[发明专利]一种基于相位层叠衍射的全息成像方法

说明书

本发明公开了一种基于相位层叠衍射算法对透明半透明物体进行全息重建的方法，属于全息成像领域。该方法利用空间光调制器或已知相位的随机相位片来调节入射光相位，产生一系列具有不同相位组合的入射光，利用该入射光照射样品，从而获得一系列衍射图。通过对这些衍射图进行迭代计算，从而获知待测物体相位信息，实现其全息成像。该方法无需精密的微机械移动装置，也无需二极管激光阵列，结构相对简单，并且所需衍射图个数较传统层叠衍射算法少得多，运算速度则相应有较大提高。

技术领域

本发明属于全息成像领域，具体涉及利用相位层叠衍射算法对样品进行全息成像的方法。

背景技术

在通过透射光对透明或半透明物体进行全息成像，人们除对透射光强进行记录外，还可以记录物体的相位，从而来获知物体的形态和内部更加精细的结构，尤其是对透明物体而言，由于透射光强几乎没有变化，全息成像更是获得其内部结构的不可或缺的手段。传统的全息成像方法通过引入参考光，让参考光和透射光产生干涉，从而来获取物体相位信息。最初的全息方法是不额外引入参考光，让通过物体边缘的光充当参考光，让其和透射光干涉，来获取全息图像，但该方法所产生的全息像及其对称像重叠在一起，不容易得到清晰的全息图像。在该方法的基础上，20世纪60年代引入离轴全息术，即参考光和透射物光不在同一光轴上，该方法得到广泛应用，虽然其可以将物体全息像及其对称像分开，但是该方法需要稳定的参考光，并且额外参考光路的引入也增加了装置的复杂性。

层叠衍射方法（ptychography）是新近开始蓬勃发展起来的一种新型获取物体全息图的方法，与一般的全息方法（holography）不同，该方法无需参考光，而是通过改变光波和物体的横向相对位置获取一系列衍射图像，照射在物体上的光斑和其它至少一个光斑有重叠部分。这一系列衍射图像通过CCD、CMOS等光电记录装置进行记录，并通过计算机进行相干衍射迭代计算，从而对物体全息成像，如果光波函数未知的话，还可以获得光波函数信息（P.Thibault et al, Ultramicroscopy, 109, 338-343, 2009）。然而，传统的层叠衍射方法需要微机械装置来移动光斑和样品，这对机械装置提出了很高的要求，为了提高测量精度，该方法需要提高各个光斑间重叠面积，这使得迭代计算时时间代价消耗较大。G.Zheng等人在传统层叠衍射方法基础上于2013年提出了Fourier空间的相干衍射成像方法，该方法无需机械装置，而是利用高能量发光二极管产生激光阵列，利用CCD接收不同二极管照射时的光斑（G. Zheng et al, Nature Photonics,7,739-745,2013）；为提高测量精度该方法同样需要增加二极管个数或改变其发光阵列形态，这也在一定程度上增加了设备的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于相位层叠衍射算法的透明半透明样品全息成像方法。该方法利用空间光调制器或已知相位的随机相位片来调节入射光相位，产生一系列具有不同相位的入射光，利用该入射光照射样品，从而获得相应的一系列衍射图。通过对这些衍射图进行迭代计算，从而获知待测物体相位信息，实现其全息成像。该方法无需精密的微机械移动装置，也无需二极管激光阵列，结构相对简单，并且所需衍射图个数较传统层叠衍射算法少，运算速度则相应提高。

本发明技术方案如下：

一种基于相位层叠衍射的透射样品全息成像方法，包括以下步骤：

（1）激光等入射光束通过空间光调制器或者已知相位的随机相位片等相位调控装置照射待测样品，其可产生附加相位组使透射光束相位得到改变，并且光束横截面上每一部分的相位改变不完全一致，但一般对于第一个附加相位组，其不使透射光束相位改变，对于一般的相位调节装置而言，其对振幅也有一定的调节能力，调节量能够知道；

（2）通过高速CCD或CMOS等含电子感光元件的接收装置接收透过样品的衍射图样，每个附加相位组对应一个图样，对于每个待测样品，相位调控装置产生的附加相位组个数不少于2；