本發(fā)明屬于衍射成像和全息成像領(lǐng)域，具體涉及利用分光裝置將含物體信息的入射光分為多個子光束，進(jìn)而對每個子光束的振幅、相位或二者之一進(jìn)行調(diào)節(jié)，來獲得多個相關(guān)的衍射圖樣；之后利用層疊衍射算法進(jìn)行重建，獲得物體的全息像。

背景技術(shù)：

層疊衍射（ptychography）是近十幾年來發(fā)展起來的一種新型獲取物體全息圖的方法，與傳統(tǒng)的全息方法（holography）不同，該方法無需參考光，而是通過改變光波和物體的相對位置獲取一系列衍射光斑，照射在物體上的光斑和其它至少一個光斑有重疊部分。衍射光斑通過cmos、ccd等裝置進(jìn)行記錄，之后可以利用計算機(jī)程序?qū)@些光斑進(jìn)行衍射迭代計算，來獲取物體的相位、振幅信息，實現(xiàn)對物體的全息成像(j.m.rodenburg,adv.imag.elect.phys.150,87-184,2008)。如果光波函數(shù)未知的話，還可以獲得光波函數(shù)信息（p.thibaultetal,ultramicroscopy,109,338-343,2009）。然而，傳統(tǒng)的層疊衍射方法需要微機(jī)械裝置來移動光斑和樣品，這對機(jī)械裝置提出了很高的要求，為了提高測量精度，該方法需要提高各個光斑間重疊面積，這使得迭代計算時時間代價消耗較大。g.zheng等人在傳統(tǒng)層疊衍射方法基礎(chǔ)上于2013年提出了fourier空間的相干衍射成像方法，該方法無需機(jī)械裝置，而是利用高能量發(fā)光二極管產(chǎn)生激光陣列，利用ccd接收不同二極管照射時的光斑（g.zhengetal,naturephotonics,7,739-745,2013）；為提高測量精度該方法同樣需要增加二極管個數(shù)或改變其發(fā)光陣列形態(tài)，這也在一定程度上增加了設(shè)備的復(fù)雜程度。o.cohen等人提出提出了單曝光層疊衍射技術(shù)，其利用多孔陣列在4f系統(tǒng)后焦面上得到一組含物體信息的光斑，這相當(dāng)于傳統(tǒng)層疊衍射所得到的衍射光斑組；由于只需要一次曝光，因此光斑接收時間大大縮短；不過該方法需要從一次曝光的圖樣中分離出各個衍射光斑，這又增加了后期處理的難度（o.cohenetal,optica,3,9-14,2016）。董昭等人在已公開的專利文件（申請?zhí)?01610028448.3）中提出了一種基于相位層疊衍射的全息方法，即利用空間光調(diào)制器或者相位模板來改變?nèi)肷涔庀辔?，從而實現(xiàn)無機(jī)械移動的層疊衍射，從而減少接收時間；該方法在相位重建時無需分離光斑，而且迭代時間較傳統(tǒng)層疊衍射短。然而該方法依然需要調(diào)整相位模板，這依然需要一定數(shù)據(jù)采集時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種能夠同時接收經(jīng)過不同調(diào)制的含物體信息的入射光的層疊衍射裝置，從而在減少接收時間的同時，對物體進(jìn)行快速重建。本方法利用分光棱鏡組、光纖等分光裝置將含物體信息的入射光分為多個出射光束，每個出射光束對應(yīng)一個接收裝置；在進(jìn)入接收裝置前，利用空間光調(diào)制器或者固定的模板對每個出射光束的振幅、相位或者僅對二者之一的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可獲得一組相關(guān)的衍射圖樣，之后便利用層疊衍射算法進(jìn)行重建，得到物體的振幅相位信息，即全息像。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種層疊衍射成像裝置，按入射光束傳播的方向依次包括：

（1）將入射光束分成若干出射光束的分光裝置；

（2）每一條出射光束對應(yīng)的光束調(diào)節(jié)裝置，該裝置能夠調(diào)節(jié)光束的振幅相位分布，或者僅對二者之一進(jìn)行調(diào)節(jié)；

（3）每一條出射光束對應(yīng)的圖像接收裝置。

對于分光裝置而言，其可以利用棱鏡組、半反射鏡組或者光纖束進(jìn)行分光，所分的出射光束光強(qiáng)盡量相等。

對于光束調(diào)節(jié)裝置，此處需要該裝置能夠調(diào)節(jié)光束振幅或相位分布，或者同時調(diào)節(jié)二者分布，而不是對光振幅或相位整體調(diào)節(jié)；并且對每一條出射光束對應(yīng)一個光束調(diào)節(jié)裝置，對該光束的調(diào)節(jié)不影響其他光束；而且每一調(diào)節(jié)裝置對光束的調(diào)節(jié)情況均不相同。光束調(diào)節(jié)裝置可以是空間光調(diào)制器或者固定的模板，如相位板、透光率隨機(jī)分布的振幅調(diào)節(jié)板等。

對于圖像接收裝置，此處也要求每一條出射光束對應(yīng)一個圖像接收裝置。所有的圖像接收裝置應(yīng)該同時拍攝，為達(dá)到這一目的，可以在入射光入口處（即在分光裝置前）放置一快門，當(dāng)快門開啟時，所有圖像接收裝置同時接收圖樣。為能夠更有效地重建物體的全息像，所有的圖像接收裝置應(yīng)該和對應(yīng)光束主軸垂直，并且主軸入射點在圖像接收裝置光敏面中心。一般圖像接收裝置可以是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（cmos）工業(yè)相機(jī)、電荷耦合元件（ccd）相機(jī)等。

由于分光裝置中不同光束分光不同，不同出射光束接收裝置所感受到光強(qiáng)度可能不同，為提高重建物體全息像的精確度，在部分或全部接收裝置前放置有光衰減裝置（如光衰減片），來保證各個接收器接收到的光強(qiáng)基本一致。

由于距離物體的光程差不一致，接收器所接收到圖樣的衍射狀況也可能不一致，這會給后期數(shù)據(jù)處理帶來一定的復(fù)雜度；為提高后期物體全息像重建效率，該裝置讓各個圖像接收裝置到入射光束第一個分光處的光程差相同（實際操作中一般應(yīng)保證誤差不超過0.5微米），以此來保證它們到物體的光程差一致。

本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

（1）本發(fā)明對物體進(jìn)行層疊衍射時，可以一次拍照同時獲得多張物體的衍射圖樣，大大減少圖樣接收時間。此時圖樣接收時間一般只取決于接收裝置曝光處理時間；

（2）本發(fā)明重建樣品像無需分離光斑；

（3）本發(fā)明裝置組裝好之后，其參數(shù)可固定在某一值，再次使用時無需重復(fù)調(diào)節(jié)，有利于工業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1一種層疊衍射成像裝置圖,1為快門，2、3、4為分光棱鏡，6為空間光調(diào)制器，8為cmos工業(yè)相機(jī)，9為裝置外殼，10為分光棱鏡夾具。

圖2空間光調(diào)制器6典型的加載圖及其灰度對應(yīng)的相位值。

圖3振幅型樣品（a）及加載有其信息的光通過空間光調(diào)制器后典型衍射圖樣（b）和重建強(qiáng)度像（c），圖a中刻度尺為最小單位為毫米，圖b、c中標(biāo)尺長度為2毫米。

圖4另一種層疊衍射成像裝置圖，1為快門，2、3、4、5為分光棱鏡，61-65為棋盤網(wǎng)格狀振幅模板，7為衰減片，81-85為cmos工業(yè)相機(jī)，9為裝置外殼。

圖5一種典型的網(wǎng)格狀振幅模板（a）及其互補(bǔ)模板（b）。

圖6模擬樣品的振幅（a）及相位（c）分布，以及和重建振幅（b）、相位像（d）。

具體實施方式

下面通過實例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。

實施例一：一種使用相位型空間光調(diào)制器的層疊衍射成像裝置

一種層疊衍射成像裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其光束調(diào)節(jié)裝置使用透射式空間光調(diào)制器6，該空間光調(diào)制器固定在裝置內(nèi)部（夾具未顯示），空間光調(diào)制器6入射光和出射光部分均自帶已調(diào)節(jié)好角度的偏振片（圖中未顯示）來保證它們工作在純相位模式。

以下按入射光束的傳播方向詳細(xì)介紹本裝置其它部分。本裝置包括快門1，快門1按下時，所有接收裝置電荷耦合元件（ccd）工業(yè)相機(jī)8同時拍照。相機(jī)8的曝光時間可調(diào)，最低為0.005秒。

本裝置分光裝置由3塊分光棱鏡組成的棱鏡組構(gòu)成，這些分光棱鏡可將入射光分成光強(qiáng)相同的兩束光，即透射光和反射光，它們被相應(yīng)的夾具10固定。入射光束在分光棱鏡2處首先分光。如圖1所示，反射光經(jīng)棱鏡2向上傳播，又經(jīng)棱鏡3再次分為兩束光，其中一束經(jīng)棱鏡3反射后水平向右傳播，另一束則透射繼續(xù)向上傳播；這兩束光均經(jīng)過其對應(yīng)的空間光調(diào)制器6到達(dá)對應(yīng)的接收裝置ccd工業(yè)相機(jī)8。另一束光經(jīng)棱鏡2透射，和經(jīng)棱鏡2反射的那束光類似，其經(jīng)棱鏡4再次分為兩束光，而后這兩束光經(jīng)過對應(yīng)的空間光調(diào)制器6，也到達(dá)對應(yīng)的ccd工業(yè)相機(jī)8。，由于每一條出射光束均相當(dāng)于分光兩次的產(chǎn)物，因此這些出射光束光強(qiáng)相同，故本裝置沒有采用光衰減裝置。

具體應(yīng)用時，為方便使用，裝置內(nèi)部件被放置、固定在外殼9內(nèi)。所有的ccd工業(yè)相機(jī)8到分光棱鏡2中心位置（也即入射光分光處）的光程差相同，并且它們到對應(yīng)空間光調(diào)制器的距離也一樣。本例中棱鏡2到棱鏡3、4的距離分別為50毫米，棱鏡3、4到它們對應(yīng)的工業(yè)相機(jī)8的距離也均為50毫米，空間光調(diào)制器到對應(yīng)工業(yè)相機(jī)8光敏面的距離均為20毫米。應(yīng)用時，所有的空間光調(diào)制器加載不同的隨機(jī)相位，典型的加載圖如圖2所示

采用中間半透明振幅型樣品（如圖3a所示）來展示該裝置應(yīng)用。該樣品中心半透明區(qū)域大體呈正方形，邊長為3毫米，四周則不透明，波長為532納米平行激光束經(jīng)過該樣品后進(jìn)入到層疊衍射裝置。調(diào)節(jié)光束讓其垂直入射到分光棱鏡2的中心，這樣可以保證所有的工業(yè)相機(jī)8均能在其中心區(qū)域接收到樣品的像。打開快門，則這些相機(jī)同時拍攝到樣品的像，并且這些像均經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制。采集時間取決于曝光處理時間，此處為0.005秒。

ccd工業(yè)相機(jī)通過有線或無線連接裝置（圖中未顯示），將其接收到的圖樣傳送到計算機(jī)中進(jìn)行處理，此時可直接按照傳統(tǒng)的層疊衍射迭代算法進(jìn)行處理，而無需分離光斑。圖3b、c子圖顯示的是分別是其典型衍射圖以及層疊衍射算法獲得的強(qiáng)度分布，計算時間為6秒。由此可見，該裝置能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行快速層疊衍射成像。

實施例二：一種使用棋盤網(wǎng)格狀振幅模板的層疊衍射成像裝置

一種層疊衍射成像裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示，其光束調(diào)節(jié)裝置使用振幅型格狀模板61-65，該模板固定在裝置內(nèi)部（夾具未顯示），其工作部分由若干個網(wǎng)格組成，網(wǎng)格分為全透明和半透明或不透明兩類，前者透光率接近于1，后者透光率小于0.8，甚至為0，本例中后者透光率為0。這兩種網(wǎng)格隨機(jī)分布，使用時為防止光束某一部分對應(yīng)的網(wǎng)格常為0或常為1，我們把相鄰兩個出射光束的模板作為互補(bǔ)的，即,一個模板透光率為0的網(wǎng)格在另一個模板對應(yīng)的網(wǎng)格透光率為1，一個典型的模板及其互補(bǔ)模板如圖5所示。對于圖4所顯示的成像裝置，其出射光束數(shù)量為5，我們將模板61、62和64、65設(shè)置為互補(bǔ)模板，而將模板63所有網(wǎng)格設(shè)計為透光率為1。

以下按入射光束的傳播方向詳細(xì)介紹本裝置其它部分。本裝置包括快門1，快門1按下時，所有接收裝置cmos工業(yè)相機(jī)81-85同時拍照。工業(yè)相機(jī)81-85的曝光時間可調(diào)，最低為0.005秒。

本裝置分光裝置由4塊分光棱鏡組成的棱鏡組構(gòu)成，這些分光棱鏡可將入射光分成光強(qiáng)相同的兩束光，即透射光和反射光，它們被相應(yīng)的夾具10固定。入射光束在分光棱鏡2處首先分光。如圖4所示，反射光經(jīng)棱鏡2向上傳播，又經(jīng)棱鏡3再次分為兩束光，其中一束經(jīng)棱鏡3反射后水平向右傳播，經(jīng)過模板63到達(dá)工業(yè)相機(jī)83；另一束則透射繼續(xù)向上傳播，經(jīng)棱鏡5再次分為兩束光，這兩束光均經(jīng)過其對應(yīng)的模板61、62到達(dá)對應(yīng)的接收裝置cmos工業(yè)相機(jī)81、82。另一束光經(jīng)棱鏡2透射，其經(jīng)棱鏡4再次分為兩束光，而后這兩束光經(jīng)過對應(yīng)64、65，也到達(dá)對應(yīng)的cmos工業(yè)相機(jī)84、85。注意到棱鏡5所分得的兩條出射出射光束相當(dāng)于分光三次的產(chǎn)物，而其它出射光束則相當(dāng)于分光兩次的產(chǎn)物，因此若無模板的影響，工業(yè)相機(jī)81、82所對應(yīng)的光強(qiáng)是工業(yè)相機(jī)83、84、85接收光強(qiáng)的1/2。為消除此影響，我們在模板63、64、65前加裝光衰減裝置（如圖4所示），具體做法是在模板63、64、65前的外殼9上分別開出一條可以放置衰減片的狹縫，然后將衰減片7插入狹縫即可，通過調(diào)整衰減片7，讓通過其的光強(qiáng)整體減小為原來的1/2。

具體應(yīng)用時，為方便使用，裝置內(nèi)部件被放置、固定在外殼9內(nèi)。所有的cmos工業(yè)相機(jī)81-85到分光棱鏡2中心位置（也即入射光分光處）的光程差相同，并且它們到對應(yīng)空間光調(diào)制器的距離也一樣。本例中棱鏡2到棱鏡3的距離為25毫米，到棱鏡4的距離里為50毫米，棱鏡3到棱鏡5的距離為25毫米，棱鏡3到工業(yè)相機(jī)83的距離為50毫米，棱鏡4、5到它所對應(yīng)工業(yè)相機(jī)84、85及81、82的距離也為50毫米，模板到對應(yīng)工業(yè)相機(jī)8光敏面的距離均為20毫米，模板中每一個網(wǎng)格的邊長為0.025毫米。

采用模擬樣品來顯示其應(yīng)用，圖6中a、c子圖分別是其振幅和相位分布。該樣品呈正方形，設(shè)定邊長為3毫米，四周則不透明，波長為532納米平行激光束經(jīng)過該樣品后進(jìn)入到層疊衍射裝置。調(diào)節(jié)光束讓其垂直入射到分光棱鏡2的中心，這樣可以保證所有的工業(yè)相機(jī)81-85均能在其中心區(qū)域接收到樣品的像。打開快門，則這些相機(jī)同時拍攝到樣品的像，并且這些像均經(jīng)過模板調(diào)制。

cmos工業(yè)相機(jī)通過有線或無線連接裝置（圖中未顯示），將其接收到的圖樣傳送到計算機(jī)中進(jìn)行處理，按照傳統(tǒng)的層疊衍射迭代算法獲得其相位、強(qiáng)度分布，無需分離光斑。圖6b、d子圖顯示的是分別是經(jīng)層疊衍射算法獲得的強(qiáng)度、相位分布，其和原樣品非常吻合。復(fù)原計算時間為4秒。由此可見，該裝置能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行快速層疊衍射成像。