結(jié)果所得到的圖像的分辨率和解釋能力。典型的可實現(xiàn)的分辨率比理論的波長極限大許多倍。
傳統(tǒng)的掃描透射成像是成像技術(shù)的另一例子，其中使用透鏡來聚焦輻射斑，使其通過目標(biāo)物體。一個或多個檢測器被布置在目標(biāo)物體的目標(biāo)后側(cè)(即下游)以檢測被散射的輻射。已知各種類型的檢測器策略，如環(huán)狀檢測器、扇形檢測器和/或離軸檢測器。然而這些方法依賴于對需要目標(biāo)物體的圖像的所有點掃描被聚焦的輻射斑。存在與該技術(shù)相關(guān)聯(lián)的許多問題，例如，需要對斑的非常準(zhǔn)確的控制，因為如果期望1000×1000像素的圖像則必須使用一百萬個準(zhǔn)確的探測位置點。另一問題是，所使用的透鏡必須具有非常高的質(zhì)量。這不僅因為最終圖像的分辨率僅能與斑的銳度和定位幾乎一樣，還因為對于諸如電子或X射線的各種形式的輻射存在許多問題，諸如像差效應(yīng)、色度擴展和透鏡電流不穩(wěn)定，它們會影響圖像產(chǎn)品且會毀壞分辨率。這在圖2中被示意性地示出，其中入射輻射15(諸如電子或X射線束)入射在形成目標(biāo)物體的樣本16上。被物體散射的輻射離開目標(biāo)物體且傳播到檢測器平面17上。
傳統(tǒng)掃描透射成像的已知問題是，由于必須利用入射的輻射斑來探測大量點，因此需要大量時間來完成圖像。而且，如果在數(shù)據(jù)收集期間目標(biāo)物體移動，則這會導(dǎo)致收集到不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)且最終導(dǎo)致產(chǎn)生不準(zhǔn)確的圖像。進一步地，傳統(tǒng)的掃描透射成像方法不能使與離開目標(biāo)物體的輻射的相位有關(guān)的信息被測量。僅僅檢測器處的總散射強度可被測量。這樣，與越過目標(biāo)物體發(fā)射的出射波有關(guān)的相位信息不能被收集。
對傳統(tǒng)掃描透射成像的改進是四維解卷積成像。該技術(shù)利用與圖1所示的設(shè)備相似的設(shè)備，但是針對每個探測位置記錄整個衍射圖。這提供了以比斑尺寸或所使用的透鏡的響應(yīng)函數(shù)更好的分辨率確定目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)的方式，但是具有許多重大問題。最顯著的問題是，對于適當(dāng)?shù)囊晥霰仨氂涗浺ㄙM若干小時來收集的大量的數(shù)據(jù)。這使得實驗實際上非常難以實現(xiàn)，因為非常準(zhǔn)確地控制探測照明且準(zhǔn)確地移動它以掃描用于最終的圖像重構(gòu)的每個(一百萬)像素是必要的。而且由于在所花費的較多時間內(nèi)需要大劑量的入射輻射，因此可發(fā)生對目標(biāo)物體的若干損壞或毀壞。
另一公知的成像技術(shù)是純衍射成像。在該替代策略中，可省略透鏡且通過探測輻射的簡單的平面波來照明目標(biāo)物體。在遠場中測量的散射圖形成Fourier(傅里葉)平面衍射圖且其強度被記錄。然后通過應(yīng)用從所測量的強度得出的信息使用迭代方法來計算估計的物體出射波場。為了從估計的波場確定關(guān)于目標(biāo)物體的實際信息，必須提供真實空間中的區(qū)域，在該區(qū)域中已知不存在物體或物體以某種限定的方式被遮蔽。只有知道這個事實才能迭代地改變對代表物體的波場的運行估計。然而存在與純衍射成像相關(guān)聯(lián)的許多問題。最顯著的是必須以某種方式在某固定的位置懸掛或隔離目標(biāo)物體。這實際上非常難以實現(xiàn)。而且不可能將該解決方案擴展到物體的新的或不同的部位或者獲得全部有良好分辨率的大圖像。僅可照明物體的一個隔離區(qū)域且對其進行解決。而且目標(biāo)物體必須是單值的。也就是說，其必須由單個實數(shù)表示。該數(shù)可表示吸收或相位變化，但是不能同時表示這二者。事實上，大部分實際目標(biāo)物體波(即與離開目標(biāo)物體的照明相關(guān)聯(lián)的波函數(shù))呈現(xiàn)為具有相位和振幅分量這兩者的復(fù)數(shù)。
純衍射成像的另一主要問題是目標(biāo)物體的邊緣必須被清晰地限定且因而具有清楚的邊緣。這使得已知不存在物體或物體以某種方式被遮蔽的區(qū)域輪廓分明。實際上難以產(chǎn)生具有這樣的清晰邊緣的物體或光闌。
另一問題是對于弱散射的物體(在X射線和電子散射中其是一般類型的目標(biāo)物體)，通過物體的大部分輻射在衍射圖的中央處結(jié)束。該地帶中的信息被浪費，因為其無助于圖像形成處理，但是通過物體的輻射會損壞物體。還需要平行照明。然而這意味著對于給定亮度的源，在物體平面處提供相對少的點數(shù)。與上述通過弱散射物體的許多輻射在中央地帶中終止的事實相結(jié)合，這意味著整個實驗實際上花費較長時間來獲得足夠的點數(shù)。如果在數(shù)據(jù)收集階段期間物體或某些其他成像設(shè)備在曝光期間偏移或移動，則數(shù)據(jù)可能被毀壞。
上述成像技術(shù)中的許多技術(shù)僅允許對目標(biāo)物體的二維分析。有時能夠檢查目標(biāo)物體的三維(3D)結(jié)構(gòu)是有用的。在使用任何類型的波照明的范圍廣泛的透射成像技術(shù)(諸如如上所述的那些)中這是真實的，所述波照明諸如光子、電子、中子、原子等，所有這些一旦具有動量就都表現(xiàn)為波。在檢查3D目標(biāo)物體的3D結(jié)構(gòu)時，需要獲得跨焦系列。然后這樣的跨焦系列在被堆疊在一起作為3D數(shù)據(jù)集時可用來實時或日后檢查3D結(jié)構(gòu)。用戶可選擇待檢查結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定的關(guān)注特征或位置。
可以例如通過使用透鏡在傳統(tǒng)的顯微鏡(光、電子、X射線等)中獲得這樣的跨焦系列。隨著透鏡的焦距控制的變化，圖像看起來是每次辨別出樣本中的一層。所選擇的關(guān)注平面(透鏡聚焦于其上的平面)以上或以下的物體的體積在這樣的圖像中看起來是離焦背景圖像。根據(jù)現(xiàn)有的已知技術(shù)，可以以多種方式實現(xiàn)透鏡的聚焦。例如，在光或X射線的情況下，物鏡可向樣本物理地移動或從樣本物理地移開(或者實際上整個顯微鏡被移動)。可替代地，在保持透鏡聚焦在空間中的同一平面上的同時可向透鏡移動樣本或從透鏡移開樣本。在電子的情況下(其使用電磁(靜電或磁)透鏡)，透鏡中或透鏡上的功率、電壓和/或電流或其他這樣的參數(shù)可改變，從而影響透鏡的強度的變化。以這種方式可控制在當(dāng)前關(guān)注平面以上或以下的層上的聚焦。此外，作為替代，目標(biāo)物體樣本可相對于透鏡裝置物理地移動。
然而，利用這樣的已知技術(shù)，僅在強度方面測量這樣獲得的圖像。這意味著在波穿過物體時在波中引起的相位變化不能被觀測。存在許多使用跨焦系列以解決波的相位的已知技術(shù)，然而所有這些技術(shù)都需要復(fù)雜、準(zhǔn)確且良好控制的透鏡方案。
存在與用于獲取關(guān)于3D物體的3D信息的已知技術(shù)相關(guān)聯(lián)的許多其他問題。如上所述第一主要問題是已知的技術(shù)需要透鏡。在使用光的成像技術(shù)的情況下，特別地在非常高的分辨率的成像步驟，透鏡固有地妨礙樣本限制訪問。在使用許多其他類型的輻射(諸如電子、X射線、紫外線和兆兆赫頻率)作為照明源以探測目標(biāo)物體的情況下，不能獲得良好質(zhì)量的透鏡。所有透鏡都是昂貴的。
與用于3D目標(biāo)物體的3D檢查的現(xiàn)有已知技術(shù)相關(guān)聯(lián)的另一問題是必須收集一系列圖像。該一系列圖像中的每個圖像需要不同的散焦(如上所述而被獲得)，從而將物體曝光于相當(dāng)大劑量的輻射，且潛在地花費了相當(dāng)多的時間。對于對許多類別的目標(biāo)物體成像輻射是重要的問題，該目標(biāo)物體在X射線或電子輻射下可能承受不可改變的損壞。在這樣的物體中不可能形成快速曝光的圖像。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例的一個目的是至少部分地緩解上述問題。
本發(fā)明實施例的另一個目的是提供一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備，該圖像數(shù)據(jù)可用來構(gòu)造3D目標(biāo)物體的高分辨率圖像以及物體中所選區(qū)域或?qū)拥母叻直媛蕡D像。
本發(fā)明實施例的一個目的是提供如下這樣的方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備使得能夠在不需要高分辨率定位技術(shù)以相對于目標(biāo)物體定位入射輻射的情況下檢查目標(biāo)物體的3D結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明實施例的一個目的是提供如下這樣的方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備用于在不毀壞或基本不損壞目標(biāo)的情況下使用廣泛多樣的探測照明檢查3D目標(biāo)物體。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的方法，該圖像數(shù)據(jù)用于構(gòu)造三維(3D)目標(biāo)物體的區(qū)域的圖像，所述方法包括以下步驟 從輻射源提供3D目標(biāo)物體處的入射輻射； 通過至少一個檢測器檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度，其中所述入射輻射位于相對于所述目標(biāo)物體的第一位置處； 相對于所述目標(biāo)物體重新定位所述入射輻射； 隨后檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度，其中所述入射輻射位于相對于所述目標(biāo)物體的第二位置處； 確定3D物體中的一個或多個深度處的探測函數(shù)，所述探測函數(shù)指示對所述入射輻射的至少一個特性的估計；以及 提供圖像數(shù)據(jù)，使用所述探測函數(shù)通過迭代處理能夠從該圖像數(shù)據(jù)構(gòu)造物體的一個或多個區(qū)域的圖像。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備，該圖像數(shù)據(jù)用于生成目標(biāo)物體的至少一個區(qū)域的圖像，所述設(shè)備包括 輻射源，用于提供3D目標(biāo)物體處的入射輻射； 至少一個檢測器裝置，用于檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度； 定位裝置，將所述目標(biāo)物體選擇性地定位在相對于所述入射輻射的兩個或更多個預(yù)定位置處；以及 處理器，響應(yīng)于兩個或更多個位置處的所檢測到的散射輻射的強度而提供所述圖像數(shù)據(jù)；其中 所述處理器被布置成提供指示所述3D目標(biāo)物體內(nèi)的各個深度處的區(qū)域的結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的實施例使用迭代方法來提供可用來檢查3D目標(biāo)物體的3D結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)。所使用的方法可在不需要能夠進行高精度聚焦的透鏡的情況下執(zhí)行。更確切地說，僅需要局部化的照明場，其相對于所使用的特定輻射場的波長可以較大。這可通過能夠例如產(chǎn)生不完美的或近似的聚焦效果的較差透鏡或通過允許來自源的輻射形成局部化的照明函數(shù)的光闌來提供。
本發(fā)明的實施例提供了一種方法和設(shè)備，在該方法和設(shè)備中，用于制造照明函數(shù)的光學(xué)儀器和檢測器可遠離目標(biāo)物體。這樣就一直保持了對樣本的良好訪問。
本發(fā)明的實施例提供一種方法和設(shè)備，在該方法和設(shè)備中，目標(biāo)物體僅暴露于輻射一次或者也許少量的數(shù)次，而不是許多次或延長的時間段。這防止了對目標(biāo)物體的損害或毀壞。
本發(fā)明的實施例允許3D檢查“離線”地發(fā)生。換句話說，在數(shù)據(jù)收集之后的任何時間，在分析處理期間使用該數(shù)據(jù)。這使得能夠通過在期望的某稍后日期聚焦到目標(biāo)物體的各個部分來檢查3D目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意，可替代地，該檢查可“實時”發(fā)生。



下面參考附圖僅以示例的方式說明本發(fā)明的實施例，在附圖中 圖1和圖2分別示出傳統(tǒng)透射成像和傳統(tǒng)掃描透射成像的使用； 圖3示出衍射如何不限制角度范圍； 圖4示出移動的聚焦探測如何允許測量大的視場； 圖5示出3D目標(biāo)物體和檢測器平面； 圖6示出目標(biāo)前光闌； 圖7A和7B示出入射平面波的k向量； 圖8示出迭代處理； 圖9示出輻射源、光闌、目標(biāo)和檢測器布置； 圖10示出用于3D檢查的系統(tǒng)；以及 圖11示出針對包括兩個獨立的平面物體的簡單三維物體的強度和相位結(jié)果；以及 圖12示出可替換的輻射源配置。

具體實施例方式 在附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同的部分。
圖4示出可以如何利用和使用散射圖來確定關(guān)于三維(3D)目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)的高分辨率信息。應(yīng)理解，術(shù)語目標(biāo)物體指的是布置在入射輻射的路徑中的任何樣本或物品，其造成該輻射的散射。應(yīng)理解的是，目標(biāo)物體對于入射輻射應(yīng)為至少部分地透明的。目標(biāo)物體可以具有或可以不具有某些重復(fù)結(jié)構(gòu)。
使入射輻射30落在目標(biāo)物體31上。輻射照明目標(biāo)物體。在該意義上應(yīng)理解，照明不一定意味著使用具有可見頻譜內(nèi)的波長的輻射。而是應(yīng)理解，術(shù)語輻射應(yīng)被廣泛地解釋為來自輻射源的能量。這包括電磁輻射，其包括X射線、諸如電子的發(fā)射粒子和/或聲波。這樣的輻射可由波函數(shù)ψ(r)表示，其中r是描述空間中的位置的三維向量。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的那樣，該波函數(shù)包括實數(shù)部分和虛數(shù)部分。這可由波函數(shù)模和相位來表示。ψ(r)*是ψ(r)的復(fù)數(shù)共軛，且ψ(r)·ψ(r)*＝|ψ(r)|2，其中|ψ(r)|2是波函數(shù)的可測量的強度。
入射輻射30在通過和越過樣本31時被散射。這樣照明體內(nèi)的波擾動在振幅和相位上被物體改變，并且從而改變物體下游的波函數(shù)的振幅和相位。因而作為傳播通過樣本且在樣本之后傳播的結(jié)果，入射輻射的特性被改變。如果在距離樣本較遠距離處設(shè)置諸如CCD檢測器32的檢測器陣列，則在衍射平面33處形成衍射圖。如果在與樣本的所選擇部分距離L處布置檢測器32，其中L對于將從點狀源(在物體平面處的充分小的照明體)有效地形成的衍射圖來說足夠長，則將形成傅里葉衍射圖。如果通過更近地布置檢測器而與樣本更靠近地形成衍射圖，則將形成Fresnel衍射圖。使用諸如透鏡或附近的光闌的裝置來將照明限制在物體的小區(qū)域內(nèi)。現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)需要物體是有限的或者是被清晰限定的照明函數(shù)照明的，以使得知道物體平面中的特定區(qū)域不會引起任何散射的波。在數(shù)學(xué)上這被描述為具有支持的物體波，其中支持區(qū)域外的散射是零。與之對照，用于本發(fā)明實施例的被照明的區(qū)域不需要被強烈地局部化和清晰地限定。它們可在其邊緣處緩慢地變化。通過這種方式，柔和變化的照明函數(shù)不一定包括高空間頻率。換句話說，其可以是帶寬限制函數(shù)，該函數(shù)形式上在廣度上可以是無限的，然而實質(zhì)上被局部化。
本發(fā)明的實施例在距離3D目標(biāo)物體一定距離處進行強度測量，并在下述迭代處理中使用該數(shù)據(jù)以生成可用來進行物體的3D結(jié)構(gòu)的估計的數(shù)據(jù)。為了收集所述數(shù)據(jù)，使某類型的照明函數(shù)入射在關(guān)注物體上。可通過廣范圍的場合生成照明，例如可通過某類別的透鏡或物體上游的光闌或可生成束狀照明的任何其他類別的光學(xué)裝置生成照明，該束狀照明基本上位于假定直徑D的物體的體積內(nèi)。然后也許可在如上所述的Fourier域或Fresnel衍射圖區(qū)域中在物體的下游收集強度數(shù)據(jù)?？衫脧V范圍的檢測器裝置，因為關(guān)于檢測器所有需要知道的是一般配置，因此使得可執(zhí)行所選物體平面中的波到檢測器的傳播函數(shù)的計算。所涉及的變化可包括使得根據(jù)Huygen(惠更斯)原理球面小波被加到一起的幾何變化。例如，可在物體的下游以相對于入射輻射的方向的一定角度以及在相對靠近物體的點處(在Fresnel衍射圖的情況中)安裝平面檢測器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，為了計算這樣的檢測器的表面上的波的強度或相位，可進行積分(也就是說，在樣本的體積范圍上限定可選的積分變換，以下稱為T+1)。物體的每個元體將散射球面波，該球面波在照射到檢測器上時將具有特定的強度和相位。在大散射角度的情況下，可通過傾斜因子或散射函數(shù)來改變該波的振幅，如現(xiàn)有技術(shù)中已記載的那樣。該強度和相位除取決于物體的散射特性外，也受物體的元體和檢測器上的點之間的路徑長度的影響?？墒褂萌欠ㄓ嬎憔_的路徑長度，解釋物體的元體相對于檢測器上的點的特定布置。該路徑長度還可確定波的總振幅的變化，因為球面波振幅隨傳播而衰退?？偟卣f來，因此可構(gòu)造積分變換，解釋成角度的檢測器或甚至檢測器的任何配置。在該上下文中，F(xiàn)resnel和Fourier積分是對應(yīng)于幾何上簡單的近似的這樣的積分變換的例子。以下將這樣的積分變換用T表示。所述的特定實施例將假定該變換是Fourier變換，應(yīng)理解，與其他檢測器配置有關(guān)的任何適當(dāng)?shù)姆e分變換可替代Fourier積分。
圖5更詳細地示出了該處理的例子。例如通過標(biāo)為35的弱透鏡或光闌將輻射34大致聚焦，使得目標(biāo)物體的第一體積被標(biāo)為36的波形照明。輻射可移動到從第一位置移位向量R的另一位置37。弱透鏡當(dāng)然可包括任何適當(dāng)?shù)木劢乖O(shè)備，諸如用于電子束的電壓源和一組極板或用于X射線的反射表面或波帶片。弱聚焦足以基本上限定探測輻射束。因而不需要強烈地聚焦輻射，盡管當(dāng)然可使用強烈聚焦的輻射。如果需要可利用另外的位置。
關(guān)于該圖5可定義笛卡爾坐標(biāo)x，y，z，其中z位于朝向檢測器的方向上。應(yīng)理解，相對于檢測器的精確方向不是必要的。將三維的物體標(biāo)為O(r)，其中r是上述向量，然而其可替換地可被分解成笛卡爾分量x、y和z。假定O(r)的每個元體可在通過其的任何照明波中引入相位變化或模衰減。本發(fā)明的實施例涉及在三個維度獲得O(r)的結(jié)構(gòu)的估計的方法。假定O(r)具有如下范圍和尺寸即該范圍和尺寸使得其一部分基本上被限定到z＝0附近的z坐標(biāo)，然而其可完全在z＝0上游(但是靠近z＝0)，或在z＝0下游(但是靠近z＝0)，或者優(yōu)選地具有包含z＝0的在z軸的深度。在x-y方向上對于O(r)的尺寸沒有限制。
入射在目標(biāo)物體上的照明輻射包括形成三維空間中的照明函數(shù)的探測函數(shù)P(r)(其中r也是三維向量)，諸如通過透鏡或其他光學(xué)組件形成的照明波形或焦散面所生成的照明輻射。P(r)是在關(guān)注物體所位于的空間的整個體積上計算出的該波場的復(fù)數(shù)平穩(wěn)值。其可移動用三維向量R表示的距離，以使得對于R的特定值，探測由P(r-R)表示。波函數(shù)ψ(r，R)定義對于r中的每個點且對于照明的特定位置R由物體散射的輻射的相位和模。一旦從每個物體的體積散射和透射的小波穿過空間到達檢測器，它們在振幅和相位上將相加，因而對于特定照明位置R生成強度分布(例如Fresnel或Fraunhofer衍射圖)I(u，v，R)，其中u和v是定義檢測器平面中的位置的坐標(biāo)。
圖5所示的檢測器具有位于物體下游的平坦表面，假定在距離L處。為了本實施例中解釋的簡便，檢測器位于與z軸平行的平面中，即平面(x，y，L)中，且L被選擇得較大以使得檢測器位于Fourier(Fraunhofer)衍射平面中。檢測器中的方形像素的物理寬度和高度被標(biāo)明為尺寸d，且xD和yD描述檢測器平面中的任何一個這樣的像素的坐標(biāo)。根據(jù)正切函數(shù)的小角度近似，我們可以近似地說 其中Δβ是物體平面處檢測器像素的(方形)邊所對的x或y方向上的立體角?，F(xiàn)在定義坐標(biāo) 其中βx和βy由下式給出 以及 在操作中，在檢測器中的不同像素處進行強度測量，且對于照明函數(shù)的特定位置R，這些強度然后在計算機或其他處理單元或數(shù)據(jù)存儲器中根據(jù)上述變換被布置到陣列I(u，v，R)中。
以下采用平面波可由以下等式來描述的慣例 ψ(r)＝Aei2πk·r(4) 其中r是如上定義的三維向量，k是指向與平面波中的固定相位的平面垂直的方向的倒易空間向量。A是復(fù)數(shù)，其模和相位描述點x＝y(tǒng)＝z＝0處的波的模和相位。k的幅度由下式給出 其中λ是所使用的輻射的波長。注意，僅考慮了波的空間依賴性，也就是說時間無關(guān)的波等式的解。還假定輻射基本上是單色的，從而使得關(guān)注的所有k向量會具有相同的幅度。然而事實是，此處說明的成像方法對于由小范圍的k向量幅度(即僅“基本上”相干)組成的照明來說是有效的。
定義了映射到坐標(biāo)u和v上(等式2)的二維函數(shù)f(x，y)的前向Fourier變換，以及 定義了對應(yīng)的后向傅里葉變換。當(dāng)然，對于距離物體不是這樣遠的檢測器配置，如該特定實施例中所述，如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的那樣，F(xiàn)resnel或其他傳播積分可能是更合適的。
可在物體附近的空間中的平面上估計入射在物體上的照明函數(shù)。在通過透鏡或光學(xué)組件產(chǎn)生照明的情況下，透鏡中的(已知)像差可用來計算這樣的平面中的照明函數(shù)。如果諸如(已知的)光闌的光學(xué)組件位于這樣的平面中，則可假定波在光闌的平面上具有恒定的相位，振幅由光闌的形狀確定?？商鎿Q地，可使用已知的物體函數(shù)以與下述方法相似的方式求解照明函數(shù)，然而將物體和照明函數(shù)的數(shù)學(xué)表示交換。在可用照明強度低的一些實施例中，使用透鏡將強度聚集在光闌或其他光學(xué)組件上是有利的，如圖12所示，物體上游的最終光學(xué)組件處的相位和振幅通過上述方法的組合來計算。
例如，我們可能已知在位于z＝0的x和y的平面中靠近物體存在光闌60。這在圖6中示出。由于認為波的時間演化不起作用(由于照明被認為在時間上相干)，光闌下游緊挨著的波場可由函數(shù)P(x，y，0)來描述，應(yīng)理解，這表示平面z＝0中的照明函數(shù)的復(fù)數(shù)值(描述模和相位)。在隨后的內(nèi)容中，僅在|x|和|y|的值小于D處P(x，y，0)才具有較大的模，從這種意義上看，P(x，y，0)被充分局部化是有利的，其中 其中Δβ是在點x＝y(tǒng)＝z＝0處檢測器像素的寬(或高)所對的角度。在小角度散射近似的情況下，如上，還可根據(jù)“照相機”長度L和檢測器像素的物理寬度(或高度)將D表示為 可根據(jù)入射在平面z＝0上的一組平面波的Fourier和來表示P(x，y，0)。這些平面波包括角頻譜，每個入射平面波的k向量還由角度坐標(biāo)u和v來描述，如圖5所示。這樣的角頻譜可由A(u，v)來表示，應(yīng)理解，其可被表示為2維陣列像素，其中每個像素具有確定位于角度坐標(biāo)u和v處的特定平面波的模和相位的復(fù)數(shù)值。
圖7A和7B示出了入射k向量和坐標(biāo)u、v之間的關(guān)系，如在計算機陣列或其他這樣的處理單元或數(shù)據(jù)存儲器中所表示的那樣。701、702、703和704示出了形成(虛線球體內(nèi)的)3D照明函數(shù)的入射平面波的k向量。所有k向量都具有相同的長度，但是以不同的角度入射。平行線711-714示出了對于這些入射波中的每個的具有固定相位的平面。在圖7B中，向量被重新布置，使得它們都從共同的原點對向(subtend)。示出通過2D陣列的截面，表示k向量的該分布(以及因此3D照明函數(shù)P(x，y，z)的對應(yīng)的真實空間表示)。該陣列的每個值(作為u的函數(shù)被示出，v＝0)具有與其相關(guān)聯(lián)的復(fù)數(shù)值，其描述了如等式2a定義的位于角度βx處的平面波分量的振幅和相位。在該圖中βy＝0。示出被標(biāo)記為703的針對k分量的βx。
可通過弱聚焦的透鏡方便地生成這樣的角頻譜，其中可認為函數(shù)A(u，v)位于從透鏡的出射光瞳發(fā)射的球形表面上。在具有位于其后焦平面中的光闌的透鏡的情況下，A(u，v)是半徑為w的圓盤的形式，其中所有值

具有零模。位于該圓盤內(nèi)的A(u，v)的值可具有由透鏡中的像差確定的相位，或取決于透鏡的照明的均勻性的模。
P(x，y，0)和A(u，v)之間的關(guān)系通過Fourier變換給出 應(yīng)理解，對于A(u，v)的二維Fourier變換產(chǎn)生z＝0的x-y平面中的照明函數(shù)。
如果僅P(x，y，0)是已知的(假定光闌位于平面z＝0中)，則可通過Fourier變換計算生成該函數(shù)所需的對應(yīng)分布A(u，v) A(u，v)＝∫∫P(x，y，0)e-i2π(ux+vy)dxdy(10) 可按如下方式來計算P(x，y，z)的估計。這是填充物體附近的三維空間區(qū)域的照明函數(shù)。形式
其中 相似地通過以下步驟在僅知P(x，y，0)時生成P(x，y，z)
在以上等式中，采用了如下慣例以限定坐標(biāo)的下標(biāo)來標(biāo)記Fourier算子，在該坐標(biāo)上Fourier算子進行運算。換句話說，為了對z中的特定平面形成P(x，y，z)，針對關(guān)注的z的特定值，關(guān)于x和y坐標(biāo)傅里葉變換P(x，y，0)，且乘以相位函數(shù)

且然后對其進行反向傅里葉變換。
如果僅考慮非常小的散射角度(如在電子波傳播的情況中那樣)，則
P(x，y，z)(以下將使用向量符號r將其寫作P(r)入射在物體函數(shù)O(r)上，且可以關(guān)于x或y坐標(biāo)將P(r)移動距離X，Y，Z。換句話說，以向量符號的形式，可形成P(r-R)。因此照明函數(shù)可被偏移以給出P(r-R)，或偏移物體函數(shù)以給出O(r-R)。在下文，僅討論移動照明函數(shù)的情況，應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明的實施例可移動物體或移動照明或者移動它們兩者，并且在許多實際的實施方式中，移動物體比移動照明更方便。因此由物體函數(shù)(不管是位于上游、下游還是在z＝0的平面處)導(dǎo)致的波場中的擾動由下式給出 ψ(r)＝P(r-R)·O(r)(15) 在坐標(biāo)u和v上在遠場中測量數(shù)據(jù)集I(u，v，R)(如針對兩個或更多個R值在等式2a和2b中通過角度變換所規(guī)定的那樣，其中這些R值(即R1和R2)優(yōu)選地被選擇為使得照明移動到與也被在被定位在某其他R值處時的至少一個其他照明函數(shù)照明的該物體的體積部分重疊的位置)。應(yīng)理解，為了獲得物體的寬視場，R位置的數(shù)目可能較大，優(yōu)選的步驟是對于任何一個Rn照明位置，存在至少一個其他照明位置Rm，該照明位置Rm與在照明位置Rn處所照射的體積基本上重疊。
根據(jù)圖8所示的迭代處理來處理數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，通過假定空物體函數(shù)s801來開始處理，以使得O(x，y，z)＝O(r)在其所有坐標(biāo)范圍上具有值一。隨著處理進行，O(r)的值被連續(xù)更新。O(r)的第n個估計被標(biāo)記為On(r)。
在步驟s802，提供前面已被測量或估計的且要檢查的目標(biāo)物體中的位置處的已知探測函數(shù)。
應(yīng)理解，如上所述可根據(jù)所需的便利以許多不同的方式確定探測函數(shù)。例如，如果利用位于距離目標(biāo)預(yù)定距離處的已知光闌，則可確定探測函數(shù)?？商娲兀墒褂镁哂杏嬎愠龅幕蛞阎闹档墓鈱W(xué)裝置，或另外地，可通過將已知的物體置入路徑中并逆計算為了產(chǎn)生測得的強度結(jié)果探測函數(shù)必須是什么，來更早地確定探測函數(shù)。在任何情況下，一旦得知探測函數(shù)那么下一步驟是 根據(jù)等式15形成 ψg(r，R)＝P(r-R)·O(r)＝ψg(x，y，z)。(16) 這提供了對目標(biāo)物體中的關(guān)注平面處的散射波函數(shù)的估計。為了提供對檢測器平面33處的該波場的估計，通過根據(jù)以下等式形成Mg(u，v，z)，在步驟S804進行對所推測的波函數(shù)的前向變換 應(yīng)理解，僅關(guān)于x和y坐標(biāo)進行該Fourier變換，以使得ψg(r)中z＝常數(shù)上的每個片段在其x和y坐標(biāo)上被Fourier變換且置入z＝常數(shù)處的Mg(u，v，z)中的片段中。
現(xiàn)在將Mg(u，v，z)分解成其模分量和相位分量，使得 對于被處理的特定照明函數(shù)位置R，存儲衍射圖I(u，v，R)。這是圖8中所示的平面2中的位置1處的已知強度且在步驟s805處被提供。接著形成該強度的均方根，且在步驟s806處等式(18)中所示的Mg(u，v，z)的模被該強度的均方根替代，使得 在此注意相同的模(僅在u和v中的坐標(biāo)上測量)被應(yīng)用到位于Mc(u，v，z)中的z的任何一個值處的像素。然而，所應(yīng)用的相位Θ(u，v，z)一般在不同的z值處將不同。
接著利用等式19生成的Mc(u，v，z)在步驟s807根據(jù)以下等式被逆變換 這提供了對實際空間中的波函數(shù)的正確估計，僅在u和v坐標(biāo)上進行后向Fourier變換。
通過如下等式在步驟s808構(gòu)造對物體函數(shù)On+1(x，y，z)＝On+1(r)的下一個估計 On+1(r)＝On(r)+U(r)(ψc，n(r)-ψg，n(r))，(21) 在此通過下式給出U(r) 其中參數(shù)β、δ和l被適當(dāng)?shù)剡x擇，且|Pmax(r-R)|是P(r-R)的振幅的最大值。結(jié)果是對于物體函數(shù)的新推測(s809)。
更新函數(shù)有助于使發(fā)生的有效解卷積成為可能，且引入加權(quán)系數(shù)，該加權(quán)系數(shù)使得在探測函數(shù)具有最大振幅的情況下物體函數(shù)被最強地更新?？蛇x擇的常數(shù)l可被設(shè)為1。其可被選擇為0-3的范圍內(nèi)的任何值，且不需要是整數(shù)值。當(dāng)存在許多噪聲時設(shè)置l＞1是有用的。當(dāng)由于散射幾何學(xué)而使得所檢測的強度是Gabor全息圖或相似的形式時，l可被選擇為l＜1。如果|P(r-R)|＝0，那么值δ用來防止被零除發(fā)生。δ是通常應(yīng)用在Weiner濾波器中的小實數(shù)，且通常(然而不一定)小于Pmax，且如果存在于所記錄的數(shù)據(jù)中的噪聲較小則其可以小得多。常數(shù)β控制算法中反饋的量，且可有利地在大致0.1和1之間變化。當(dāng)β＝小于0.5時，對物體的在前估計被認為比新估計更重要。兩者之間的值改變這兩個估計的相對重要性。β決定多快可求得解。
δ是可設(shè)置為固定值或可變化的參數(shù)。其指示記錄的數(shù)據(jù)的噪聲量如何且用來減緩如何響應(yīng)于這些情況來執(zhí)行更新。如果對于數(shù)據(jù)收集存在良好的條件，也就是說具有高束電流(高通量)，這意味著低散粒噪聲，則較安全的做法是使用所收集的結(jié)果來更新推測的估計。因此δ的值可以是Pmax的幾分之一(例如小1/10)。表達式 使得|P(r-R)|較大的區(qū)域的更新效果最大化。這是有用的，因為正是這些區(qū)域接收最大量的入射輻射，且因此包含具有相對高的信噪比的信息。該信息顯然比來自入射了非常少的輻射的區(qū)域、且嚴重受噪聲影響的信息更寶貴。
對于β＝1，l＝0和δ＝0且函數(shù)P(r-R)是可由其值是一的區(qū)域(而在其他地方其是零)表示的掩模(mask)或支持函數(shù)的情況，該算法與已知的Fienup算法有一定相似性。如果在該情況下僅使用一個位置R，則算法降低到與基本Fienup算法數(shù)學(xué)上相同。在使用多于一個位置R的情況下，算法比已知方法具有相當(dāng)多的優(yōu)點，包括不遭受唯一性問題的困擾以及可對更寬的視場成像的事實。
在更新對推測的運行估計之后，圖8所示的處理進行到選擇從新位置R收集的數(shù)據(jù)，該新位置R優(yōu)選地與在前位置至少部分地重疊。該重疊優(yōu)選地應(yīng)大于20％且優(yōu)選地為50％或更多。該數(shù)據(jù)的收集可通過將光闌移動預(yù)定量或使圖5所示的照明輻射落到目標(biāo)的不同區(qū)域上來完成。應(yīng)理解，本發(fā)明的實施例可在不改變光闌或入射輻射的位置的情況下成功地針對目標(biāo)物體的一個位置提供圖像數(shù)據(jù)。在這樣的實施例中，在步驟S808之后算法返回步驟S802。代替加載對物體函數(shù)O(r)的初始估計，在步驟S809加載步驟S808的對O(r)的新推測。隨著在每次迭代時入射輻射的已知強度的信息被添加(以及因此添加已知的振幅分量)以改進估計的準(zhǔn)確性，每次迭代時對物體函數(shù)的新推測將越來越近地近似于實際的物體函數(shù)。
然而更優(yōu)選的方法是接下來處理從新位置R收集的數(shù)據(jù)，該新位置R優(yōu)選地與在前位置部分地重疊，如圖8所示。
在步驟S810識別第二位置處的已知探測函數(shù)P(r-R2)，且然后重復(fù)上述步驟，以使得步驟S809中生成的新推測乘以步驟S810處識別的新的已知探測函數(shù)。這在步驟S811中示出。實際上這生成了在物體的整個體積上的照明函數(shù)散射的波的新估計。在步驟S812傳播所得到的散射波函數(shù)以提供應(yīng)在該位置被檢測的散射圖的估計。在步驟S813提供利用位置R2處的照明而測量的衍射圖數(shù)據(jù)，其給出關(guān)于變換的波函數(shù)的強度信息且因此給出振幅信息。強度信息用來校正變換的波函數(shù)的振幅，而在步驟S814相位信息被保持。該校正的波函數(shù)通過Fourier變換(當(dāng)圖像形成在遠場中時)、Fresnel變換(當(dāng)圖像形成在Fresnel衍射為主導(dǎo)的位置時)或任何其他合適的變換而被逆?zhèn)鞑?。這在步驟S815被示出。然后在步驟S816根據(jù)以上所示的更新函數(shù)校正O(r)的運行估計，且結(jié)果是步驟S817中示出的對物體函數(shù)的新推測。
在該階段，在第一照明位置處收集的數(shù)據(jù)可用于處理算法的進一步迭代。可替代地，可進行照明或光闌的進一步移動以到達第三或其他的位置，且收集第三組數(shù)據(jù)。同樣，在之前被照明的位置之間發(fā)生一定重疊的位置是優(yōu)選的。通過這種方式，整個目標(biāo)物體可被可選地映射?？商娲?，可在不使用已知的衍射圖結(jié)果進一步定位的情況下重復(fù)步驟S817生成的新推測。應(yīng)理解，當(dāng)僅提供關(guān)于目標(biāo)物體的一個照明位置時可使用本發(fā)明的實施例。在圖8中，迭代方法被示出為通過返回步驟S803而被重復(fù)，在步驟S803中將在步驟S817生成的新推測輸入到乘法級，而不是步驟S801提供的對物體函數(shù)的初始估計。
應(yīng)理解，可使用從各種照明位置R收集的相同數(shù)據(jù)多次進行圖8所示的迭代循環(huán)，且R的數(shù)目本身不受限制。可使用在前收集的數(shù)據(jù)在隨后的時間進行整個迭代過程。而且，如果僅關(guān)注物體的特定層或截面，那么在任何一個時間僅需處理這些z值，然而一旦收集了數(shù)據(jù)，則用戶可選擇優(yōu)化關(guān)注的z值(一個或多個)并且可以重復(fù)迭代計算以揭示通過z的任何或所有平面。
可以重復(fù)迭代方法直到預(yù)定的事件發(fā)生。例如迭代可重復(fù)預(yù)定次數(shù)，例如1000次或直到在檢測器處收集的實驗強度數(shù)據(jù)(針對一個或多個探測位置)和從物體函數(shù)的當(dāng)前估計計算的估計強度(在模校正之前)之間的差中測得的誤差平方和(SSE)。
在迭代處理期間，對于物體函數(shù)的最新推測提供了對該物體函數(shù)的運行估計。當(dāng)由預(yù)定事件的發(fā)生確定迭代處理完成時，物體函數(shù)的運行估計提供了在由入射輻射照明的位置的體積上的圖像數(shù)據(jù)。該圖像數(shù)據(jù)包括隨后可用來生成目標(biāo)物體的所選區(qū)域的高分辨率圖像的振幅和相位信息。
因而本發(fā)明的實施例提供了相位恢復(fù)(phase retrieval)的新方法，其適用于顯微鏡學(xué)中的許多情況，特別強調(diào)的是其適用于掃描透射電子顯微鏡。該方法僅需要來自少量(一個或多個)的不同探測或光闌位置的測量結(jié)果作為輸入強度信息，并且因此這消除了對于樣本后透鏡的需要，從而避免了與這樣的透鏡的像差相關(guān)聯(lián)的問題。所采用的算法快速收斂以復(fù)原物體透射函數(shù)的相位。這使得能夠?qū)崟r生成示出目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像。該算法在有噪聲的情況下也有效且對于非常廣范圍的不同物體和探測函數(shù)起作用。當(dāng)使用具有預(yù)定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)物體時，本發(fā)明的實施例還使得能夠計算探測函數(shù)。
圖9和圖10示出了用于提供如下圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備，即可使用該圖像數(shù)據(jù)來根據(jù)圖5所示的上述實施例構(gòu)造目標(biāo)物體的區(qū)域的高分辨率圖像。諸如激光器的輻射源900提供照明到分束器901，分束器901擴展了該輻射?？梢砸苿庸怅@902以使得照明能夠落到目標(biāo)903的所選區(qū)域上。
入射輻射具有入射波函數(shù)和出射波函數(shù)。該出射波函數(shù)傳播跨過距離L，在該距離L處衍射圖形成在檢測器陣列904上。該距離L有利地足夠長以使得傳播的出射波函數(shù)在遠場中形成Fourier衍射圖。檢測器陣列提供可檢測目標(biāo)物體903所散射的輻射的強度的至少一個檢測器。提供定位裝置905，其可以例如是微致動器，且這樣可相對于光闌根據(jù)需要將目標(biāo)物體定位在一個或多個位置處。通過這種方式可使得來自源900的輻射入射在目標(biāo)903的上游表面的不同位置上。
控制單元1000對微致動器提供控制信號且還從檢測器陣列904中的每個像素檢測器1001接收強度測量結(jié)果?？刂茊卧?000包括微處理器1002和數(shù)據(jù)存儲器1003以及用戶接口1004，用戶接口1004可包括用戶顯示器和用戶輸入鍵盤?？刂茊卧蛇B接到另外的處理裝置，諸如膝上電腦1005或PC，以用于遠程控制?？商娲兀瑧?yīng)理解，控制單元1000可由膝上電腦或PC提供?？刂茊卧蓪崟r地自動控制圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)生?？商娲兀脩艨墒褂糜脩艚涌诨蛳ド想娔X來選擇目標(biāo)物體的用于成像的區(qū)域或提供其它用戶輸入。
在使用中，輻射源900用輻射照明分束器901。在控制單元1000的控制下通過致動器905選擇性地定位目標(biāo)物體903。輻射形成在各個位置處由檢測器陣列904中的每個檢測器檢測到的衍射圖。來自這些檢測器的結(jié)果被輸入到控制單元并且可被存儲在數(shù)據(jù)存儲器1003或膝上電腦等中。如果僅使用一個位置來得出圖像數(shù)據(jù)，那么微處理器使用所檢測到的該信息連同包括關(guān)于上述處理的信息的程序指令一起來得到圖像數(shù)據(jù)。然而，如果在完成圖像數(shù)據(jù)之前需要一個或多個其他位置，則控制單元接著將信號發(fā)到致動器905，致動器905將樣本定位在另一所選位置。致動器905可將樣本置于許多不同位置中的一個位置處。在重新定位之后，形成在檢測器陣列上的另外的衍射圖被測量，并且將該結(jié)果存儲在控制單元中。作為例子，陣列904可以是1200×1200像素的CCD陣列。如果不再需要進一步的強度測量，則可使用上述算法根據(jù)兩個新存儲的結(jié)果集通過控制單元在該階段生成圖像數(shù)據(jù)。在PC或其他這樣的裝置上的用戶接口或遠程顯示器上可顯示原始圖像數(shù)據(jù)或從該圖像數(shù)據(jù)生成的高分辨率圖像。
圖11示出由使用圖9和圖10所示的布置的本發(fā)明實施例所提供的結(jié)果。對于3D目標(biāo)物體，將兩個投影儀幻燈片并排放置，每個幻燈片均在表面上攜帶預(yù)定的文本。對于兩個幻燈片的坐標(biāo)z中的對應(yīng)于實際位置的兩個z值如上所述那樣收集并處理數(shù)據(jù)。獲得在模和相位兩者方面給定一共四個圖像的兩個圖像。圖11a示出第一重構(gòu)圖像的模，而圖11b示出該同一重構(gòu)圖像的相位。圖11c示出第二重構(gòu)圖像的模信息，而圖11d示出第二重構(gòu)圖像的相位。已通過對應(yīng)于第一幻燈片的位置的z值計算了第一對圖像，同時已通過對應(yīng)于第二幻燈片的位置的z值計算了第二對。在圖11a和11b的第一對圖像中，單詞“camera”(包含在第一幻燈片中)是對焦的，然而顛倒的字母(它們在第二幻燈片的平面中)是離焦的。在第二對圖像中，單詞“camera”是離焦的而顛倒的字母(它們現(xiàn)在位于由重構(gòu)中所使用的z值所選擇的第二幻燈片的平面中)是清晰地對焦的。
所述結(jié)果示出了在z方向上具有兩層的性能，然而所述結(jié)果當(dāng)然可根據(jù)本發(fā)明的其他實施例被擴展以提供z方向上的連續(xù)陣列，從而辨別出物體的不同層。
因而本發(fā)明的實施例提供了一種用于得出目標(biāo)物體的圖像數(shù)據(jù)的迭代方法。可以以智能的方式應(yīng)用該迭代方法從而能夠應(yīng)對一般的照明系統(tǒng)。在這些中，光闌的透射比函數(shù)被較弱地限定，或者可較弱地聚焦輻射束。在替代實施例中，不是得出物體的信息，而是如果物體是熟知的，則可得出關(guān)于輻射或光闌自身的信息。
應(yīng)理解，在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)描述了下面的算法該算法可在假定可在2D物體的平面處進行對探測的2D估計的情況下使用從許多探測位置收集的衍射數(shù)據(jù)來研究二維(2D)物體。本發(fā)明的實施例可被視為該算法的新穎的有創(chuàng)造性的改進，其中在三維物體的整個厚度中的不同深度處在許多不同的平面上估計探測。熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)認識到，由于以下原因中的一個或若干個，之前人們認為在實際中不可能實現(xiàn)對這樣的現(xiàn)有技術(shù)的擴展以研究三維物體。
首先，眾所周知，迭代相位復(fù)原方法難以確定物體的平面。這是因為朝向檢測器平面或遠離檢測器平面的散射波的小移位不會較多地影響所檢測到的強度。因此認為利用2D物體的上述現(xiàn)有技術(shù)的成功是依賴于二維物體的重合位置和重構(gòu)中使用的對2D照明函數(shù)的特定估計。之前假定如果物體的任何部分都不與所估計探測的平面相一致，則該算法一定會失敗，因為收集的數(shù)據(jù)將不會與關(guān)于探測和物體的相互影響而進行的假定相一致。
其次，對于3D物體，從物體的不同層散射的波將以使二維近似無效的方式干擾衍射平面。這是因為對于給定有限散射角，額外的相位變化被引入到從物體的不同深度發(fā)出的波。這會暗示，這樣的干擾將破壞應(yīng)用現(xiàn)存的現(xiàn)有技術(shù)2D算法的機會，因為其忽視了這樣的干擾影響。
第三，已知的是，在3D物體中，照明函數(shù)由于來自物體自身的散射(或甚至多次散射)在充分遠離輻射的入射表面的平面處相對于自由空間照明函數(shù)被改變。
第四，由于在現(xiàn)有技術(shù)方法中僅收集2D數(shù)據(jù)。目前為止認為這根本不會編碼任何3D信息。本發(fā)明的實施例利用預(yù)想不到的結(jié)果盡管之前認為某些技術(shù)不適用于3D應(yīng)用，但現(xiàn)有技術(shù)的某些方面可根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)被修改且相當(dāng)出人意外地被應(yīng)用以提供如下工具，該工具用于提供可用于估計/研究3D樣本中的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。
貫穿該說明書的說明和權(quán)利要求，單詞“包括”和“包含”以及該單詞的變形(例如“含有”和“具有”)意味著“包括但不限于”，且不意圖(并且也并沒有)排除其他份額、附加物、組份、整體或步驟。
貫穿該說明書的說明和權(quán)利要求，單數(shù)涵蓋復(fù)數(shù)，除非上下文另外要求。特別地，在使用不定冠詞時，該說明書應(yīng)被理解為除單數(shù)外還構(gòu)思了復(fù)數(shù)，除非上下文另外要求。
結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實施例或例子而說明的特征、整體、特性、組合、化學(xué)份額或組應(yīng)被理解為適用于此處說明的任何其他方面、實施例或例子，除非與其不兼容。
權(quán)利要求
1.一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的方法，所述圖像數(shù)據(jù)用于構(gòu)造三維(3D)目標(biāo)物體的區(qū)域的圖像，所述方法包括步驟
從輻射源提供3D目標(biāo)物體處的入射輻射；
通過至少一個檢測器檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度，其中所述入射輻射位于相對于所述目標(biāo)物體的第一位置處；
相對于所述目標(biāo)物體重新定位所述入射輻射；
隨后檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度，其中所述入射輻射位于相對于所述目標(biāo)物體的第二位置處；
確定3D物體中的一個或多個深度處的探測函數(shù)，所述探測函數(shù)指示對所述入射輻射的至少一個特性的估計；以及
提供圖像數(shù)據(jù)，使用所述探測函數(shù)通過迭代處理能夠從該圖像數(shù)據(jù)構(gòu)造物體的一個或多個區(qū)域的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供圖像數(shù)據(jù)的所述步驟進一步包括步驟
響應(yīng)于使用相對于所述目標(biāo)物體能夠移動的柔和變化的透射函數(shù)或照明函數(shù)在所述第一和第二位置處時所檢測到的至少所述強度，而提供所述圖像數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括步驟
對應(yīng)于針對每個深度的待檢查的所述目標(biāo)物體的相應(yīng)區(qū)域，確定所述目標(biāo)物體內(nèi)的多個深度；
對于每個深度，確定相應(yīng)的探測函數(shù)；以及
將所述圖像數(shù)據(jù)作為多個數(shù)據(jù)集提供，每個數(shù)據(jù)集對應(yīng)于相應(yīng)的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括步驟
通過使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)集順序地構(gòu)造每個均對應(yīng)于相應(yīng)深度的多個圖像，而提供所述目標(biāo)物體的預(yù)定深度處的圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中提供所述圖像數(shù)據(jù)的所述步驟包括步驟
響應(yīng)于利用相對于所述目標(biāo)物體被不同地定位的所述入射輻射所檢測到的強度，估計指示所述目標(biāo)物體的所述區(qū)域的至少一個特性的物體函數(shù)；以及
迭代地重新估計所述物體函數(shù)；從而
隨著每次迭代，通過重新估計所述物體函數(shù)所提供的對物體函數(shù)的運行估計的準(zhǔn)確性被改進。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括步驟
使所估計的所述物體函數(shù)乘以所述探測函數(shù)；
響應(yīng)于所述乘法的結(jié)果，提供散射波估計函數(shù)；
傳播所述散射波估計函數(shù)以提供對預(yù)期散射圖的估計；以及
根據(jù)所檢測到的強度校正所述預(yù)期散射圖的至少一個特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括步驟
逆?zhèn)鞑ソ?jīng)校正的所述預(yù)期散射圖以提供更新的散射波估計函數(shù)；以及
根據(jù)以下函數(shù)響應(yīng)于所述更新的散射波估計函數(shù)更新對所述物體函數(shù)的運行估計
On+1(r)＝On(r)+U(r)(ψc，n(r)-ψg，n(r))
其中，r是以笛卡爾坐標(biāo)x，y，z表示的3D向量，Qn+1(r)是對物體函數(shù)的運行估計，On(r)是對物體函數(shù)的在先估計，或者在沒有在先估計時為一或某些其他預(yù)定值，U(r)表示更新函數(shù)，ψc，n(r)是散射波估計函數(shù)處的校正的推測，而ψg，n(r)是針對迭代的當(dāng)前推測的散射波估計函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述更新函數(shù)U(r)是
其中，R是所述探測從所述第一位置到所述第二位置所移動的距離向量，β是反饋常數(shù)，P(r-R)是在位置R處的探測函數(shù)，P*(r-R)是探測函數(shù)P(r-R)的復(fù)共軛，Pmax(r-R)是P(r)的振幅的最大值，δ是可選擇的參數(shù)，而l是可選擇的參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6中的任一項所述的方法，其中在所檢測到的強度是在遠場被檢測到時所述傳播步驟包括Fourier變換。
10.根據(jù)權(quán)利要求6中的任一項所述的方法，其中在所述至少一個檢測器處于使得Fresnel衍射為主導(dǎo)的、相對于所述目標(biāo)物體的距離處時所述傳播步驟是Fresnel傳播。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，還包括步驟
選擇所述第二位置以使得所述第一位置確定的區(qū)域與所述第二位置確定的另外的區(qū)域相重疊。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述另外的區(qū)域與所述區(qū)域的至少20％相重疊。
13.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述另外的區(qū)域與所述區(qū)域的多于50％相重疊。
14.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的方法，其中根據(jù)下式計算傳播
其中，僅關(guān)于x和y坐標(biāo)進行變換Tx，y+1，從而對于每個深度，ψg(r)中的z＝常數(shù)上的平面1片段在其x和y坐標(biāo)上被Fourier變換，并且被置入z＝常數(shù)處的Mg(u，v，z)中的相應(yīng)平面2片段中。
15.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括步驟通過以下關(guān)系，針對特定探測位置R，根據(jù)檢測器處測得的強度，在坐標(biāo)u和v上校正Mg(u，v，z)，以得出Mc(u，v，z)的校正的估計
其中，Mc(u，v，z)是Mg(u，v，z)的校正的估計，其中
是針對照明位置R在檢測器平面坐標(biāo)u和v上測得的強度的平方根(模)，且其中eiΘ(u，v，z)是通過按照下式將Mg(u，v，z)分解成其模和相位分量而得出的Mg(u，v，z)的相位分量
應(yīng)理解，在該處理后，Mc(u，v，z)的所述模因此對于每個檢測器坐標(biāo)u，v在所有z上是常數(shù)，然而所述相位eiΘ(u，v，z)對于不同的z值一般將不同。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中根據(jù)下式計算所述逆?zhèn)鞑?br> ψc，n(x，y，z)是針對所述計算的第n次迭代的實際空間中的波函數(shù)的校正估計，僅在u和v坐標(biāo)上進行后向變換。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟
針對所述處理算法的第n次迭代，在所述物體的整個體積上估計所述物體導(dǎo)致的波的散射相位和振幅，由下式給出
ψg(r，R)＝P(r-R)·O(r)＝ψg(x，y，z)
該估計適用于照明函數(shù)的特定位置，并且是對物體函數(shù)的對應(yīng)的特定的當(dāng)前估計。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述物體占據(jù)的整個體積r上，對n＝1時的On(r)的第一估計包括振幅一和相位零。
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括步驟
經(jīng)過Fourier計算例如通過透鏡生成的入射平面波的P(x，y，z)分量，使得
作為坐標(biāo)u和v的函數(shù)，A(u，v)確定入射在所述目標(biāo)物體上的平面波的角度頻譜的模和相位，且其中
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括步驟
從位于z＝0處的任何一個預(yù)定平面P(x，y，0)處的相位和模的值計算P(x，y，z)，以使得
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟
當(dāng)發(fā)生預(yù)定事件時終止迭代處理。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述預(yù)定事件包括迭代次數(shù)滿足預(yù)定條件。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述預(yù)定的事件包括誤差平方和滿足預(yù)定條件。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟
通過選擇所述入射輻射落在所述目標(biāo)物體上的位置來相對于所述目標(biāo)物體定位所述入射輻射。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括步驟
通過利用透鏡或其他光學(xué)組件形成照明波形來選擇所述入射輻射落在所述目標(biāo)物體上的位置。
26.根據(jù)權(quán)利要求1-25中的任一項所述的方法，其中所述入射輻射包括被基本上局部化的波場。
27.根據(jù)權(quán)利要求1-26中的任一項所述的方法，其中所述圖像數(shù)據(jù)具有基本上波長受限的分辨率。
28.根據(jù)權(quán)利要求1-27中的任一項所述的方法，其中所述至少一個檢測器包括兩個或更多個檢測器。
29.根據(jù)權(quán)利要求1-28中的任一項所述的方法，還包括步驟
對于所述目標(biāo)物體的區(qū)域?qū)崟r地提供所述圖像數(shù)據(jù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求1-29中的任一項所述的方法，還包括步驟
基于所述圖像數(shù)據(jù)在用戶顯示器上生成所述區(qū)域的圖像。
31.根據(jù)權(quán)利要求1-30中的任一項所述的方法，還包括步驟
通過來自反射表面的焦散面或弱透鏡提供所述目標(biāo)物體處的所述入射輻射。
32.根據(jù)權(quán)利要求1-31中的任一項所述的方法，還包括步驟
將所述至少一個檢測器中的每個定位在關(guān)于所述目標(biāo)物體的遠場中。
33.根據(jù)權(quán)利要求1-32中的任一項所述的方法，還包括步驟
將所述至少一個檢測器中的每個定位在使得Fresnel衍射為主導(dǎo)的、相對于所述目標(biāo)物體的距離處。
34.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中通過Fourier衍射和/或Fresnel衍射來散射所述輻射。
35.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中所述至少一個特性包括振幅和/或相位。
36.根據(jù)權(quán)利要求3以及其從屬權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述探測函數(shù)包括時間無關(guān)的3D照明函數(shù)。
37.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，還包括步驟
在所述輻射源和所述目標(biāo)物體之間提供目標(biāo)前光闌；以及
將所述光闌和/或源定位在不同的位置處，從而提供位于相對于所述目標(biāo)物體的所述第一和第二位置處的入射輻射。
38.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，還包括步驟
在所述輻射源和所述目標(biāo)物體之間提供透鏡；以及
將所述透鏡和/或源定位在不同位置處，從而提供位于相對于所述目標(biāo)物體的所述第一和第二位置處的入射輻射。
39.根據(jù)權(quán)利要求37或38所述的方法，還包括步驟
在透鏡或光闌與所述目標(biāo)物體之間提供一定距離，所述距離足以允許與所述透鏡或光闌的出射位置處的輻射相關(guān)聯(lián)的波函數(shù)以入射至所述目標(biāo)物體處之前的形狀演化。
40.根據(jù)權(quán)利要求37或38所述的方法，還包括步驟
利用位于相對于所述目標(biāo)物體的一個或更多個其他位置處的入射輻射或目標(biāo)物體后光闌檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度；以及
使用所述其他位置中的至少一個位置處的檢測到的散射輻射的強度，通過迭代處理提供所述圖像數(shù)據(jù)。
41.一種計算機程序，包括用于使計算機執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-40中的任一項所述的方法的程序指令。
42.一種計算機程序產(chǎn)品，其上具有計算機程序代碼裝置，當(dāng)該程序被裝載時，所述計算機程序代碼裝置使計算機執(zhí)行在用戶顯示器上顯示目標(biāo)物體的區(qū)域的圖像的步驟，用于生成所述圖像的圖像數(shù)據(jù)由所述計算機根據(jù)權(quán)利要求1-40中的任一項所述的方法來確定。
43.一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備，該圖像數(shù)據(jù)用于生成目標(biāo)物體的至少一個區(qū)域的圖像，所述設(shè)備包括
輻射源，用于提供3D目標(biāo)物體處的入射輻射；
至少一個檢測器裝置，用于檢測被所述目標(biāo)物體散射的輻射的強度；
定位裝置，將所述目標(biāo)物體選擇性地定位在相對于所述入射輻射的兩個或更多個預(yù)定位置處；以及
處理器，響應(yīng)于兩個或更多個位置處的所檢測到的散射輻射的強度而提供所述圖像數(shù)據(jù)；其中
所述處理器被布置成提供指示所述3D目標(biāo)物體內(nèi)的各個深度處的區(qū)域的結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其中所述入射輻射提供柔和變化的照明函數(shù)。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其中所述處理器進一步包括
微處理器；
為所述微處理器保存數(shù)據(jù)和指令的數(shù)據(jù)存儲器；以及
控制器，提供指令以移動所述入射輻射或目標(biāo)物體中的至少一個。
46.根據(jù)權(quán)利要求43所述的設(shè)備，還包括
所述處理器被布置成在所述目標(biāo)物體的每個相應(yīng)深度處確定所述探測函數(shù)。
47.基本如前面參考附圖所述的所構(gòu)造和布置的設(shè)備。
48.基本如前面參考附圖所述的方法。
全文摘要
公開了一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備，該圖像數(shù)據(jù)用于構(gòu)造三維目標(biāo)物體的區(qū)域的圖像。該方法包括步驟提供入射輻射；通過至少一個檢測器檢測被目標(biāo)物體散射的輻射的強度；相對于目標(biāo)物體重新定位入射輻射；隨后檢測被目標(biāo)物體散射的輻射的強度；確定指示物體的一個或多個深度處的入射輻射的至少一個特性的估計的探測函數(shù)，提供圖像數(shù)據(jù)，從該圖像數(shù)據(jù)使用探測函數(shù)通過迭代處理構(gòu)造物體的一個或多個區(qū)域的圖像。
文檔編號G01T1/29GK101820817SQ200880100101
公開日2010年9月1日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者J·M·羅登伯格 申請人:階段聚焦有限公司