CN109343321A - X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其实现分束功能的器件为置于由双波带片Kepler***中的正交光栅，其实现相移功能的器件为希腊梯子波带片阵列。所述的希腊梯子波带片阵列可产生具有不同相移值的径向剪切全息图，以满足相移全息的要求。数据处理终端处理CCD采集的干涉图则可恢复待测波前。本发明相比于传统双光路相移数字全息，具有更简单的光路结构和更强的抗干扰能力，而且可以实现相干X射线到太赫兹波段的相移数字全息。本发明采用单次曝光，比多次曝光数字全息具有更快的数据采集速度，可用于对微小物体的在线监测。这种无透镜相移全息为基于下一代同步辐射光源的生物医学成像以及高精度的波前测量提供了有效的技术途径。
Description
技术领域
本发明属于相干光场的相移全息成像，具体地说是基于一类新型衍射器件－希腊梯子波带片实现单次曝光相移径向剪切数字全息的成像方法，可应用于相干X射线到太赫兹波段。
背景技术
相移数字全息技术在波前测量和三维成像等领域中有着重要的应用。1948年D.Gabor首次提出全息的概念，实现了对测量对象的复振幅恢复，但是由于零级光和孪生像的干扰，无法获得清晰的复原结果[GaborD.A new microscopic principle[J].Nature,1948,161(4098):777–778]。1997年，相移技术的引入消除了零级像和孪生像的干扰，但是这种相移数字全息却需要通过同轴双光路干涉才能实现，因此容易受到外界因素的干扰[Yamaguchi I and T.Zhang.Phase-shifting digital holography[J].Opt.Lett.,1997,22(16):1268-1670]。目前的相移器多为空间光调制器、压电陶瓷、波片等，但这些器件都主要应用在光学波段。因为在X射线和极紫外波段下，材料的强吸收会导致折射失效。虽然使用衍射光学元件，如光栅等，也能实现相移，但是各级次产生的光强差过大，会导致干涉图对比度下降。希腊梯子波带片作为一种新型的衍射光学元件，可以实现极紫外到软X射线波段的三维阵列焦点，可用于短波下的相移数字全息[Zhang J.Three-dimensional arraydiffraction-limited foci from Greek ladders to generalized Fibonaccisequences[J].Opt.Express,2015,23(23):30308-30317]。
我们提出了一种具有相移功能的希腊梯子波带片阵列，并在此基础上提出了一种单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，可以在相干光源下实现X射线到太赫兹波段的同轴单光路相移全息。这种新型的相移全息技术与传统的多次曝光双光路全息相比，光路结构更加简单，抗干扰能力更强，数据采集速度更快，适用于相干光源照明条件下的波前检测和三维成像，并为下一代同步辐射光源下的生物医学成像提供了有效的技术途径。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种能实现单次曝光的同轴单光路相移全息技术，在相干光场下实现X射线到太赫兹波段的快速全息成像。该数字全息方法用单次曝光记录多幅相移全息图。除此之外，在光学段还可用空间光调制器代替希腊梯子波带片阵列进行相移全息记录。
本发明的技术方案如下：
一种基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)设计一种具有2×2分布的希腊梯子波带片阵列，其中每个希腊梯子波带片都能够在轴上产生两个等强度分布的衍射受限焦点，四个希腊梯子波带片之间可构成4个恒定相移值以满足相移全息的要求；
步骤1.1)设计能够在轴上产生等强度分布的衍射受限双焦点的标准希腊梯子波带片，并且前后焦面艾里斑内的相位值不同；
步骤1.2)以标准希腊梯子波带片为基准，用全局优化算法求解得到另外三个能实现设计相移值的波带片结构参数；
步骤2)上述设计的四个希腊梯子波带片的相移值、焦距和半径尺寸，构建一种基于菲涅耳衍射积分的单次曝光相移径向剪切数字全息光路数值模拟程序，具体是：由X射线源作为照明光源，沿该X射线源输出光方向依次放置待测物体、波带片1、正交光栅、波带片2、希腊梯子波带片阵列，在希腊梯子波带片阵列后一定距离处获得计算得到的相移干涉图，通过公式(1)对相移干涉图进行叠加并逆向传输，即可获得模拟全息恢复结果。通过上述数值模拟，确定该光路关键参数的最优值，具体包括波带片1、2的焦距，正交光栅的结构参数、2×2希腊梯子波带片阵列中相邻希腊梯子波带片的间距、干涉图采集平面离2×2希腊梯子波带片阵列的距离。
步骤3)根据上述步骤获得的光路关键参数构建并加工实际的2×2希腊梯子波带片阵列；构建上述步骤中描述的实际光路，将光电耦合探测器CCD放置于2×2希腊梯子波带片阵列后，两者的间距为上述干涉图采集平面离2×2希腊梯子波带片阵列的距离。该光电耦合探测器CCD与数据处理终端相连，由数据处理终端对4幅干涉图进行处理并获得待测波前的恢复结果。
本发明采用希腊梯子波带片阵列作为相移器，正交光栅作为分束器，一对波带片构成Kepler***，是一种可在短波下工作的无透镜相移全息；具有更加稳定的同轴单光路，并利用单次曝光获得剪切干涉图来对物光波进行复原，应用于实时成像；所述的正交光栅被置于由一对波带片组成的Kepler***中，将入射光波分束成4个完全相同的波面；所述的希腊梯子波带片阵列由四个希腊梯子波带片构成，每个希腊梯子波带片能够在光轴上产生两个焦点，且后焦面艾里斑内的相位比前焦面超前恒定相位值。为了满足四步相移干涉的要求，四个希腊梯子波带片具有不同的相移值，分别为θ1，θ2，θ3，θ4，但是具有相同的一组焦距。用光电耦合探测器CCD在希腊梯子波带片阵列后焦面前略离焦的位置用单次曝光记录下不同相移值所对应的干涉图后，则可通过下式恢复待测物的复振幅：
式中，Ij是相移值θj所对应的全息图,j为相移干涉图的相移次序，分别为1，2，3，4。复振幅R(θ1)为对应于相移值θ1的参考波。其中常量项已被忽略。
所述单次曝光相移剪切全息光路包括X射线光源、测量物体、波带片1、波带片2、正交光栅、希腊梯子波带片阵列、光电耦合探测器CCD和数据处理终端；
进一步地，所述X射线光源产生波长为2.8nm的X射线，置于全息光路的最前端；
进一步地，相干X射线光源照射待测透明物体后，携带待测物的波前信息继续传输，进入Kepler***。该Kepler***由两个波带片构成，并且在这两个波带片的公共焦平面处放置一个正交光栅可将入射光分束为2×2个完全相同的波前；
进一步地，所述希腊梯子波带片阵列置于Kepler***的像面后，且两者间存在一定距离，用于产生相移干涉图；
进一步地，所述光电耦合探测器CCD置于希腊梯子波带片阵列的任一焦平面附近，调节光电耦合探测器CCD的位置使之略微偏离后像面，用于记录具有不同相移的干涉图；
进一步地，所述数据处理终端用于记录、显示并处理光电耦合探测器CCD的探测结果；
进一步地，从光电耦合探测器CCD采集的图像中提取四幅相移干涉图。用公式(1)对所提取的四幅相移干涉图进行相移叠加，并进行逆向传输以获得物面处的复振幅分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、所述的相移径向剪切数字全息光路为单光路结构，相比于传统的同轴双光路相移数字全息，结构更为简单紧凑，对外界扰动更不敏感。
2、所述的相移径向剪切数字全息采用单次曝光，相比于传统的多次曝光相移数字全息，具有更快的数据采集速度和更强对稳定性，因此可用于快速成像和对活体细胞或其他生物组织的在线观测。
3、所述的单次曝光径向剪切数字全息光路可以在相干光源下实现X射线到太赫兹波段的相移全息成像，因此可应用到下一代同步辐射光源下的高分辨率生物医学成像以及高精度的波前测量及三维成像。
附图说明
图1为本发明基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息原理示意图；
图2为本发明希腊梯子波带片阵列的结构示意图，每个波带片后焦面内的相位比前焦面的相位分别提前一个固定相位差从而实现4步相移。其中希腊梯子波带片(1)具有相移值π，希腊梯子波带片(2)具有相移值3π/2，希腊梯子波带片(3)具有相移值π/2，希腊梯子波带片(4)具有相移值0。
图3为本发明光路中CCD相机采集到的单幅相移全息图，其中包括四幅具有不同相移值的干涉图，分别具有0、π/2、π、3π/2的相移值；
图4为本发明基于希腊梯子波带片阵列的X射线相移径向剪切数字全息对纯相位物体的模拟恢复结果。其中(a)为被测相位物体，(b)为对(a)的恢复结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1
如图1、图2所示，本发明提供一种基于希腊梯子波带片阵列的软X射线单次曝光相移剪切全息术。振幅型衍射透镜-希腊梯子波带片可以在单色平行波照明下，产生两个等强度分布的轴上焦点，且两焦点在各自的艾里斑内具有不同的相位值，从而构成一个恒定相位差。对于一个希腊梯子波带片阵列，其中每个希腊梯子波带片的相位差各不相同，从而引入具0，π/2、π、3π/2的相移，能够实现X射线到太赫兹波段内到相移干涉要求。
所述衍射型器件希腊梯子波带片阵列具体工作在2.8nm波长的X射线波段。其总体设计过程为先设计一个标准希腊梯子波带片，以其作为参考，通过全局优化算法求解得到另外三个具有额外相移值的希腊梯子波带片。标准希腊梯子波带片的直径为60μm，焦距分别为3.5mm和6mm。其后焦面中艾里斑的相位值比前焦面提前了恒定相位差，设为该恒定相位差为参考值0。然后通过全局优化算法进一步优化获得另外三个希腊梯子波带片，更具体地，每个待求解的波带片的前焦面艾里斑内的相位保持不变，而后焦面艾里斑内相位为可变量，可用全局优化算法搜索最接近于设计相移值的希腊梯子波带片结构参数。最终获得的希腊梯子波带片阵列的结构示意图如图2所示，四个希腊梯子波带片分别具有0、π/2、π和3π/2的相移值对于被单个希腊梯子波带片分束得到的两个波面，它们会在在光电耦合探测器的记录靶面上叠加干涉，从而形成一幅径向剪切干涉图。其中，具有小曲率半径的波面称为参考波，而具有大曲率半径的波面称为物波，即探测波，并且具有不同相移值。以此类推，希腊梯子波带片阵列中的四个希腊梯子波带片可以在光电耦合探测器CCD的记录靶面上产生四幅具有不同相移值的干涉图。通过公式(1)对提取到的四幅干涉图进行叠加即可求解物体复振幅。
基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切全息术的原理如图1所示。单次曝光相移径向剪切全息光路包括波长为2.8nm的X射线光源、波带片、输入物体、正交光栅、希腊梯子波带片阵列、光电耦合探测器CCD和数据处理终端；
X射线光源1产生2.8nm的相干光，置于全息光路的最前端，以作为单次曝光相移径向剪切全息光路的光源；
X射线光源照明物体2后，入射光波进入一个由波带片1(3)和波带片2(5)构成的Kepler***。在这两个波带片的公共焦平面处放置一个正交光栅4，该正交光栅可将入射光波分束为2×2个完全相同的光波；
在Kepler***后放置一个希腊梯子波带片阵列6，则四个完全相同的光波分别被其所对应的希腊梯子波带片分成两个强度近乎相等但是曲率不同的波面。具体地，每个希腊梯子波带片将入射波分成两个曲率半径不同的球面波。
具有小曲率半径的波面为参考波，而具有大曲率半径的波面为物波，即探测波，并且具有不同相移值。由于两个波面都携带被测对象的波前信息，因此***参数改变时，参考波和物波的状态可以交换。
光电耦合探测器CCD7被放置于距离希腊梯子波带片阵列6后方6.2mm处，通过单次曝光就可记录四幅具有不同相移值的径向剪切干涉图案。
从CCD采集的图像中提取四幅干涉图，通过公式(1)对这四幅干涉图进行叠加，即可求解物体复振幅。
本发明未阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)设计一种具有2×2分布的希腊梯子波带片阵列，其中每个希腊梯子波带片都能够在轴上产生两个等强度分布的衍射受限焦点，四个希腊梯子波带片之间可构成4个恒定相移值以满足相移全息的要求；
步骤2)构建一种单次曝光相移径向剪切数字全息光路。
2.根据权利要求1所述的基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次相移径向剪切数字全息成像，其特征在于：所述的步骤1)希腊梯子波带片阵列的设计，具体包括：
步骤1.1)设计能够在轴上产生等强度分布的衍射受限双焦点的标准希腊梯子波带片，并且前后焦面艾里斑内的相位值不同；
步骤1.2)以标准希腊梯子波带片为基准，用全局优化算法求解得到另外三个能实现设计相移值的波带片结构参数；
步骤1.3)按上述希腊梯子波带片的上述设计的四个希腊梯子波带片的相移值、焦距和半径尺寸，构建一种基于菲涅耳衍射积分的单次曝光相移径向剪切数字全息光路数值模拟程序，具体是：由X射线源作为照明光源，沿该X射线源输出光方向依次放置待测物体、波带片1、正交光栅、波带片2、希腊梯子波带片阵列，在希腊梯子波带片阵列后一定距离处获得计算得到的相移干涉图，通过公式(1)对相移干涉图进行叠加并逆向传输，即可获得模拟全息恢复结果。通过上述数值模拟，确定该光路关键参数的最优值，具体包括波带片1、2的焦距，正交光栅的结构参数、2×2希腊梯子波带片阵列中相邻希腊梯子波带片的间距、干涉图采集平面离希腊梯子波带片阵列的距离。
步骤1.4)根据上述步骤获得的光路关键参数构建并加工实际的2×2希腊梯子波带片阵列；构建上述步骤中描述的实际光路，将光电耦合探测器CCD放置于2×2希腊梯子波带片阵列后，两者的间距为上述模拟获得的干涉图采集平面离希腊梯子波带片阵列的距离。该光电耦合探测器CCD与数据处理终端相连，由数据处理终端对4幅干涉图进行处理并获得待测波前的恢复结果。
3.根据权利要求1或2所述的基于希腊梯子波带片的X射线单次径向相移剪切数字全息成像，其特征在于：所述的步骤2)构建单次曝光相移径向剪切数字全息光路相移全息光路，具体是：由X射线源作为照明光源，沿该X射线源(1)输出光方向依次放置待测物体(2)、波带片1(3)、正交光栅(4)、波带片2(5)、希腊梯子波带片阵列(6)和光电耦合探测器CCD(7)，该光电耦合探测器CCD(7)与数据处理终端相连，由数据处理终端对4幅干涉图进行处理并获得待测波前的恢复结果。
4.根据权利要求3所述的基于希腊梯子波带片阵列的单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特征在于：所述X射线源产生2.8nm的X射线，置于变焦光路的最前端；用X射线光源照明输入物，该输入物为纯相位物体。
5.根据权利要求3所述的基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特征在于，所述正交光栅置于构成Kepler***的两个波带片的公共焦平面，用于对入射光进行分束，在Kepler***后产生2×2个与入射光波完全相同的光波。
6.根据权利要求3所述的基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特征在于，所述希腊梯子波带片阵列置于Kepler***像面后，用于对输入的四个光波分别进行径向剪切干涉并引入不同相位差。
7.根据权利要求3所述的基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特征在于，所述光电耦合探测器CCD置于希腊梯子波带片阵列后，调节光电耦合探测器CCD的位置置于希腊梯子波带片阵列的后焦平面附近略微偏离焦平面，用于检测采集相移剪切干涉图。
8.根据权利要求3所述的基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法，其特征在于，所述数据处理终端连接光电耦合探测器CCD，并从光电耦合探测器CCD所采集的图片中提取四幅相移干涉图，通过公式(1)进行叠加，复原被测物的复振幅信息，
式中，Ij是相移值θj所对应的全息，j为相移干涉图的相移次序，复振幅R(θ1)为对应于相移值θ1的参考波。
9.根据权利要求3所述的基于希腊梯子波带片阵列的X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像，其特征在于，所述的希腊梯子波带片阵列是一种衍射型光学元件，由四个具有不同相移值的希腊梯子波带片组成，实现相干光源下从X射线到太赫兹波段的相移数字全息成像和波前检测。
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2018
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