大角度倾斜照明条件下的PIE迭代重建算法研究

发布时间：2021-03-04 13:45

　　提出一种大倾角照明条件下的高精度PIE（ptychographic iterative engine）迭代重建算法。该算法用小角度照明的透射光代替大角度照明的透射光,通过修正角谱传递函数,得到适应大角度迭代的光场传输公式。在非傍轴条件下,该算法能够避免样品面上相位分布欠采样的问题,同时精确计算衍射面上的衍射光斑,为单次曝光PIE成像的进一步发展和实际应用解决了最为关键的技术难题。 

【文章来源】：光学学报. 2020,40(17)北大核心

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

大角度下普通ePIE重建结果(500次迭代)。(a)物体振幅;(b)物体相位;(c)照明光振幅;(d)照明光相位

图5 大角度下普通ePIE重建结果(500次迭代)。(a)物体振幅;(b)物体相位;(c)照明光振幅;(d)照明光相位为精确对比两种计算方法的收敛性,其对应的误差曲线如图7所示,其中实线表示利用所提大角度角谱算法得到的重建结果,虚线表示利用傍轴近似计算方法得到的误差曲线,可以看出,傍轴近似算法在100次迭代后误差基本稳定在0.13,最终达到0.12,而大角度角谱算法在50次迭代时误差已经降低到0.004,且500次迭代结束时达到0.003,是传统算法误差的1/40,因此无论是收敛速度还是最终误差,都要远优于傍轴近似算法,这一结果印证了图5和图6中的结果,证明本文所提方法有良好的重建精度和重建速度。

由于U(x,y)中存在相位倾斜因子 exp [ i 2π λ (xcosα+ycosβ) ] ,因此在数值计算过程中,采样定理要求样品平面的采样间隔必须满足 Δx< λ 2cosα 和 Δy< λ 2cosβ 。以氦氖激光为例,如果照明角度达到60°,则采样间隔需要0.6 μm左右,这是对于任何实际的PIE成像光路都无法达到的采样间隔。如果用菲涅耳空间积分来计算光场的传播,则需要探测器的尺寸为dλ/Δx,若样品和探测器之间的间距为d=6 cm,CCD的单像素尺寸为6 μm×6 μm,则CCD芯片的尺寸需要达到6 cm×6 cm,计算所需要的数组大小为10000×10000。用很多个如此大的数组进行PIE重建,即使计算机的硬件内存和软件管理能力能够实现,重建速度也将慢到无法接受。如果用角谱理论来计算光传输过程,则意味着CCD的像元尺寸必须小于0.6 μm×0.6 μm,到目前为止还没有如此小像元的CCD。因此,基于多角度同时照明的单次曝光PIE成像,一直都无法利用大角度入射光对物体进行照明。(2)式中透射光的傅里叶变换可以表示为U ～ (f x ,f y )= Ο ～ (f x ,f y )⊕ Ρ ～ ′( f x - cosα λ ,f y - cosβ λ ), ??? (3)


本文编号：3063320