CN104536125A - 加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，该装置沿光束前进方向依次共轴排列有相干光光源，光源为激光时专用的由光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑和长焦会聚透镜组成的激光光源光束优化组件，限光微孔，由精密步进电机控制可在垂直光轴的平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台、同样由精密电机控制可在垂直光轴的平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、CCD图像传感器6和连接CCD图像传感器的计算机。本发明中加入强散射的参照样品使CCD收集到的衍射信号质量大幅提高，级联式扫描产生的大量冗余数据大大增强了成像方法的抗干扰性，可实现对大尺寸弱散射样品真实可靠乃至定量化的成像，在材料学、纳米技术与生物学中应用前景广阔。

Description

加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用

技术领域

本发明涉及一种扫描相干衍射显微成像装置及应用，尤其是一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用。

背景技术

扫描相干衍射成像是一种将传统相干衍射成像技术与ptychography技术相结合的新型相干衍射成像方法，它的提出解决了传统的相干衍射成像技术要求样品为孤立样品，成像视场小，重建算法收敛慢、停滞、重建结果不唯一等一系列缺陷。但是对于弱散射的样品，由于其衍射信号较为微弱，以往的扫描相干衍射成像技术往往无法实现对它们的准确成像，甚至无法成像。对于弱散射样品，成像结果更易受到成像过程中引入的各种干扰的影响，这就需要大量的冗余数据保证成像的抗干扰性。另外，由于扫描相干衍射成像过程中要求相邻探针位置的照射区域有部分重合，这就不可避免地在重建图像中引入了格点伪影。申请人通过对模拟数据的重建结果研究发现，由于探针扫描过程中相邻位置的部分重叠引入的格点噪音是一种乘性噪音，可以将真实的探针在整个扫描区域的累积通量作为矫正系数矩阵对重建结果进行矫正。但由于探针与目标样品的波前函数在核心重建公式中的互易关系，造成重建出的探针同样具有与目标样品相类似的伪影图形，失真的探针信息无法用来产生矫正系数矩阵。由于相位恢复算法无法克服的自限性，矫正系数矩阵与待矫正的目标样品重建图像的对准问题同样难以解决。经检索，相关扫描相干衍射显微成像装置及应用，尤其是一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用还未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置及应用。

本发明所述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，沿光束前进方向依次共轴排列有相干光光源----激光光源、由光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑和长焦会聚透镜组成的激光光源光束优化组件、限光微孔、由精密电机控制可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、CCD图像传感器，和连接CCD图像传感器的计算机；其中，所述光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜、限光微孔固定在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；

或者，本发明所述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置沿光束前进方向依次共轴排列有相干光光源---同步辐射相干光源、限光微孔、由精密电机控制可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、CCD图像传感器，和连接CCD图像传感器的计算机；其中，所述限光微孔固定在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；

其特征在于：

当装置中相干光光源为激光光源时，所述装置在限光微孔与目标样品台之间设置有由精密步进电机控制且可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台；所述光强衰减片选择调节光强与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配且衰减倍数为10倍～1000倍的光强衰减片；所述短焦会聚透镜和长焦会聚透镜焦点重合，短焦会聚透镜的焦距为10mm～200mm，长焦会聚透镜的焦距为220mm～3000mm，两透镜按焦距的比例拓展光束；所述光阑位于短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上；所述限光微孔位于长焦会聚透镜后的任意距离，其孔径为0.01um～500um；所述参照样品台位于限光微孔后0.01mm～5mm；所述目标样品台位于参照样品台后0.01um～500um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后1cm～200cm；

当装置中相干光光源为同步辐射相干光源时，所述装置在限光微孔与目标样品台之间设置有由精密步进电机控制且可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台；所述限光微孔孔径为0.01um～500um；所述参照样品台位于限光微孔后0.01mm～5mm；所述目标样品台位于参照样品台后0.01um～500um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后1cm～200cm；

上述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置中，优选的实施方式是：

当装置中相干光光源为激光光源时，所述光强衰减片选择调节光强与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配且衰减倍数为80倍～150倍的光强衰减片；所述短焦会聚透镜和长焦会聚透镜焦点重合，短焦会聚透镜的焦距为40mm～80mm，长焦会聚透镜的焦距为400mm～800mm，两透镜按焦距的比例拓展光束；所述光阑位于短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上；所述限光微孔位于长焦会聚透镜后的任意距离，其孔径为0.01um～300um；所述参照样品台位于限光微孔后0.6mm～2mm；所述目标样品台位于参照样品台后10um～400um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后5cm～150cm；

当装置中相干光光源为同步辐射相干光源时，所述限光微孔孔径为0.01um～300um；所述参照样品台位于限光微孔后0.6mm～2mm；所述目标样品台位于参照样品台后10um～400um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后5cm～150cm。

本发明所述加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置的应用，步骤是：

第一步：部署一套相干光光源为激光光源的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，包括：激光光源，由光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜组成的激光光源光束优化组件，限光微孔，参照样品台，目标样品台，CCD图像传感器和连接CCD图像传感器的计算机；按权利要求1所述参数调整它们的位置，并使它们依次沿光轴共轴排列；

第二步：扩束，准直和净化光束，方法如下：

选择衰减倍数为10倍～1000倍的光强衰减片；选择焦距为10mm～200mm的短焦会聚透镜，焦距为220mm～3000mm的长焦会聚透镜，调整两个透镜的距离，使两个透镜的焦点重合；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上，消除光路的杂散光，得到净化光束；

或者，

第一步：部署一套相干光光源为同步辐射相干光源的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，包括：同步辐射相干光源，限光微孔，参照样品台，目标样品台，CCD图像传感器和连接CCD图像传感器的计算机；按权利要求1所述参数调整它们的位置，并使它们依次沿光轴共轴排列；

第二步：以同步辐射相干光源的出射光为净化光束；

第三步：调节限光微孔，产生探针光斑，方法如下：

在光路中放入孔径为0.01um～500um的限光微孔，在垂直光轴平面上微调微孔位置，只允许经第二步优化后的平面波波前强度较均匀的微小区域通过微孔，作为扫描探针；

第四步：进行级联式扫描，采集衍射信号，方法如下：

将参照样品台置于限光微孔后0.01mm～5mm处，利用一组精密步进电机控制参照样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选0.01um～300um以保证相邻探测区域间有30％以上的重叠，视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为n1，以保证覆盖整个样品待测区域即该参照样品的全部区域划分为了n1个扫描探测区；将目标样品台置于参照样品台后0.01um～500um处，同样利用一组精密步进电机控制目标样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选0.01um～300um以保证相邻探测区域间有30％以上的重叠，视目标样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为n2，以保证覆盖整个目标样品待测区域即该目标样品的全部区域划分为了n2个扫描探测区；采集衍射信号时，移动目标样品台，使目标样品面对扫描探针；移动参照样品台，使参照样品的n1个扫描探测区中的某一局部区域面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部n1组衍射图样中的第1组；然后继续移动参照样品台，使参照样品未被扫描的其它某一局部区域按设定顺序依次面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，依然将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部n1组衍射图样中的第2组；如此重复上述移动参照样品台后的步骤，直至参照样品的第n1个扫描探测区被扫描探针光斑覆盖过，并完成依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部n1组衍射图样中的第n1组；至此获得每组包含n2张衍射图样的全部n1组的衍射图样，总计为n1×n2幅完全独立的衍射图样；

第五步：将第四步获得完全独立的衍射图样数据利用如下重建算法的核心公式进行重建；

式1：

式2：

式3：

上述三式中P代表扫描探针，S₁代表参照样品，S₂代表目标样品；三公式分别对应于第i组第j幅衍射数据对扫描探针、参照样品以及目标样品重建结果的更新，将全部n1×n2幅衍射数据依次应用一遍算作一次迭代，迭代50次以上即得到目标样品初步的重建结果，同时得到参照样品的重建结果，其中i取值1～n1，对应于参照样品的n1个扫描格点位置，j取值1～n2，对应于目标样品的n2个扫描格点位置；

第六步：去除重建结果中的格点伪影，方法如下：

对比参照样品的重建结果与已知的真实信息，利用缩放、对齐、点除操作获得矫正系数矩阵；再应用矫正系数矩阵矫正目标样品初步的重建结果，得到最终的目标样品重建结果。

本发明提供的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射成像装置，应用传统CDI中的reference enhance原理，在微孔与目标样品间加入强衍射的参照样品，引入参照样品与目标样品间级联式的扫描操作：参照样品在垂直于光路的平面上相对于探针位置做步进式扫描，对应于参照样品的每个扫描位置，目标样品都做独立的一整套格点扫描。这样就将弱散射样品的弱衍射信号加载到参照样品的强衍射信号中，级联式扫描产生的衍射信号数据量成指数形式增加，加入一个参照样品与目标样品进行级联式扫描产生的衍射信号数据量相当于传统扫描相干衍射成像方法的平方。大量全独立的冗余数据可以保证对目标样品真实可靠乃至定量化的成像，同时大大增强了成像方法的抗干扰性。为了获得更多的全独立冗余数据，可以加入更多参照样品进行多级级联，前提是所有参照样品与目标样品可视为整体满足传统扫描相干衍射成像的投影近似条件。应用我们提供的重建算法将探针，参照样品以及目标样品的实空间信息分离，实现对大尺寸弱散射样品真实可靠乃至定量化的扫描相干衍射显微成像。

另外，结合对参照样品的先验知识，本发明提供的算法在目标样品的重建图像伪影去除方面有比较好的效果。本发明的算法能够在不需任何探针，参照样品以及目标样品的先验知识的情况下同时重建三者的波前函数，三者在本重建算法的核心重建公式中同样存在互易关系，这就意味着可以三者的伪影产生机理具有全同性，可以使用同一矫正系数矩阵进行矫正，而矫正系数矩阵可以通过对比参照样品的重建结果与先验信息获得。由于三者的重建图案在空间位置上具有精确的对齐关系，通过分析参照样品的重建结果得出的矫正系数矩阵可直接用于对目标样品重建结果的矫正，无需再次对齐。基于以上优点，本装置在材料学、纳米技术与生物学中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置的示意图。

其中：1.相干光光源(激光光源或同步辐射相干光源)，2.激光光源光束优化组件(由2-1.由光强衰减片、2-2.短焦会聚透镜、2-3.光阑和2-4.长焦会聚透镜组成)，3.限光微孔，4.参照样品台，5.目标样品台，6.CCD图像传感器，7.计算机。

图2是实验中选取的参照样品的光学显微图片，为石英片上光刻得到的图样。

图3是实验中选取的目标样品的光学显微图片，为石英片上光刻得到的图样。

图4是实验过程中CCD图像传感器收集到的一幅衍射图样。

图5是多重级联扫描相干衍射显微成像技术重建得到的参照样品的重建结果。

图6是多重级联扫描相干衍射显微成像技术重建得到的目标样品的重建结果，分辨率为5um，可清晰的表征出样品图案区域与衬底区域的厚度差异。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1 一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置

本发明所述的一种加纵向分离参照的衍射增强多重级联扫描相干衍射显微成像装置，结构示意图如图1，沿光束前进方向依次共轴排列有激光光源1、由光强衰减片2-1、短焦会聚透镜2-2、光阑2-3和长焦会聚透镜2-4组成的激光光源光束优化组件2、限光微孔3、由精密步进电机控制可在垂直光轴的平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台4、同样由精密电机控制可在垂直光轴的平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台5、CCD图像传感器6和连接CCD图像传感器的计算机7；所述光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜和限光微孔固定在在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上。

进一步的，上述加纵向分离参照的衍射增强多重级联扫描相干衍射显微成像装置中：所述激光光源为He-Ne激光器，输出光的波长为0.543um，所述光强衰减片衰减倍数为80倍～150倍；所述短焦会聚透镜焦距40mm～80mm，长焦会聚透镜焦距分为400mm～800mm，两个透镜的焦点重合，两透镜按焦距的比例对光束进行扩束，同时减小光束发散角，产生平行光；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的公共焦点上用于消除光路中的杂散光；所述微孔为孔径150um～300um的圆孔，置于透镜组后方，只允许经透镜组扩束准直后的平面波波前的中心均匀区域透过，产生的透射光斑即为用来探测样品的探针；参照样品台置于微孔后0.6mm～2mm，由精密步进电机控制，可在垂直于光轴的平面上沿上下左右做步长为0.1um～300um的步进式移动；目标样品台置于参照样品台后200um～400um，由精密步进电机控制，可在垂直于光轴的平面上沿上下左右做步长为0.1um～300um的步进式移动；将CCD图像传感器置于目标样品台后10cm～30cm处，对应于0.543um波长的光源，以及目标样品平面200um左右的横向照明展宽，可以对CCD接收到的衍射光波传输函数做夫琅禾费近似处理，即将其视为负载了样品与探针信息的透射波前的傅里叶变换的模值的平方；所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机，由计算机运行提供的重建程序对探针及两个样品的信息进行重建。

实施例2 加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置的应用

具体应用步骤如下：

第一步：部署一套激光相干衍射成像装置，结构示意图如图1，包括：激光光源(激光器)1，光强衰减片2-1，短焦会聚透镜2-2，光阑2-3，长焦会聚透镜2-4，限光微孔3，参照样品台4，目标样品台5，CCD图像传感器6和计算机7；；所述激光器为He-Ne激光器，输出光的波长为0.543um，CCD的像素数是1300×1340，像素大小为20um。

第二步：扩束，准直和净化光束，方法如下：

选择光强衰减片，衰减倍数为100倍，衰减从激光器出射的激光光强，选择短焦会聚透镜的焦距为50mm和长焦会聚透镜的焦距为500mm，两透镜的焦点重合，按两个透镜焦距的比例1:10扩束光束，同时减小光束发散角，产生平行光；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上用于消除光路的杂散光。

第三步：调节限光微孔位置，优化探针质量，方法如下：

在光路中放入直径200um的限光微孔，在垂直光轴平面上微调微孔位置，只允许经扩束准直后的平面波波前强度较均匀的微小区域通过微孔，作为扫描探针。

第四步：进行级联式扫描，采集衍射信号，方法如下：

将参照样品台置于限光微孔后1mm处，利用一组精密步进电机控制参照样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选40um，这样相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了80％。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为11×11＝121步，探测区域为覆盖整个样品待测区域的圆角矩形区域。将目标样品台置于参照样品台后300um处，同样利用一组精密步进电机控制目标样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选40um，相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了80％，扫描步数设定为11×11＝121步，探测区域为覆盖整个目标样品待测区域的圆角矩形区域。采集衍射信号时，移动目标样品台，使目标样品面对扫描探针。移动参照样品台，使参照样品的121个扫描探测区中的某一局部区域面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的121个扫描探测位置,获得的121幅衍射图样为全部121组衍射图样中的第1组；然后继续移动参照样品台，使参照样品未被扫描的其它某一局部区域按设定顺序依次面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，依然将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部121个扫描探测区，获得的121幅衍射图样为全部121组衍射图样中的第2组；如此重复上述移动参照样品台后的步骤，直至参照样品的第121个扫描探测区被扫描探针光斑覆盖过，并完成依次扫描探测目标样品的全部121个扫描探测区，获得的121幅衍射图样为全部121组衍射图样中的第121组；至此获得每组包含121张衍射图样的全部121组的衍射图样，总计为121×121＝14641幅完全独立的衍射图样；

第五步：将第四步获得的完全独立的衍射图样数据利用如下重建算法的核心公式进行重建；

式1：

式2：

式3：

上述三式中P代表扫描探针，S1代表参照样品，S2代表目标样品；三公式分别对应于第i组第j幅衍射数据对扫描探针、参照样品以及目标样品重建结果的更新，将全部121×121幅衍射数据依次应用一遍算作一次迭代，迭代100次即得到目标样品初步的重建结果，同时得到参照样品的重建结果，其中i取值1～121，对应于参照样品的121个扫描格点位置，j取值1～121，对应于目标样品的121个扫描格点位置。

第六步：去除重建结果中的格点伪影，方法如下：

参照样品的真实信息可通过电子显微镜等其他途径获得，将通过其他途径获得的参考样品真实信息缩放后与参考样品的重建结果对齐，两者进行点除操作，即可获得矫正系数矩阵。再将矫正系数矩阵点乘目标样品初步的重建结果，得到最终的目标样品重建结果。

实施例3 一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置

本发明所述的一种加纵向分离参照的衍射增强多重级联扫描相干衍射显微成像装置，结构示意图如图1，沿光束前进方向依次共轴排列有同步辐射相干光源1、限光微孔3、由精密步进电机控制可在垂直光轴的平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台4、同样由精密电机控制可在垂直光轴的平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台5、CCD图像传感器6和连接CCD图像传感器的计算机7；所述限光微孔固定在在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上。

进一步的，上述加纵向分离参照的衍射增强多重级联扫描相干衍射显微成像装置中：所述相干光光源为同步辐射相干光源，输出光为6.2keV的单色X射线，所述微孔为孔径0.01um～30um的圆孔，只允许平面波波前的中心均匀区域透过，产生的透射光斑即为用来探测样品的探针；参照样品台置于微孔后0.1mm～2mm，由精密步进电机控制，可在垂直于光轴的平面上沿上下左右做步长为0.1um～25um的步进式移动；目标样品台置于参照样品台后1um～100um，由精密步进电机控制，可在垂直于光轴的平面上沿上下左右做步长为0.1um～25um的步进式移动；将CCD图像传感器置于目标样品台后20cm～150cm处，对应于6.2keV的同步辐射X射线，以及目标样品平面40um以下的横向照明展宽，可以对CCD接收到的衍射光波传输函数做夫琅禾费近似处理，即将其视为负载了样品与探针信息的透射波前的傅里叶变换的模值的平方；所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机，由计算机运行提供的重建程序对探针及两个样品的信息进行重建。

实施例4 加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置的应用

具体应用步骤如下：

第一步：部署一套激光相干衍射成像装置，结构示意图如图1，包括：同步辐射相干光源1，限光微孔3，参照样品台4，目标样品台5，CCD图像传感器6和计算机7；所述同步辐射相干光源输出光为6.2keV的单色X射线，CCD的像素数是1300×1340，像素大小为20um。

第二步：以同步辐射相干光源的出射光为净化光束；

第三步：调节限光微孔位置，优化探针质量，方法如下：

在光路中放入直径3um的限光微孔，在垂直光轴平面上微调微孔位置，只允许经扩束准直后的平面波波前强度较均匀的微小区域通过微孔，作为扫描探针。

第四步：进行级联式扫描，采集衍射信号，方法如下：

将参照样品台置于限光微孔后0.5mm处，利用一组精密步进电机控制参照样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选1.5um，这样相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了39％。视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为20×20＝400步，探测区域为覆盖整个样品待测区域的圆角矩形区域。将目标样品台置于参照样品台后30um处，同样利用一组精密步进电机控制目标样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选1.5um，相邻探测位置探针覆盖区域的重叠率达到了39％，扫描步数设定为20×20＝400步，探测区域为覆盖整个目标样品待测区域的圆角矩形区域。采集衍射信号时，移动目标样品台，使目标样品面对扫描探针。移动参照样品台，使参照样品的400个扫描探测区中的某一局部区域面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的400个扫描探测位置,获得的400幅衍射图样为全部400组衍射图样中的第1组；然后继续移动参照样品台，使参照样品未被扫描的其它某一局部区域按设定顺序依次面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，依然将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部400个扫描探测区，获得的400幅衍射图样为全部400组衍射图样中的第2组；如此重复上述移动参照样品台后的步骤，直至参照样品的第400个扫描探测区被扫描探针光斑覆盖过，并完成依次扫描探测目标样品的全部400个扫描探测区，获得的400幅衍射图样为全部400组衍射图样中的第400组；至此获得每组包含400张衍射图样的全部400组的衍射图样，总计为400×400＝160000幅完全独立的衍射图样；

第五步：将第四步获得的完全独立的衍射图样数据利用如下重建算法的核心公式进行重建；

式1：

式2：

式3：

上述三式中P代表扫描探针，S1代表参照样品，S2代表目标样品；三公式分别对应于第i组第j幅衍射数据对扫描探针、参照样品以及目标样品重建结果的更新，将全部400×400幅衍射数据依次应用一遍算作一次迭代，迭代100次即得到目标样品初步的重建结果，同时得到参照样品的重建结果，其中i取值1～400，对应于参照样品的400个扫描格点位置，j取值1～400，对应于目标样品的400个扫描格点位置。

第六步：去除重建结果中的格点伪影，方法如下：

参照样品的真实信息可通过电子显微镜等其他途径获得，将通过其他途径获得的参考样品真实信息缩放后与参考样品的重建结果对齐，两者进行点除操作，即可获得矫正系数矩阵。再将矫正系数矩阵点乘目标样品初步的重建结果，得到最终的目标样品重建结果。

Claims (3)

1.一种加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有相干光光源----激光光源、由光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑和长焦会聚透镜组成的激光光源光束优化组件、限光微孔、由精密电机控制可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、CCD图像传感器，和连接CCD图像传感器的计算机；其中，所述光强衰减片、短焦会聚透镜、光阑、长焦会聚透镜、限光微孔固定在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；

或者，所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有相干光光源---同步辐射相干光源、限光微孔、由精密电机控制可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的目标样品台、CCD图像传感器，和连接CCD图像传感器的计算机；其中，所述限光微孔固定在装置设定的磁力座上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的且能上下左右方向移动的步进架上，该步进架同时固定于能沿光轴方向前后移动的步进架上；

其特征在于：

当装置中相干光光源为激光光源时，所述装置在限光微孔与目标样品台之间设置有由精密步进电机控制且可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台；所述光强衰减片选择调节光强与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配且衰减倍数为10倍～1000倍的光强衰减片；所述短焦会聚透镜和长焦会聚透镜焦点重合，短焦会聚透镜的焦距为10mm～200mm，长焦会聚透镜的焦距为220mm～3000mm，两透镜按焦距的比例拓展光束；所述光阑位于短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上；所述限光微孔位于长焦会聚透镜后的任意距离，其孔径为0.01um～500um；所述参照样品台位于限光微孔后0.01mm～5mm；所述目标样品台位于参照样品台后0.01um～500um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后1cm～200cm；

当装置中相干光光源为同步辐射相干光源时，所述装置在限光微孔与目标样品台之间设置有由精密步进电机控制且可在垂直光轴平面上做上下左右方向位移扫描的参照样品台；所述限光微孔孔径为0.01um～500um；所述参照样品台位于限光微孔后0.01mm～5mm；所述目标样品台位于参照样品台后0.01um～500um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后1cm～200cm。

2.根据权利要求1所述的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，其特征在于：

当装置中相干光光源为激光光源时，所述光强衰减片选择调节光强与CCD图像传感器的动态感光范围相匹配且衰减倍数为80倍～150倍的光强衰减片；所述短焦会聚透镜和长焦会聚透镜焦点重合，短焦会聚透镜的焦距为40mm～80mm，长焦会聚透镜的焦距为400mm～800mm，两透镜按焦距的比例拓展光束；所述光阑位于短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上；所述限光微孔位于长焦会聚透镜后的任意距离，其孔径为0.01um～300um；所述参照样品台位于限光微孔后0.6mm～2mm；所述目标样品台位于参照样品台后10um～400um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后5cm～150cm；

当装置中相干光光源为同步辐射相干光源时，所述限光微孔孔径为0.01um～300um；所述参照样品台位于限光微孔后0.6mm～2mm；所述目标样品台位于参照样品台后10um～400um；所述CCD图像传感器位于目标样品台后5cm～150cm。

3.权利要求1所述加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置的应用，步骤是：

第一步：部署一套相干光光源为激光光源的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，包括：激光光源(1)，由光强衰减片(2-1)、短焦会聚透镜(2-2)、光阑(2-3)、长焦会聚透镜(2-4)组成的激光光源光束优化组件(2)，限光微孔(3)，参照样品台(4)，目标样品台(5)，CCD图像传感器(6)和连接CCD图像传感器的计算机(7)；按权利要求1所述参数调整它们的位置，并使它们依次沿光轴共轴排列；

第二步：扩束，准直和净化光束，方法如下：

选择衰减倍数为10倍～1000倍的光强衰减片；选择焦距为10mm～200mm的短焦会聚透镜，焦距为220mm～3000mm的长焦会聚透镜，调整两个透镜的距离，使两个透镜的焦点重合；光阑放在短焦会聚透镜和长焦会聚透镜的焦点上，消除光路的杂散光，得到净化光束；

或者，

第一步：部署一套相干光光源为同步辐射相干光源的加纵向分离参照的多重级联扫描相干衍射显微成像装置，包括：同步辐射相干光源(1)，限光微孔(3)，参照样品台(4)，目标样品台(5)，CCD图像传感器(6)和连接CCD图像传感器的计算机(7)；按权利要求1所述参数调整它们的位置，并使它们依次沿光轴共轴排列；

第二步：以同步辐射相干光源的出射光为净化光束；

第三步：调节限光微孔，产生探针光斑，方法如下：

在光路中放入孔径为0.01um～500um的限光微孔，在垂直光轴平面上微调微孔位置，只允许经第二步优化后的平面波波前强度较均匀的微小区域通过微孔，作为扫描探针；

第四步：进行级联式扫描，采集衍射信号，方法如下：

将参照样品台置于限光微孔后0.01mm～5mm处，利用一组精密步进电机控制参照样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选0.01um～300um以保证相邻探测区域间有30％以上的重叠，视样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为n1，以保证覆盖整个样品待测区域即该参照样品的全部区域划分为了n1个扫描探测区；将目标样品台置于参照样品台后0.01um～500um处，同样利用一组精密步进电机控制目标样品台在垂直于光路的平面内做上下左右方向固定步长的位移，其中步长选0.01um～300um以保证相邻探测区域间有30％以上的重叠，视目标样品待测区域的大小可随意增加扫描步数，步数设定为n2，以保证覆盖整个目标样品待测区域即该目标样品的全部区域划分为了n2个扫描探测区；采集衍射信号时，移动目标样品台，使目标样品面对扫描探针；移动参照样品台，使参照样品的n1个扫描探测区中的某一局部区域面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部n1组衍射图样中的第1组；然后继续移动参照样品台，使参照样品未被扫描的其它某一局部区域按设定顺序依次面对扫描探针并被扫描探针光斑覆盖，固定参照样品位置，依然将参照样品光斑覆盖区域透过的探针透射光作为调制后的探针，依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部n1组衍射图样中的第2组；如此重复上述移动参照样品台后的步骤，直至参照样品的第n1个扫描探测区被扫描探针光斑覆盖过，并完成依次扫描探测目标样品的全部n2个扫描探测区，获得的n2幅衍射图样为全部n1组衍射图样中的第n1组；至此获得每组包含n2张衍射图样的全部n1组的衍射图样，总计为n1×n2幅完全独立的衍射图样；

第五步：将第四步获得的完全独立的衍射图样数据利用如下重建算法的核心公式进行重建；

式1：

式2：

式3：

上述三式中P代表扫描探针，S₁代表参照样品，S₂代表目标样品；三公式分别对应于第i组第j幅衍射数据对扫描探针、参照样品以及目标样品重建结果的更新，将全部n1×n2幅衍射数据依次应用一遍算作一次迭代，迭代50次以上即得到目标样品初步的重建结果，同时得到参照样品的重建结果，其中i取值1～n1，对应于参照样品的n1个扫描格点位置，j取值1～n2，对应于目标样品的n2个扫描格点位置；

第六步：去除重建结果中的格点伪影，方法如下：

对比参照样品的重建结果与已知的真实信息，利用缩放、对齐、点除操作获得矫正系数矩阵；再应用矫正系数矩阵矫正目标样品初步的重建结果，得到最终的目标样品重建结果。