基于相干衍射法的高精度相位成像与测量技术研究

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1、㈣㈣㈣lilt㈣I帅。Y2431887中国科学院上海光学精密机械研究所硕士学位论文2013年5月21日ByXingchenPanADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofOpticalEngineeringShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics5，2013独创性声明本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得

2、的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海光学精密机械研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究工作所做的任何贡献，均己在论文中做了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名；磺兰乏签字日期：驴I乡年乡月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院上海光学精密机械研究所有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院上海光学精密机械研究所可以将学位论

3、文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：镌岩玉签字日期：bf；年石月6．日学位论文作者毕业去向：工作单位：通信地址：指导教师签名：赢1弘弋签字日期：¨年6月电话：邮编：中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生毕业论文／2013年基于相干衍射法的高精度相位成像与测量技术研究潘兴臣导师：刘诚研究员摘要相干衍射成像(CoherentDiffractiveImaging，CDI)是一种利用衍射理论、卷积定理和Nyquist抽样定理，从所记录的散射斑强度直

4、接用迭代算法重建样品波前分布的非透镜成像技术。该技术的一个关键优势在于不需要高质量的光学元件，因此成像分辨率不受元件质量的影响，理论上能够实现二分之一波长衍射极限的分辨率。同时，由于不使用参考光，和全息等干涉技术相比CDI由于对系统稳定性的要求大为降低而更便于应用。PIE(PtychographicalIterativeEngine)技术是CDI技术的一种，它是在2004年由英国谢菲尔德大学教授JohnRodenburg提出，和传统CDI算法相比，PIE成像范围具有可扩展性，视场不受CCD尺寸的限制，同时具有较快的收敛速度和较高的抗噪声干扰能力。但是PIE算

5、法的数据记录时间较长并且成像质量对装置移动精度依赖性较高，这也是该算法的两个主要缺点。本论文主要围绕PIE相关技术进行理论分析和实验研究，主要研究内容如下：从理论上讨论了光源相干性对PIE成像技术的影响并进行了模拟验证，指出光源相干性不理想的情况下，各个频谱的非相干叠加等效于各个频谱振幅相对调整后的相干叠加，能够满足PIE对相干性的要求，但由于等效过程中排列组合的复杂性以及振幅相对的改变，再现的结果并非是原物完全的准确再现；而特别的对于弱衍射物体，远场散射斑可以等效于零级场和衍射场的相干叠加，忽略衍射场间的叠加，此种情况下，虽然再现结果的相位对比度有所降低，

6、但由于在衍射场上各频谱分量仅仅发生振幅的相对改变而相位没有变化，因此再现结果仍能够很好地反映物体的真实结构。提出一种针对弱散射样品进行PIE成像的改进光路和算法，以避免平移台滞回效应和齿侧间隙导致的移动误差对成像质量的影响，通过这种光路设置，照明光相对样品的扫描距离可以直接从光斑中读取出，这种方法不仅可以显著改善成像质量，同时可以降低PIE对装置精度的依赖性。和其他CDI算法一样，PIE算法中由于噪声的普遍存在，弱散射样品的相位像通常对比度很低，很难从所恢复的像中辨别出样品的细节结构。为了改善弱相位物体的成像质量，在现有光路不变的基础上提出了一种改进PIE方

7、法，使用记录到的光强而不是振幅用于迭代运算，实现了对高频信息的增强，进而大幅度提高弱散射物体再现像的对比度。基于相干衍射法的高精度相位成像与测量技术研究／潘兴臣提出一种可以通过单次曝光实现PIE成像的方法，能够克服传统PIE算法的缺点，该方法用正交光栅将入射细光束衍射为传播方向不同的子光束簇以对样品进行照明，并用CCD同时记录各个子光束所形成的衍射光斑阵列。该方法能够使用传统PIE算法进行恢复的同时很好地克服了现有PIE方法的成像质量易受机械扫描误差影响和数据采集时间过长的缺点。数字全息成像中往往包括再现像、共轭像和零级项，为了解决再现像的分离问题，将相干衍

8、射成像(CDI)中的迭代方法运用到数字全息成像中，实