基于阵列抽样针孔的实时相干衍射成像系统

《基于阵列抽样针孔的实时相干衍射成像系统》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、编码：山东省第三届大学生物理科技创新大赛研究报告作品名称：基于阵列抽样针孔的实时相干衍射成像系统学校全称：山东理工大学申报者姓名：指导教师：类别：□实验方法研究（A类）□自制实验教学仪器（B类）□物理量智能化测量（C类）□实验模拟与仿真（D类）√实用创新（E类）基于阵列抽样针孔的实时相干衍射成像系统摘要：提出了一种从远场衍射强度图样实现实时相干衍射成像的非迭代方法。该方法利用特殊设计的周期阵列抽样针孔对待测物体的菲涅耳衍射场的波前进行抽样，用图像传感器（CCD）记录其远场衍射图样，在计算机中对其进行处理，可以直接提取物波的抽样复振幅数据，再利

2、用标量衍射理论对物体重现。因为该方法只需要对一幅远场衍射图样进行测量，避免了迭代算法，而且从理论上不需要透镜，它可以在较广的波长范围内实现实时相干衍射成像。关键词：相干衍射成像相位恢复阵列抽样孔非迭代方法一、研究背景无透镜相干衍射成像因为可以避免透镜有限大小和像差的限制，在许多不同的应用领域成为一个非常受关注的研究方向，其理论研究的进步对相关技术的发展有很大的推动作用。然而，普通方法记录的强度图像丢失了相位信息，不能更好的再现物波的信息，所以相干衍射成像最关键的问题是如何从记录的强度二维图像中提取相位或复振幅，从而能够通过所记录的图像完整的再

3、现物波的信息。经研究小组查阅相关资料，就目前来讲，无透镜成像方法主要有以下几种：1、离轴全息技术离轴全息是最常用的一种无透镜成像方法[1]。但对于X射线和电子波等高频波，参考波源需要非常小，其空间频率受到很大限制，致使其不能应用于高频波段，应用面窄。而在同轴全息中，虽然不需要参考波，但存在衍生像的干扰问题，致使所成像清晰度不高。2、迭代傅立叶变换法为了从衍射强度图样中进行物体的三维重现，一些不需要参考波的非全息方法相继被提出。其中，应用较广的是Fienup[2]提出的迭代傅立叶变换算法。这种方法已经用于非晶体样品的X射线相位提取实验[3]和从

4、碳纳米管的衍射图样中进行相干电子射线成像[4]。虽然迭代算法只需要一幅衍射图样，但计算需要一个很长的迭代过程，而且普遍存在一个收敛问题，可能有多个局部极小值，因此会导致非单一解，使其对复振幅物体进行成像时的局部分辨本领受到影响，使所成像的清晰度受到影响。3、基于扩展目标的哈特曼波前传感器技术基于扩展目标的哈特曼波前传感器也是一种已经普遍采用的波前测量方法，属于非迭代算法。它通过阵列透镜将目标成像在焦平面处的图像传感器上，形成一阵列图像，通过每一子图像的相对平移量计算相应子孔径处波前的斜率，然后通过Zernike多项式拟合等方法,可重构出整个物

5、波波前，并在某些无法得到点光源信标的自适应光学系统中得到应用。但该方法因为需要透镜及其有限分辨率，所以限制了其应用范围。4、相位变更法相位变更法[6]也已经用于X射线成像和电子显微成像[5]。但实际采用的大多数非迭代算法都需要至少两幅衍射强度图样，而且对所测量的样品都有较严格的限制条件，这在一般的实验条件下很难实现。5、扫描多针孔干涉法最近，基于多针孔干涉原理的扫描多针孔法[8,9]受到广泛关注。该方法利用一组特殊排列的针孔对待测物体的菲涅耳衍射光场进行抽样，通过CCD记录其远场衍射图样，在计算机中提取抽样复振幅数据。通过旋转多针孔板对光场不

6、同位置进行扫描抽样，从而组合出一组多针孔板处的复振幅数据，并逆向衍射到物平面，可以实现相干衍射成像。但在该方法中，因为需要对待测光场进行扫描，记录的远场干涉图样较多，在一定程度上难以实现真正意义的实时再现。二、阵列抽样针孔法实现实时相干衍射成像的特点和优势本作品中，我们提出了一种从远场衍射强度图样实现实时相干衍射成像的非迭代新方法。该方法利用一个特殊设计的阵列抽样针孔对经过衍射的待测物体的波前进行抽样，用图像传感器（CCD）记录其远场衍射图样，并将数据保存在计算机中。阵列抽样针孔由具有相同间隔和大小的抽样针孔和位于中间的参考针孔组成。在计算机

7、中，对图像传感器记录的远场衍射图样进行逆傅立叶变换，通过特定的计算方法可以直接提取物波的抽样复振幅数据。通过这些抽样数据，利用标量衍射理论在计算机中实现相干衍射成像。因为该方法只需要对一幅远场衍射图样进行测量，不涉及多幅图像的交互处理，避免了迭代算法和扫描过程，实验光路简单，可以实现实时再现。它可以在较广的波长范围内，如红外线、可见光、紫外线和电子射线等研究领域实现相干衍射成像，因而具有非常广的应用前景。因为该方法从理论上不需要透镜，这样就避免了传统透镜大小和像差的对成像质量的限制。对大多数物体来讲，对X射线和电子射线来讲都可以看做透明物体，

8、因此此方法特别适用于X射线和电子射线等难以制作透镜的研究领域，由此具有极高的应用价值和发展潜力。三、阵列抽样针孔法实现相位提取和相干衍射成像的原理图1.记录远场衍射