用于恢复波场的相位的方法和设备.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102625921 A (43)申请公布日 2012.08.01 C N 1 0 2 6 2 5 9 2 1 A *CN102625921A* (21)申请号 201080041043.4 (22)申请日 2010.09.10 0916167.0 2009.09.15 GB 0917930.0 2009.10.13 GB G02B 27/44(2006.01) G03H 1/00(2006.01) H01J 25/00(2006.01) (71)申请人谢菲尔德大学 地址英国谢菲尔德西岸福斯楼 (72)发明人张福才 (74)专利代理机构深圳市千纳专利代理有限公 司 44

2、218 代理人张亚宁 (54) 发明名称 用于恢复波场的相位的方法和设备 (57) 摘要 一种恢复波场的相位的方法，包括下列步骤： 提供初始平面处的波场的估计 0 ；以及经由波场 变换装置在进入平面与检测器平面之间来回传播 波场，进入平面是具有将波场限定到其内的面积 的平面，其中在进入平面应用支持约束，而在检测 器平面应用幅值约束，波场变换装置设置成将波 场变换函数应用于波场，波场变换函数的特征在 于与透镜函数的有限偏离。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.03.15 (86)PCT申请的申请数据 PCT/GB2010/051516 2010.09.10 (87)

3、PCT申请的公布数据 WO2011/033287 EN 2011.03.24 (51)Int.Cl. 权利要求书4页 说明书15页 附图11页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 15 页 附图 11 页 1/4页 2 1.一种恢复波场的相位的方法，包括下列步骤： 提供初始平面处的波场的估计 0 ；以及 经由波场变换装置(130，230，330，630)在进入平面(125，225)与检测器平面(140， 240，340)之间来回传播所述波场，所述进入平面是具有将所述波场限定到其内的面积的平 面， 其中，在所述进入平面应用(410)支持约束，而

4、在所述检测器平面应用幅值约束 (450)，所述波场变换装置设置成将波场变换函数(430，470)应用于所述波场，其中所述波 场变换函数的特征在于与透镜函数的有限偏离。 2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述波场沿第一方向经过所述进入平面与所述 检测器平面之间时，所述波场变换函数被应用(430)于所述波场；而在所述波场沿与所述 第一方向相反的第二方向经过所述进入平面与所述检测器平面之间时，所述装置将所述波 场变换函数的逆应用(470)于所述波场。 3.如权利要求1或2所述的方法，包括步骤：通过在所述进入平面与所述检测器平面 之间来回重复传播所述波场，来迭代地计算所述波场的相位。 4.如以上权利

5、要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换函数的特征在于：将 傅立叶变换应用于所述波场，此后将所述波场与调制函数相乘，随后将另一个傅立叶变换 应用于所述波场，所述调制函数是具有与透镜函数有限偏离的函数。 5.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述支持约束S按照下述方程式来 应用： 其中 n 和 n 分别是第n次迭代的进入波场的当前和更新估计， n 在第一次迭代 被设置成等于 n 。 6.如权利要求5所述的方法，其中，S在假定待测量的所述波场具有有效值的像素处取 单位值，而在其它情况下取零值。 7.如以上权利要求中的任一项所述的方法，应用所述幅值约束，以便按照方程式 来确定所述检测器平

6、面 D n+1 处的所述波场的估计，其中A n+1 和 n+1 分别表示所述检测器处的所述波场的幅度和相位。 8.如权利要求7所述的方法，其中，按照等方程式来应用所述幅值 约束，其中 D n+1 是应用所述幅值约束之后在所述检测器处的所述波场，I是记录的衍射强 度，以及P(I)是强度I的函数。 9.如权利要求8所述的方法，其中，P(I)采取形式P(I)=I ，其中是常数。 10.如权利要求9所述的方法，包括步骤：将设置为大致在从大约0.5至2的范围 中的值。 11.如权利要求9或10所述的方法，包括下列步骤：以的第一值执行n 1 次迭代，随 后以的第二值执行n 2 次迭代。 12.如权利要求1

7、1所述的方法，其中，的所述第一值大于所述第二值。 13.如权利要求11或12所述的方法，其中，的所述第二值为0.5。 14.如权利要求5或者权利要求6至从属到权利要求6的权利要求13中的任一项所述 权 利 要 求 书CN 102625921 A 2/4页 3 的方法，包括步骤：将选择成具有从大约0.4至大约0.8的范围中的值。 15.如权利要求14所述的方法，包括步骤：将选择成具有值0.62。 16.如从属至权利要求5的权利要求9或者通过从属于权利要求9而从属于权利要求 5的权利要求10至15中的任一项所述的方法，包括将、和S的值选择成使信号误差 比SER在大约100次迭代之后具有小于或者基本

8、上等于10 -5 的值。 17.如以上权利要求中的任一项所述的方法，在该方法前面可添加提供初始平面处的 所述波场的初始估计的步骤。 18.如权利要求17所述的方法，其中，所述初始平面设置在从下述位置中选择的一个 之处，与所述进入平面一致、与所述检测器平面一致、以及在所述进入平面与所述检测器平 面之间。 19.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换装置设置成呈现从对 入射波场的线性响应和非线性响应之中选取的一个。 20.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换装置设置成具有复合 传输，该复合传输是既呈现损失和又呈现相位延迟的传输。 21.如以上权利要求中的任一项所述

9、的方法，其中，所述波场变换装置包括从相位板、 一维光栅、二维光栅、晶体板和空间光调制器之中选取的至少一个。 22.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换装置包括多个交叉耦 合的光纤，该交叉耦合的光纤设置成将从所述波场变换装置的入口平面入射的光传送到所 述波场变换装置的出口平面。 23.如权利要求22所述的方法，其中，所述装置设置成在所述装置的入口和出口平面 的相应位置之间传送光，使得所述波场变换函数的特征在于，由于从所述装置的入口和出 口平面处的相应光纤端部的相应位置之间的对应性和相应光纤长度之中选取的至少一个， 而与透镜函数的有限偏离。 24.如以上权利要求中的任一项所述的方

10、法，其中，所述波场变换装置设置为从入射辐 射的透射和入射辐射的反射之中选取的一个。 25.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换装置包括多个像素元 件。 26.如以上权利要求中的任一项所述的方法，包括步骤：相对于所述检测器和/或所述 进入平面来调整所述波场变换装置的取向。 27.如以上权利要求中的任一项所述的方法，包括步骤:提供多个波形变换装置。 28.如以上权利要求中的任一项所述的方法，包括步骤:提供按照级联配置的多个波 形变换装置，由此波场设置成经由所述多个装置的每一个而通过进入平面与检测器平面之 间。 29.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换函数是从离

11、散的和连 续的之中选取的一个。 30.如以上权利要求中的任一项所述的方法，包括步骤:提供波形变换装置，其包括从 像差透镜和具有不可忽视像差的复合透镜系统之中选取的至少一个。 31.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波形变换函数是从可逆运算符 和非乘性运算符之中选取的一个。 权 利 要 求 书CN 102625921 A 3/4页 4 32.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，由所述检测器记录的数据设置成对 应于从Fraunhofer衍射图案、Fresnel衍射图案和像差图像之中选取的一个。 33.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述支持约束是从1D区域的长度、 2D

12、面积的边界和3D体积之中选取的一个。 34.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述支持约束应用于多个空间分 隔区域。 35.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场是从3D波场、2D波场和1D 信号之中选取的一个。 36.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场变换装置设置成散射从电 磁辐射、可见光子、x射线光子、电子、中子和质子之中选取的至少一个。 37.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场包括从太赫兹频率辐射、 红外辐射、可见光辐射、深紫外线辐射、软X射线辐射和硬X射线辐射之中选取的电磁辐射。 38.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述

13、波场设置成包括基本上相干的 辐射。 39.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场设置成基本上由相干辐射 组成。 40.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述波场是由物体所散射的波场。 41.如权利要求40所述的方法，包括步骤:计算物体的一个或多个平面中的所述波场 的相位。 42.如以上权利要求中的任一项所述的方法，包括在所述波场路径的所需位置处计算 所述波场的相位和幅度。 43.一种恢复波场的相位的方法，包括下列步骤： 提供设置成将波场变换函数(430，470)应用于波场的波场变换装置(130，230，330， 630)，其中所述波场变换函数的特征在于是具有与透镜函数的有限

14、偏离的函数； 经由所述波场变换装置将波场从进入平面(125，225)传递到检测器平面(140，240， 340)，并且通过检测器(340)来记录所述检测器平面处的所述波场的强度， 所述方法还包括下列步骤： 经由所述波场变换装置在所述进入平面与所述检测器平面之间以虚拟方式来回传播 所述波场，其中在所述进入平面应用(410)支持约束，以及在所述检测器平面应用(450)幅 值约束，所述幅值约束对应于所述检测器记录的强度。 44.如权利要求43所述的方法，其中，入射到所述波场变换装置的所述波场是由物体 (120，220，320)散射的波场。 45.如权利要求43或44中的任一项所述的方法，其中，在所述

15、进入平面与所述检测器 平面之间以虚拟方式来回传播所述波场的步骤之前，添加提供初始平面处的所述波场的估 计 0 的步骤。 46.一种用于恢复波场的相位的设备，包括： 设置成将波场变换函数(430，470)应用于波场的波场变换装置(130，230，330，630)， 其中所述波场变换函数的特征在于是具有与透镜函数的有限偏离的函数； 响应所述波场强度的检测器(140，240，340)；以及 权 利 要 求 书CN 102625921 A 4/4页 5 计算机系统， 所述设备设置成允许波场经由所述波场变换装置从进入平面(125，225)传播到所述 检测器，所述进入平面是一种将所述波场限定到有限面积的平

16、面， 所述计算机系统设置成在所述进入平面与所述检测器之间来回传播虚拟波场， 所述计算机系统设置成将支持约束应用(410)于所述进入平面处的波场并且将幅值 约束应用(450)于所述检测器处的波场，所述系统设置成在所述进入平面与所述检测器之 间传播所述波场时将所述波场变换函数应用于所述波场，由此恢复所述波场的所需位置处 的所述波场的相位。 47.如权利要求46所述的设备，其中，所述计算机系统设置成通过在所述进入平面与 所述检测器平面之间来回重复地传播所述波场，来迭代地计算所述波场的相位。 48.如权利要求46或47所述的设备，其中，所述系统设置成：在所述波场沿第一方向 经过所述进入平面与所述检测器

17、之间时，将所述波场变换函数应用于所述波场；而在所述 波场沿与所述第一方向相反的第二方向经过所述进入平面与所述检测器之间时，应用所述 波场变换函数的逆。 49.如权利要求46至48中的任一项所述的设备，其中，在所述进入平面与所述检测器 之间来回传播虚拟波场的步骤之前，添加从初始平面传播所述波场的步骤。 50.如权利要求49所述的设备，其中，所述计算机系统设置成提供所述初始平面处的 所述波场的估计，并且随后从所述初始平面并在所述进入平面与所述检测器之间传播所述 波场。 51.如权利要求49或50中的任一项所述的设备，其中，所述计算机系统设置成提示用 户输入所述初始平面处的所述波场的估计，并且随后从

18、所述初始平面并在所述进入平面与 所述检测器之间传播所述波场。 52.一种计算机程序，包括使计算机执行如权利要求1至45中的任一项所述的方法的 程序指令。 53.一种其上具有计算机程序代码部件的计算机程序产品，当所述程序被加载时使所 述计算机按照权利要求1至45中任一项所述的方法来恢复波场的相位。 权 利 要 求 书CN 102625921 A 1/15页 6 用于恢复波场的相位的方法和设备 技术领域 0001 本发明涉及用于恢复波场相位的方法及对应设备。在一些实施例中，提供一种基 于通过从物体所散射的辐射所形成的衍射图案的强度测量来构成物体的图像的方法。 背景技术 0002 人们认识到，物体的

19、图像可从该物体所散射的波场的相位和强度的测量来构成。 但是，图像检测器通常不能测量波场的相位，而是仅提供强度的测量。所谓的相位问题， 即确定波场的相位的问题，一直是更为关注的主题。 0003 对相位问题的解决方案，通常涉及基于衍射图案的强度测量的波场迭代计算。 0004 Sayre提出了单独从有限远物体的衍射强度，来复原从该有限远物体所衍射的 波场相位的可能性(D.Sayre，Acta Crystallographica 5，843(1952)。利用有限支持 作为物体约束的算法由Fienup(J.R.Fienup，Optics Letters 3，27(1978)于1978年 提出。Fienu

20、p和其它研究人员广泛地研究了这些算法的依赖于边界形状、对称性和锐度 的解的唯一性和收敛性，参见例如R.Barakat和G.Newsam的Journal of Mathematical Physics 25，3190(1984)，R.H.T.Bates，Optics(Jena)61，247(1982)以及J.R.Fienup和 C.C.Wackerman的Journal of the Optical Society of America A 3，1897(1986)。 0005 给定紧支撑和特定物体波场分布，已经表明使用模拟数据的重构是可能的。但 是，尽管这些理论有进步，也很少有令人信服质量的实

21、验结果被证实，直到Miao以及合作 人员于1999年的黄金图案的x射线重构(J.Miao，P.Charalambous，J.Kirz和D.Sayre， Nature(London)400，342(1999)。 0006 后来的实验将这种技术应用于包括单纯金颗粒的样本(J.Miao，T.Ishikawa， B.Johnson，E.H.Anderson，B.Lai和K.O.Hodgson，Phys. Rev. Lett. 89，088303(2002)、 复合酵母细胞(D.Shapiro等人，Proc.Natl.Sci. U.S.A.，102，15343(2005)和纳米晶体 内部的应变场的断层扫

22、描映射(M.A.Pfeifer，G.J.Williams，I.A.Vartanyants，R.Harder 和I.K.Robinson，Nature 442，63(2006)。 0007 同时，还通过各种方式来改进主要基于混合输入输出(HIO)算法的算法。可通过 收缩包围算法来避免紧支撑要求，收缩包围算法能够在迭代过程中连同物体一起来细化支 持的估计(S.Marchesini等人，Phys.Rev.B 68，140101(2003)。 0008 从迄今为止所证明的单个衍射图案的相位恢复，仍然局限于小的隔离标本。这对 它在材料和生物科学中的广泛使用，呈现出了根本的限制。 0009 这种技术中所要

23、求的有限出射波还能够通过采用有限探头照射扩展物体来提 供。但是，这种情况下的相位恢复因平滑边界和非负性损失而面临许多困难(J.R.Fienup， J.Opt.Soc.Am.A 4，118(1987)，J.M.Rodenburg和H.M.L.Faulkner，Appl.Opt. 85， 4795(2004)。 0010 一般来说，这些算法固有地伴随着平移和厄米对称模糊性，如J.R.Fienup和 C.C.Wackerman在J.Opt.Soc.Am. A 3，1897(1986)中所论述的那样。这些平凡解的竞 说 明 书CN 102625921 A 2/15页 7 争可引起缓慢收敛。在某些情况下

24、，近来已经表明，如果照射被弯曲并且还是准确已知的， 则扩展物体的重构是可能的(B.Abbey等人，Nat.Phys.4，394(2008)。 0011 当前相干衍射成像技术(CDI)中的另一个障碍是对检测器的动态范围和噪声性 能所施加的极严格要求。为了覆盖典型衍射图案的全范围，要求数量级为2 20 的动态范围的 检测器。这完全超出诸如电荷耦合器件(CCD)之类的常用检测器的能力。束阑必须用于阻 挡中心射束，但是这引起所谓的缺失数据问题，缺失数据必须保持较低或者使用通过其它 手段所测量的数据来修正。 0012 当前CDI中的另一个基本障碍是收集高角衍射数据的困难。在x射线或电子辐射 的情况下，大

25、多数实际感兴趣样本较弱地衍射。因此，只有入射束能量的极小部分将被衍射 到高角区域中；衍射到高角(或高阶)区域以便得到更高分辨率图像。甚至对于没有噪声 的理想检测器，仍然要求较长时间段使检测器得到充分数量的计数。一些样本无法耐受所 需时间长度的辐射。 0013 通过使用更亮和高成本辐射源，能够将数据采集时间减小一些，但是它将引起甚 至是增大的样本损坏。 0014 图1(a)示出了已知的实验布置，其中来自源10的辐射束（也可描述为波场）由设 置在物平面中的物体20来散射。散射波场30然后入射到设置成测量波场强度的检测器40 上。 0015 图1(b)示出迭代计算波场30的相位和幅度的已知方法。支持

26、约束应用于物平面 中的波场的估计，其然后传播到检测器平面，在那应用幅值约束(检测器平面处的波的幅 值由检测器40对波场强度的测量来确定)。 0016 US6369932、US6545790和US6906839公开用于复原波前的相位信息的系统和方 法。这些文献公开了采用准直辐射来照射材料的标本，并且使辐射经过具有预定阻挡图案 的光阑或者一个或多个滤波器。记录经过光阑或滤波器的辐射强度分布。这个过程重复进 行至少五次，其中每次使用不同的相应光阑或滤波器。 发明内容 0017 在本发明的第一方面，提供一种恢复波场的相位的方法，包括下列步骤：提供初始 平面的波场的估计 0 ；以及传播来自初始平面的波场

27、，并且在进入平面与检测器平面之间 来回传播，该进入平面是一种具有将波场限定到其内的面积的平面，其中在进入平面应用 支持约束，而在检测器平面应用幅值约束，并且波场变换装置设置在进入平面与检测器平 面之间的波场的路径中，波场变换装置设置成向波场应有波场变换函数，波场变换函数的 特征在于与透镜函数的有限偏离。 0018 有限含有与透镜函数的大或小的偏离。换言之，波场变换函数不是理想透镜函 数。波场变换函数也不是简单的自由空间传播函数。优选地，与透镜函数的偏离较大。优 选地，与透镜函数的偏离足够大，以在该方法规定的迭代次数之内实现波场的相位恢复。 0019 透镜函数表示一种装置的函数，其能够将从一个点

28、传出的波场转换成表现为从不 同的点传出或者收敛到不同的点的另一个波场。具体来说，透镜函数是能够将球面波(或 者其低阶近似)转换为另一个球面波(或者其低阶近似)的函数。这里提到的术语点还 应当被理解为在衍射受限意义上涵盖光点。 说 明 书CN 102625921 A 3/15页 8 0020 为了避免疑问，透镜函数没有包括自由空间传播函数。 0021 有利地，波场变换函数与透镜函数显著偏离。 0022 要理解，词语来回表示波场在进入平面与检测器之间传播，根据实现算法的编 程人员或者该方法用户的选择而在第一方向或第二方向开始。 0023 此外，要理解，初始平面可处于进入平面与检测器平面处或之间。作

29、为选择，初始 平面可在进入平面的上游。 0024 进入平面是其中已知的将波场通量限定到某个面积的平面。 0025 要理解，本发明的实施例的优点在于，波场的相位可从与波场的强度对应的单个 数据集来恢复。换言之，在本发明的一些实施例，不需要得到与检测器所进行的波场强度的 不同相应记录对应的多个数据集。这种一次通过的特征具有的优点在于，它使得能够执 行图像中强度实时变化的动态事件的相位恢复。例如，可执行从就地实验所得到的图像的 相位恢复，以及在发现样本在波场的辐射下作为时间的函数而退化的情况下。 0026 本发明相对于US6369932、US6545790和US6906839具有的优点在于，相位恢复

30、可 以仅使用与波场强度的分布对应的单个数据集来执行。本发明还与US6369932、US6545790 和US6906839不同，因为本发明要求应用支持约束。 0027 先前，支持约束的应用要求小隔离样本。这种限制通过本发明的实施例来克服，其 中采用通常具有强调制性质的波场变换装置。当波场从波场变换装置后向传播到其中应用 了支持约束的进入平面时，波场估计的不正确分量被传播到支持的外部，使得支持约束在 细化波场的估计中具有增加的有效性。 0028 优选地，在波场沿第一方向经过进入平面与检测器平面之间时波场变换函数被应 用于波场，而在波场沿与第一方向相反的第二方向经过进入平面与检测器平面之间时波场

31、变换函数的逆被应用于波场。 0029 该方法还包括通过在进入平面与检测器平面之间来回重复地传播波场，来迭代地 计算波场的相位。 0030 在一些实施例中，波场变换装置设置成，使得经过该装置的射线光程长度使产生 于其相干加强的强度与理想透镜的强度充分不同，以便在规定迭代次数之内使相位恢复能 够执行到所需空间分辨率。 0031 波场变换函数的特征可在于将傅立叶变换应用于波场，此后将波场与调制函数相 乘，随后将另一个傅立叶变换应用于波场，调制函数是一种具有与透镜函数有限偏离的函 数。 0032 表述特征在于表示波场变换函数可直接采取所述步骤的形式或等效的形式，而 无需显式执行所述步骤。 0033 本

32、发明的实施例的优点在于，能够得到高角信号强度，比通过当前CDI技术可得 到的那些高角信号强度要高若干数量级，而无需更强辐射源并且不会增加样本损坏。 0034 如上所述，对于x射线或电子辐射，大多数样本较弱地散射，并且因此较低数量的 光子或电子散射到高角。期望的是，较大数量的光子或电子散射到高角区域中。 0035 现有技术解决方案涉及使用能够产生高达10 33 光子/脉冲的诸如自由电子激光器 之类的亮辐射源。自由电子激光器会耗费数千万或数亿美元来构建。但是，大量能量将以 定向射束的形式而丢失，从而导致样本损坏增加。 说 明 书CN 102625921 A 4/15页 9 0036 本发明实施例的

33、优点在于，可对于具有软边缘和大相位变化的波场或者采用有限 探头所照射的扩展物体来恢复相位。 0037 本发明的实施例的优点还在于，相位可从强度的单个记录来恢复，例如衍射图案 强度的单个记录。此外，该方法允许从所记录的衍射数据的相位恢复，而无需具有大的动态 范围的检测器。 0038 相反，具有数量级为2 10 -2 14 动态范围的检测器通常是足够的。 0039 该方法的一个关键方面是采用具有已知透射或反射函数(或传递函数)的波场 变换装置(WTD)。WTD可以是已知的乘性调制函数(一般为复合调制函数)装置，或者已知 脉冲响应函数(傅立叶域中的传递函数)系统。可采用多个WTD，以便形成波场变换系

34、统。 0040 本发明的实施例适合与具有下面波长范围和类型的辐射的波场一起使用，如可见 光、红外光、紫外光、太赫兹频率的辐射、x射线辐射、电子辐射、中子辐射、以及任何其它适 当辐射。在一些实施例中还可采用声波场。 0041 支持约束S优选地按照下式来应用： 其中， n 和 n 分别是第n次迭代的进入波场的当前和更新估计， n 在第一次迭代 时设置成等于 n 。 0042 优选地，其中在假定待测量波场具有有效值的像素处S取单位值，而在其它情况 下取零值。 0043 可应用幅值约束，以便按照方程式来确定检测器平 面 D n+1 处的波场的估计，其中A n+1 和 n+1 分别表示检测器处的波场的幅

35、度和相位。 0044 优选地按照方程式来应用幅值约束，其中 D n+1 是应用幅值 约束之后在检测器处的波场，I是记录的衍射强度，以及P(I)是强度I的函数。 0045 优选地，P(I)采取形式P(I)=I ，其中是常数。 0046 该方法优选地包括将设置为大致在从大约0.5至2的范围中的值的步骤。 0047 该方法可包括下列步骤：以的第一值执行n 1 次迭代，随后以的第二值执行 n 2 次迭代。 0048 的第一值可大于第二值。 0049 的第二值可以为0.5。 0050 该方法可包括将选择为具有在从大约0.4至大约0.8的范围中的值的步骤。 0051 该方法可包括将选择为具有值0.62的步

36、骤。 0052 该方法可包括选择、和S的值，以使信号误差比SER在大约100次迭代之后 具有小于或基本上等于10 -5 的值的步骤。 0053 该方法的前面可加上提供初始平面处波场的初始估计的步骤。 0054 初始平面可设置在从下述中选择的一个位置处，与进入平面一致的位置、与检测 器平面一致的位置、以及进入平面与检测器平面之间的位置。 0055 波场变换装置可设置成呈现从下述之中选取的一个，入射波场的线性响应和非线 性响应。 0056 波场变换装置可设置成具有复合传输，该复合传输是一种既呈现损失又呈现相位 说 明 书CN 102625921 A 5/15页 10 延迟的传输。 0057 波场变

37、换装置可包括从相位板、一维光栅、二维光栅、晶体板和空间光调制器之中 选取的至少一个。 0058 波场变换装置可包括多个交叉耦合的光纤，设置成将从波场变换装置的入口平面 入射的光传送到波场变换装置的出口平面。 0059 交叉耦合表示来自一个光纤的光能够耦合到一个或多个其它光纤。 0060 该装置可设置成在装置的入口和出口平面的相应位置之间传送光，使得波场变换 函数的特征在于，由于从装置的入口和出口平面处相应光纤端部的相应位置之间的对应性 和相应光纤的长度之中选取的至少一个，而与透镜函数的有限偏离。 0061 因此，在一些实施例中，光纤全部具有大致相同的长度，但是设置成通过在波场从 入口平面传送到

38、出口平面时有效地交换WTD入口平面处的波场的像素位置来加扰相位 和幅度。可选地，光纤还可具有不同长度，由此将相移引入由给定光纤所传送的波场。 0062 进一步备选地，光纤可具有不同长度，但是入口与出口平面之间的像素的位置可 以基本上未改变。 0063 波场变换装置可设置为从入射辐射的透射与入射辐射的反射之中选取的一个。 0064 波场变换装置可包括多个像素元件。 0065 该方法可包括相对于检测器和/或进入平面来调整波场变换装置的取向的步骤。 0066 该方法还可包括提供多个波形变换装置的步骤。 0067 该方法可包括提供按照级联配置的多个波形变换装置的步骤，由此波场设置成经 由多个装置的每一

39、个而通过进入平面与检测器平面之间。 0068 波场变换函数可以是从离散的和连续的函数之中选取的一个。 0069 该方法可包括提供波形变换装置的步骤，其中波形变换装置包括从像差透镜和具 有不可忽视像差的复合透镜系统之中选取的至少一个。 0070 波形变换函数可以是从可逆运算符和非乘性运算符之中选取的一个。 0071 由检测器所记录的数据可设置成对应于从Fraunhofer衍射图案、Fresnel衍射图 案和像差图像之中选取的一个。 0072 支持约束可以是从1D区域的长度、2D面积的边界和3D体积之中选取的一个。 0073 支持约束可应用于多个空间分隔的区域。 0074 波场可包括多个空间分隔的

40、区域。 0075 波场可包括从3D波场、2D波场和1D信号之中选取的一个。 0076 波场变换装置可设置成散射从电磁辐射、可见光子、x射线光子、电子、中子和质子 之中选取的至少一个。 0077 优选地，波场包括从太赫兹频率辐射、红外辐射、可见光辐射、深紫外线辐射、软x 射线辐射和硬x射线辐射之中选取的电磁辐射。 0078 波场可设置成包括基本上相干的辐射。 0079 波场可设置成基本上由相干辐射组成。 0080 波场可以是由物体所散射的波场。 0081 该方法可包括计算物体的一个或多个平面中的波场的相位的步骤。 0082 该方法可包括计算波场路径的所需位置处的波场相位和幅度。 说 明 书CN

41、102625921 A 10 6/15页 11 0083 在本发明的第二方面，提供一种恢复波场的相位的方法，包括下列步骤：提供设 置成将波场变换函数应用于波场的波场变换装置，其中波场变换函数的特征在于是具有与 透镜函数的有限偏离的函数；经由波场变换装置将波场从进入平面传递到检测器平面；以 及通过检测器来记录检测器平面处的波场的强度，该方法还包括下列步骤：经由波场变换 装置在进入平面与检测器平面之间以虚拟方式来回传播波场，其中在进入平面应用支持约 束，以及在检测器平面应用幅值约束，幅值约束对应于检测器所记录的强度。 0084 入射到波场变换装置上的波场可以是由物体散射的波场。 0085 在进入平

42、面与检测器平面之间以虚拟方式来回传播波场的步骤之前，可加上提供 初始平面处的波场的估计 0 的步骤。 0086 在本发明的第三方面，提供用于恢复波场的相位的设备，包括：设置成将波场变换 函数应用于波场的波场变换装置，其中波场变换函数的特征在于是具有与透镜函数有限偏 离的函数；响应波场的强度的检测器；以及计算机系统，该设备设置成允许波场经由波场 变换装置从进入平面传播到检测器，进入平面是一种将波场限定到有限面积的平面，该计 算机系统设置成在进入平面与检测器之间来回传播虚拟波场，该计算机系统设置成将支持 约束应用于进入平面处的波场以及将幅值约束应用于检测器处的波场，该系统设置成当波 场在进入平面与

43、检测器之间传播时将波场变换函数应用于波场，由此恢复波场的所需位置 处的波场相位。 0087 计算机系统可设置成通过在进入平面与检测器平面之间来回重复地传播波场，来 迭代地计算波场的相位。 0088 计算机系统可设置成在波场沿第一方向经过进入平面与检测器之间时将波场变 换函数应用于波场，而在波场沿与第一方向相反的第二方向经过进入平面与检测器之间时 应用波场变换函数的逆。 0089 波场变换函数的特征可在于与透镜函数的有限偏离。 0090 在进入平面与检测器之间来回传播虚拟波场的步骤之前，优选地可加入从初始平 面传播波场的步骤。 0091 计算机系统可设置成提供初始平面处的波场的估计，并且随后从初

44、始平面并且在 进入平面与检测器之间传播波场。 0092 作为替代或补充，计算机系统可设置成提示用户输入初始平面处的波场的估计， 并且随后从初始平面以及在进入平面与检测器之间传播波场。 0093 要理解，波场的初始估计可以是波场的源与检测器之间的基本上任何位置处的波 场的初始估计。算法则开始于对应这样位置的阶段，即在其上进行波场的初始估计的位置。 0094 因此，如果初始估计是入射平面与WTD平面之间的位置处的估计，则算法可设置 成将波场传播到WTD的平面，并且然后在按照图4的流程图继续进行之前应用波场变换函 数。备选地，算法可设置成将波场传播到入射平面，并且在按照图4的流程图继续进行之前 应用

45、支持约束。 附图说明 0095 现在将参照附图来描述本发明的实施例，附图包括： 图1示出(a) 用于测量散射波场强度的组件的现有技术布置，以及(b) 确定散射波场 说 明 书CN 102625921 A 11 7/15页 12 的幅度和相位的现有技术方法； 图2示出传输几何结构中按照本发明实施例的设备组件的布置； 图3示出其中进入平面、调制器平面和检测器平面是(a) 平行的以及(b) 非平行的反 射几何结构中按照本发明一个实施例的设备组件的布置； 图4示出按照本发明一个实施例的、用于确定波场的幅度和相位的算法的步骤； 图5示出按照本发明一个实施例的设备的布置； 图6是按照本发明实施例的波场变换

46、装置的设计的示意图，示出一种装置的一部分表 面的 (a) 平面图和(b) 放大的透视图；图6(c)示出结合多个光纤的装置的透视图，而图 6(d)和图6(e)分别示出沿从入口平面到出口平面的方向所查看的入口平面和出口平面； 图7示出用于提供一个示例中使用的波场的(a) 幅度和(b) 相位的值的图像，以便证 明使用按照本发明的方法的相位恢复； 图8示出作为支持松度的三个值的迭代次数函数的信号误差比(SER)的图表； 图9示出在单叶子植物样本的重构过程期间所记录的数据，示出(a) 采用放大视图插 图的由检测器所记录的衍射图案；(b) 其中在迭代计算这个平面处的幅度和相位的过程期 间应用支持约束的平面

47、(约束应用平面)处的幅度图；以及样本平面处的(c) 幅度图和 (d) 相位图； 图10示出(a) 沿与波场传播到波场变换装置的方向平行的方向所查看的具有2D周期 相位结构的波场变换装置的平面图，以及(b) 作为按照本发明一个实施例使用这个波场变 换装置来确定波场的幅度和相位的过程期间的迭代次数函数的信号误差比SER的图表； 图11示出(a) 沿与波场传播到波场变换装置的方向平行的方向所查看的具有1D周期 相位结构的波前调制器的平面图，以及(b) 作为按照本发明一个实施例使用这个波场变换 装置来确定波场的幅度和相位的过程期间的迭代次数函数的信号误差比SER的图表；以及 图12示出(a)用作波场变

48、换装置的成像系统幅度传递函数的相位图；(b) 作为按照本 发明一个实施例使用这个波场变换装置来确定幅度和相位的过程期间的迭代次数函数的 SER的图表；(c) 物体平面处的波场幅度的重构图；以及(d) 物体平面处的波场相位的重 构图。 0096 图13示出用于证明本发明实施例的操作的1D测试信号的(a) 幅度和(b) 相位。 0097 图14示出按照本发明一个实施例的、在用于确定波场幅度和相位的算法的单次 迭代之后图13的信号的(a) 幅度和(b) 相位。 0098 图15示出按照本发明一个实施例的、在用于确定波场幅度和相位的算法的多次 迭代之后图13的信号的(a) 幅度和(b) 相位。 具体实

49、施方式 0099 在本发明的一个实施例中，提供具有如图2(a)所示所设置的组件的设备100。设 备100具有设置成采用辐射来照射物体120的照射源110。由物体120所散射的辐射设置 成入射到波场变换装置(WTD)130，并且透过该波场变换装置，WTD 130又可称作波前调制 装置。在图2(a)的实例的情况下，WTD 130采取相位板的形式。 0100 由WTD 130所散射的辐射设置成入射到检测器140上。辐射在本文中将描述为一 种波场，其特征在于在空间中任何给定位置处的幅度值和相位值。 说 明 书CN 102625921 A 12 8/15页 13 0101 图2(a)和(b)的配置可称作透射操作模式，因为辐射透过