加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種掃描相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用，尤其是一種加縱向分離參照 的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 掃描相干衍射成像是一種將傳統(tǒng)相干衍射成像技術(shù)與ptychography技術(shù)相結(jié)合 的新型相干衍射成像方法，它的提出解決了傳統(tǒng)的相干衍射成像技術(shù)要求樣品為孤立樣 品，成像視場小，重建算法收斂慢、停滯、重建結(jié)果不唯一等一系列缺陷。但是對于弱散射的 樣品，由于其衍射信號較為微弱，以往的掃描相干衍射成像技術(shù)往往無法實現(xiàn)對它們的準(zhǔn) 確成像，甚至無法成像。對于弱散射樣品，成像結(jié)果更易受到成像過程中引入的各種干擾的 影響，這就需要大量的冗余數(shù)據(jù)保證成像的抗干擾性。另外，由于掃描相干衍射成像過程 中要求相鄰探針位置的照射區(qū)域有部分重合，這就不可避免地在重建圖像中引入了格點偽 影。申請人通過對模擬數(shù)據(jù)的重建結(jié)果研宄發(fā)現(xiàn)，由于探針掃描過程中相鄰位置的部分重 疊引入的格點噪音是一種乘性噪音，可以將真實的探針在整個掃描區(qū)域的累積通量作為矯 正系數(shù)矩陣對重建結(jié)果進(jìn)行矯正。但由于探針與目標(biāo)樣品的波前函數(shù)在核心重建公式中的 互易關(guān)系，造成重建出的探針同樣具有與目標(biāo)樣品相類似的偽影圖形，失真的探針信息無 法用來產(chǎn)生矯正系數(shù)矩陣。由于相位恢復(fù)算法無法克服的自限性，矯正系數(shù)矩陣與待矯正 的目標(biāo)樣品重建圖像的對準(zhǔn)問題同樣難以解決。經(jīng)檢索，相關(guān)掃描相干衍射顯微成像裝置 及應(yīng)用，尤其是一種加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用還未見 報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種加縱向分離參照的多重級 聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用。
[0004] 本發(fā)明所述的加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置，沿光束前 進(jìn)方向依次共軸排列有相干光光源----激光光源、由光強(qiáng)衰減片、短焦會聚透鏡、光闌和 長焦會聚透鏡組成的激光光源光束優(yōu)化組件、限光微孔、由精密電機(jī)控制可在垂直光軸平 面上做上下左右方向位移掃描的目標(biāo)樣品臺、CCD圖像傳感器，和連接CCD圖像傳感器的計 算機(jī)；其中，所述光強(qiáng)衰減片、短焦會聚透鏡、光闌、長焦會聚透鏡、限光微孔固定在裝置設(shè) 定的磁力座上，（XD圖像傳感器固定放置在兩個相互垂直的且能上下左右方向移動的步進(jìn) 架上，該步進(jìn)架同時固定于能沿光軸方向前后移動的步進(jìn)架上；
[0005] 或者，本發(fā)明所述的加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置沿光 束前進(jìn)方向依次共軸排列有相干光光源一同步輻射相干光源、限光微孔、由精密電機(jī)控 制可在垂直光軸平面上做上下左右方向位移掃描的目標(biāo)樣品臺、C⑶圖像傳感器，和連接 CCD圖像傳感器的計算機(jī)；其中，所述限光微孔固定在裝置設(shè)定的磁力座上，CCD圖像傳感 器固定放置在兩個相互垂直的且能上下左右方向移動的步進(jìn)架上，該步進(jìn)架同時固定于能 沿光軸方向前后移動的步進(jìn)架上；
[0006] 其特征在于：
[0007] 當(dāng)裝置中相干光光源為激光光源時，所述裝置在限光微孔與目標(biāo)樣品臺之間設(shè)置 有由精密步進(jìn)電機(jī)控制且可在垂直光軸平面上做上下左右方向位移掃描的參照樣品臺； 所述光強(qiáng)衰減片選擇調(diào)節(jié)光強(qiáng)與CCD圖像傳感器的動態(tài)感光范圍相匹配且衰減倍數(shù)為10 倍?1000倍的光強(qiáng)衰減片；所述短焦會聚透鏡和長焦會聚透鏡焦點重合，短焦會聚透鏡的 焦距為10mm?200mm，長焦會聚透鏡的焦距為220mm?3000mm，兩透鏡按焦距的比例拓展 光束；所述光闌位于短焦會聚透鏡和長焦會聚透鏡的焦點上；所述限光微孔位于長焦會聚 透鏡后的任意距離，其孔徑為〇?Olum?500um;所述參照樣品臺位于限光微孔后0? 01mm? 5mm;所述目標(biāo)樣品臺位于參照樣品臺后0?Olum?500um;所述C⑶圖像傳感器位于目標(biāo)樣 品臺后lcm?200cm;
[0008] 當(dāng)裝置中相干光光源為同步輻射相干光源時，所述裝置在限光微孔與目標(biāo)樣品臺 之間設(shè)置有由精密步進(jìn)電機(jī)控制且可在垂直光軸平面上做上下左右方向位移掃描的參照 樣品臺；所述限光微孔孔徑為〇?Olum?500um;所述參照樣品臺位于限光微孔后0? 01mm? 5mm;所述目標(biāo)樣品臺位于參照樣品臺后0?Olum?500um;所述C⑶圖像傳感器位于目標(biāo)樣 品臺后lcm?200cm;
[0009] 上述的加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置中，優(yōu)選的實施方 式是：
[0010] 當(dāng)裝置中相干光光源為激光光源時，所述光強(qiáng)衰減片選擇調(diào)節(jié)光強(qiáng)與CCD圖像傳 感器的動態(tài)感光范圍相匹配且衰減倍數(shù)為80倍?150倍的光強(qiáng)衰減片；所述短焦會聚透 鏡和長焦會聚透鏡焦點重合，短焦會聚透鏡的焦距為40mm?80mm，長焦會聚透鏡的焦距為 400mm?800mm，兩透鏡按焦距的比例拓展光束；所述光闌位于短焦會聚透鏡和長焦會聚透 鏡的焦點上；所述限光微孔位于長焦會聚透鏡后的任意距離，其孔徑為〇?Olum?300um; 所述參照樣品臺位于限光微孔后〇. 6mm?2mm;所述目標(biāo)樣品臺位于參照樣品臺后10um? 400um;所述(XD圖像傳感器位于目標(biāo)樣品臺后5cm?150cm;
[0011] 當(dāng)裝置中相干光光源為同步輻射相干光源時，所述限光微孔孔徑為〇.Olum? 300um;所述參照樣品臺位于限光微孔后0? 6mm?2mm;所述目標(biāo)樣品臺位于參照樣品臺后 10um?400um;所述CO)圖像傳感器位于目標(biāo)樣品臺后5cm?150cm〇
[0012] 本發(fā)明所述加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干衍射顯微成像裝置的應(yīng)用，步驟 是：
[0013] 第一步：部署一套相干光光源為激光光源的加縱向分離參照的多重級聯(lián)掃描相干 衍射顯微成像裝置，包括：激光光源，由光強(qiáng)衰減片、短焦會聚透鏡、光闌、長焦會聚透鏡組 成的激光光源光束優(yōu)化組件，限光微孔，參照樣品臺，目標(biāo)樣品臺，CCD圖像傳感器和連接 CCD圖像傳感器的計算機(jī)；按權(quán)利要求1所述參數(shù)調(diào)整它們的位置，并使它們依次沿光軸共 軸排列；
[0014] 第二步：擴(kuò)束，準(zhǔn)直和凈化光束，方法如下：
[0015] 選擇衰減倍數(shù)為10倍?1000倍的光強(qiáng)衰減片；選擇焦距為10mm?200mm的短焦 會聚透鏡，焦距為220mm?3000mm的長焦會聚透鏡，調(diào)整兩個透鏡的距離，使兩個透鏡的焦 點重合；光闌放在短焦會聚透鏡和長焦會聚透鏡的焦點上，消除光路的雜散光，得到凈化光 束；
[0016] 或者，
[0017] 第一步：部署一套相干光光源為同步輻射相干光源的加縱向分離參照的多重級聯(lián) 掃描相干衍射顯微成像裝置，包括：同步輻射相干光源，限光微孔，參照樣品臺，目標(biāo)樣品 臺，CCD圖像傳感器和連接CCD圖像傳感器的計算機(jī)；按權(quán)利要求1所述參數(shù)調(diào)整它們的位 置，并使它們依次沿光軸共軸排列；
[0018] 第二步：以同步輻射相干光源的出射光為凈化光束；
[0019] 第三步：調(diào)節(jié)限光微孔，產(chǎn)生探針光斑，方法如下：
[0020] 在光路中放入孔徑為0?Olum?500um的限光微孔，在垂直光軸平面上微調(diào)微孔 位置，只允許經(jīng)第二步優(yōu)化后的平面波波前強(qiáng)度較均勻的微小區(qū)域通過微孔，作為掃描探 針；
[0021] 第四步：進(jìn)行級聯(lián)式掃描，采集衍射信號，方法如下：
[0022] 將參照樣品臺置于限光微孔后0? 01mm?5mm處，利用一組精密步進(jìn)電機(jī)控制參 照樣品臺在垂直于光路的平面內(nèi)做上下左右方向固定步長的位移，其中步長選0.Olum? 300um以保證相鄰探測區(qū)域間有30%以上的重疊，視樣品待測區(qū)域的大小可隨意增加掃描 步數(shù)，步數(shù)設(shè)定為nl，以保證覆蓋整個樣品待測區(qū)域即該參照樣品的全部區(qū)域劃分為了nl 個掃描探測區(qū)；將目標(biāo)樣品臺置于參照樣品臺后〇?Olum?500um處，同樣利用一組精密步 進(jìn)電機(jī)控制目標(biāo)樣品臺在垂直于光路的平面內(nèi)做上下左右方向固定步長的位移，其中步長 選0?Olum?300um以保證相鄰探測區(qū)域間有30%以上的重疊，視目標(biāo)樣品待測區(qū)域的大 小可隨意增加掃描步數(shù)，步數(shù)設(shè)定為n2,以保證覆蓋整個目標(biāo)樣品待測區(qū)域即該目標(biāo)樣品 的全部區(qū)域劃分為了n2個掃描探測區(qū)；采集衍射信號時，移動目標(biāo)樣品臺，使目標(biāo)樣品面 對掃描探針；移動參照樣品臺，使參照樣品的nl個掃描探測區(qū)中的某一局部區(qū)域面對掃描 探針并被掃描探針光斑覆蓋，固定參照樣品位置，將參照樣品光斑覆蓋區(qū)域透過的探針透 射光作為調(diào)制后的探針，依次掃描探測目標(biāo)樣品的全部n2個掃描探測區(qū)，獲得的n2幅衍射 圖樣為全部nl組衍射圖樣中的第1組；然后繼續(xù)移動參照樣品臺，使參照樣品未被掃描的 其它某一局部區(qū)域按設(shè)定順序依次面對掃描探針并被掃描探針光斑覆蓋，固定參照樣品位 置，依然將參照樣品光斑覆蓋區(qū)域透過的探針透射光作為調(diào)制后的探針，依次掃描探測目 標(biāo)樣品的全部n2個掃描探測區(qū)，獲得的n2幅衍射圖樣為全部nl組衍射圖樣中的第2組； 如此重復(fù)上述移動參照樣品臺后的步驟，直至參照樣品的第nl個掃描探測區(qū)被掃描探針 光斑覆蓋過，并完成依次掃描探測目標(biāo)樣品的全部n2個掃描探測區(qū)，獲得的n2幅衍射圖樣 為全部nl組衍射圖樣中的第nl組；至此獲得每組包含n2張衍射圖樣的全部nl組的衍射 圖樣，總計為nlXn2幅完全獨立的衍射圖樣；
[0023] 第五步：將第四步獲得完全獨立的衍射圖