透射型光学元件分层相位成像的装置和方法
【专利摘要】一种透射型元件分层相位成像的装置和方法，该装置由相干光源、扩束器、会聚透镜、待测光学元件、二维电动平移台、探测器和计算机组成，本发明相干光源发出的准平行光经过会聚透镜后形成的会聚球面波作为待测光学元件的照明光，在计算机的控制下驱动二维电动平移台移动待测光学元件，并在待测光学元件后一定距离处用探测器记录待测光学元件在不同位置时的衍射光斑，通过计算机处理获得待测光学元件各层的复振幅透过率函数及各层的相位。而且测量过程中不会对光学元件的结构造成任何破坏。
【专利说明】透射型光学元件分层相位成像的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多层结构的光学元件。特别是一种透射型光学元件分层相位成像的装置和方法。
【背景技术】
[0002]与采用干涉技术来实现相位成像的典型代表‘全息’(holography)相对应,在非干涉相位成像领域也存在一个对应的测量方法，叫‘ptychography’。其基本思路在1970年前后由Hoppe等人提出，后经Fienup等人的完善逐步发展起来(参见J.R.Fienup.Phaseretrieval algorithms: a comparison[J], Appl.0pt., 1982, 21 (15):
[0003]2758?2769)。该方法是用所记录的物体透射光远场强度谱，通过频谱面和物面之间的反复叠代运算，将物面上收敛的计算结果作为物体的实际分布，从而得到物体的相位信息。
[0004]2004 年 John Rodenburg 提出 Ptychographic Iterative Engine (PIE),(参JAL J.Μ.Rodenburg and Η.M.L.Faulkner, A phase retrieval algorithm for shiftingillumination [J], Appl.Phys.Lett., 2004, 85(20):4795 ?4797)。激光经过小孔后形成的发散光对样品进行扫描，同时记录一系列的散射斑强度In(x，y)。进行相位恢复时先给被测量物体一个任意的初始猜想值，并计算此猜想物体的透射光场和其傅立叶变换，进而将此频谱的振幅用所记录到的强度的平方根代替而保留其相位不变，再作反变换并更新待测物体的复振幅，如此反复将在所有照明位置记录的频谱按顺进行叠代运算。
[0005]2009 年，Maiden 等提出了 Extended-PIE (ePIE)算法(参见 Andrew M.Maiden andJohn M.Rodenburg, An improved ptychographical phase retrieval algorithm fordiffractive imaging, Ultramicroscopy, 2009, 109:1256 ~ 1262)。ePIE 作为一种改进的PIE算法，在样品上照明光未知的情况下分别赋予样品和照明光初始猜测值，在迭代运算过程中对样品和照明光同时更新，同时恢复照明光和样品分布。

【发明内容】

[0006]本发明的目的是在ePIE算法的基础上，提出一种透射型光学元件分层相位成像的装置和方法，本发明相干光源发出的准平行光经过会聚透镜后形成的会聚球面波作为待测光学元件的照明光，在计算机的控制下驱动二维电动平移台移动待测光学元件，并在待测光学元件后一定距离处用探测器记录待测光学元件在不同位置时的衍射光斑，通过计算机处理获得待测光学元件各层的复振幅透过率函数及各层的相位。而且测量过程中不会对光学元件的结构造成任何破坏。
[0007]本发明的技术解决方案如下:
[0008]一种透射型光学元件分层相位成像的装置，其特点在于:该装置由相干光源、扩束器、会聚透镜、待测光学元件、二维电动平移台、探测器和计算机组成，上述元件的位置关系如下:[0009]沿相干光源发出的波长为λ的光依次经过扩束器、会聚透镜后变为球面波，该球面波照射待测光学元件，所述的待测光学元件置于二维电动平移台上并在垂直于光路方向进行逐行逐列扫描，所述的探测器记录照明光经过待测光学元件后的衍射光斑分布，所述的探测器输出端与所述的计算机的输入端相连，计算机的输出端与所述的二维电动平移台的控制端相连。
[0010]利用上述装置对具有多层结构的透射型光学元件实现分层相位成像的方法，其特点在于该方法包括下列步骤:
[0011]①将待测光学元件置于二维电动平移台上并使之与入射光束垂直，待测光学元件
具有多层结构，沿光束传播方向，依次定义为层1、层2、层3......层N-ι、层N,层I与层2之
间的距离为Z1，层2与层3之间的距离为Z2,以此类推，层N-1与层N之间的距离为Zim，待测光学元件最后一层距离所述的探测器的距离为ZN，层I与所述的会聚透镜(3)的焦距之间的距离为Ztl ；
[0012]②所述的计算机控制所述的二维电动平移台使所述的具有多层结构的待测光学元件在垂直于光束传播方向的平面内进行逐行逐列扫描，步长为1，相邻两个扫描位置处透光部分必须有重叠，重叠面积最好为光斑的三分之二，待测光学元件的移动的位置由P行q列的矩阵表示，在扫描过程中，当所述的待测光学元件处于i行j列时，所述的探测器记录衍射光斑的光强分布为Iu，其中i为I~P的正整数，j为I~q的正整数，P, q分别表示待测光学元件扫描矩阵的总行数和总列数，Iiij以m行η列矩阵形式存储在计算机中，扫描后的光斑全部记录完成后，得到一组光斑数据I1,P Ιι;2>...IijJ,..Ip,q ;
[0013]③利用光斑数据 进行相位处理的步骤:
[0014]计算机首先对待测光学元件每一层的透过率函数，包括振幅透过率和相位改变量提供一个随机的猜测值作为初始值:
[0015]obj1=obj2...=ob j3=E*exp (i*rand (a, b)*2 π )，
[0016]其中:E为振幅，rand (a, b)为产生a行b列的随机矩阵，a=m+(p_l)*l,b=n+(q_l)*l,其中m、n分别为光斑矩阵的行、列，P、q分别分别为扫描矩阵的行、列，I为扫描步长；沿光束传播方向待测光学元件第一层(元件表面)处的照明光为Hlu1，提供一个猜测值作为初始值:
【权利要求】
1.一种透射型光学元件分层相位成像的装置，其特征在于:该装置由相干光源(I)、扩束器(2)、会聚透镜(3)、待测光学元件(4)、二维电动平移台(5)、探测器(6)、计算机(7)组成，上述元件的位置关系如下: 沿相干光源(I)发出的波长为λ的光依次经过扩束器(2)、会聚透镜(3)后变为球面波，球面波照射待测光学元件(4)，所述的待测光学元件(4)置于二维电动平移台(5)上并在垂直于光路方向进行逐行逐列扫描，所述的探测器(6)记录照明光经过待测光学元件后的衍射光斑分布，所述的探测器(6)输出端与所述的计算机(7)的输入端相连，计算机(7)的输出端与所述的二维电动平移台(5)的控制端相连。
2.利用权利要求1所述的装置对具有多层结构的透射型光学元件实现分层相位成像的方法，其特征在于该方法包括下列步骤: ①将待测光学元件(4)置于二维电动平移台(5)上并使之与入射光束垂直，待测光学兀件具有多层结构，沿光束传播方向，依次定义为层1、层2、层3......层N-1、层N,层I与层2之间的距离为Z1，层2与层3之间的距离为Z2,以此类推，层N-1与层N之间的距离为ΖΝ_1;待测光学元件最后一层距离所述的探测器的距离为ΖΝ，层I与所述的会聚透镜(3)的焦距之间的距离为Ztl ； ②所述的计算机(7)控制所述的二维电动平移台(5)使所述的具有多层结构的待测光学元件(4)在垂直于光束传播方向的平面内进行逐行逐列扫描，步长为1，相邻两个扫描位置处透光部分必须有重叠，重叠面积最好为光斑的三分之二，待测光学元件(4)的移动的位置由P行q列的矩阵表示，在扫描过程中，当所述的待测光学元件(4)处于i行j列时，所述的探测器(6)记录衍射光斑的光强分布为Iu，其中i为I~P的正整数，j为I~q的正整数，P，q分别表示待测光学元件(4)扫描矩阵的总行数和总列数，Iiij以m行η列矩阵形式存储在计算机(7)中，扫描后的光斑全部记录完成后，得到一组光斑数据I1J工1, 2，...1 i, j，..1p, q ; ③利用光斑数据进行相位处理的步骤: 计算机(7)首先对待测光学元件每一层的透过率函数，包括振幅透过率和相位改变量提供一个随机的猜测值作为初始值:
obj1=obj2...=Obj3=E氺exp (i氺rand (a, b)氺2 π ), 其中:E为振幅，rand (a, b)为产生a行b列的随机矩阵，a=m+(p_l)*l, b=n+(q_l)*l,其中m、η分别为光斑矩阵的行、列，P、q分别分别为扫描矩阵的行、列，I为扫描步长；沿光束传播方向待测光学元件第一层(元件表面)处的照明光为Hlu1，提供一个猜测值作为初始值:
【文档编号】G01M11/00GK103837325SQ201410064172
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】王海燕, 刘诚, 潘兴臣, 孙美智, 程君, 朱健强 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所