(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210752162.5 (22)申请日 2022.06.29 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 谷洪刚　李文杰　刘世元　刘力　 (74)专利代理 机构 武汉华之喻知识产权代理有 限公司 42 267 专利代理师 曹葆青　方放 (51)Int.Cl. G01N 21/47(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于角度自校准的反射式叠层衍射成像方 法、 装置和系统 (57)摘要 本发明公开了基于角度自校准的反射式叠 层衍射成像方法、 装置和系统， 属于叠层衍射成 像领域。 本发 明基于光场旋转的方式建立反射式 光场传播模 型， 利用反射式叠层衍射算法获取低 分辨率样品和探针的重构图像， 旋转样品找到清 晰度最高的角度实现待测样品角度的快速定位， 最后设置样品和探测器的角度区间， 向衍射光强 分布误差最小的方向收敛， 完成角度误差自校 准， 实现样品和探针高分辨率重构， 具有校准灵 敏度高、 运算速度快、 无需额外信息等优点， 与其 他校准方法互相自适应， 可应用于生物样品成 像、 半导体缺陷检测、 微纳结构表征等领域。 权利要求书3页 说明书10页 附图7页 CN 115144373 A 2022.10.04 CN 115144373 A 1.一种基于角度自校准的反射式叠层衍射成像方法， 其特征在于， 该方法应用于反射 式叠层衍 射成像系统， 该 方法包括： S1.获取待测样品的扫描位置信息、 衍射光场强度信息、 待测样品与光轴之间的当前待 校准角度 θ、 探测器与光轴之间的当前待 校准角度α， 将[θ, α ]输入至 反射式叠层衍射 成像算 法， 得到未 经校准的重构样品和探针； S2.等间距采样初始校准范围[θ ‑Δθ1, θ+Δθ1]， Δθ1表示初始校准偏移量， 得到多个采 样角度{θm}， 将θ和 θm输入至旋转传播模型， 以模拟未经校准的重构样品旋转至各采样角度 平面， 对旋转后的重构样品进 行相位补偿， 计算补偿后重构样品的清晰度， 将当前待校准角 度 θ 更新为清晰度最大对应的采样角度； S3.等间距采样精准校准范围[θ ‑Δθ2, θ+Δθ2]和探测器角度区间[α ‑Δα, α +Δα ]， Δθ2 表示精准校正偏移量， 得到多组采样角度组合{[θi， αj]}， 将每组[θi， αj]输入至反射式叠层 衍射成像算法， 计算各组模拟衍射光强与实际衍射光强之间的误差， 获取误差最小对应的 采样角度组合； S4.将当前待校准角度θ和当前待校准角度α更新为最小误差时的采样角度组合， 并对 应更新重构样品和探针， 判断最小误差是否小于设定阈值， 若 是， 输出对应的重构样品和探 针， 否则， 调整精准校准范围和探测器角度区间， 进入步骤S3 。 2.如权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述反射式叠层衍 射成像算法具体如下： (1)点乘探针和第c个扫描位置的重构样品， 得到点乘结果， 以模拟重构样品对探针的 作用； (2)采用旋转传播模型， 将点乘结果从θ ′旋转至0°， 得到与光轴垂直平面的反射光光场 函数， 其中， θ ′为算法中输入的待测样品与光轴的夹角； (3)采用光传播模型模拟反射光传播至探测器表面， 得到探测器靶面的模拟的衍射光 场分布； (4)将[0°, α′]输入至旋转传播模型， 以模拟旋转衍射光场； 再将探测靶面模拟的衍射 光场分布的幅值替换为实际测量的衍射光强分布， 其相位信息不变； 幅值替换后， 将[α ′, 0°]输入至旋转传播模型， 以模拟上述衍射光场旋转的逆过程， 其中， α ′为算法中输入的探 测器与光轴的夹角； (5)采用光传播模型模拟更新后的衍射光场逆传播至待测样品位置， 得到更新后的反 射光； (6)计算更新前后反射光光场的差值， 采用旋转传播模型， 将反射光光场差值从0 °旋转 至θ′， 得到旋转后的反射 光光场差值； (7)基于旋转后的反射 光光场差值， 更新样品和探针重构图像； (8)重复(1) ‑(7)， 直至 完成所有扫描位置的更新； (9)计算所有扫描位置的模拟的衍射光场分布与测量到的衍射光场强度的均方根误 差， 当均方根 误差小于预设阈值时， 输出迭代后的重构样品和探针， 否则， 转入步骤(1)。 3.如权利要 求1或2所述的方法， 其特征在于， 所述旋转传播模型表述为Tβ, β′， β 表示光场 平面旋转前与光轴的夹角， β ′表示光场平面旋转后与光轴的夹角， 具体如下： 1)根据参考平面均匀采样坐标计算参考平面频域坐标(u0,v0)， 计算参考平面沿光轴方权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115144373 A 2向的频域坐标 其中， λ为波长， 所述参考平面是与光轴垂直的平 面； 2)旋转矩阵Ry( β )与(u0,v0,w0)T相乘， 得到源平面频域坐标， 旋转矩阵Ry( β′)与(u0,v0, w0)T相乘， 得到观测平面频域 坐标， 其中， Ry( β )表示绕Y轴旋转β 的旋转矩阵； 3)获取源平面 光场， 根据非均匀二维傅里叶变换， 计算 参考平面频域分布； 4)根据非均匀二维傅里叶逆变换， 将参 考平面的频域分布转 化为观测面的光场分布。 4.如权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 步骤3)中参 考面频域分布的计算公式如下： Gd(u0,v0)＝ ∫ ∫U1(x1,y1)exp[‑2 π i(x1u1+y1v1)]dx1dy1 其中， U1(x1， y1)表示源平面光场， (x1， y1)表示源平面均匀采样点坐标， (u1， v1)表示源平 面频域坐标。 5.如权利要求3所述的方法， 其特征在于， 步骤4)中观测面的光场分布的计算公式如 下： U2(x2,y2)＝ ∫ ∫Gd(u0,v0)exp[2 π i(x2u2+y2v2)]du2dv2 其中， Gd(u0， v0)表示参考面频域分布， (x2， y2)表示观测 面均匀采样点坐标， (u2， v2)表 示观测面频域 坐标。 6.如权利要求1至 5任一项所述的方法， 其特 征在于， 步骤S2包括： S21.等间距采样初始校准范围[ θ ‑Δθ1, θ +Δθ1]， 得到M个采样角度 θm； S22.利用旋转传播模型， 将重构样品O(r)旋转至对应角度平面， 得到旋转后的重构样 品Om(r)： S23.通过将标准样品进行相同的旋转过程后的图像作为参考， 以补偿倾斜相位， 得到 补偿后重构样品O ′m(r)， 所述标准样品O0(r)的幅值 为1， 相位 为0； S24.计算各个采样角度补偿后的重构样品的清晰度； S25.将当前待校准角度 θ 更新 为清晰度最大时的采样角度。 7.如权利要求1至3任一项所述的方法， 其特征在于， 步骤S4中， 若最小误差不低于设定 阈值时， 继续判断两个角度是否均未发生改变， 若 是， 则下一轮迭代次数增加， 否则， 下一轮 的迭代次数减少； 每 轮迭代后都减小下一轮样品精准校准范围和探测器角度区间。 8.如权利要求7 所述的方法， 其特 征在于， Δθ2＝0.95×Δθ2， Δα ＝0.95 ×Δα 。 9.一种基于角度自校准的反射式叠层衍射成像装置， 其特征在于， 包括： 处理器和存储 器； 所述存储器用于存 储计算机程序或指令； 所述处理器用于执行存储器 中的所述计算机程序或指令， 使得权利要求1至8中任一项 所述的方法被执 行。 10.一种基于角度自校准的反射式叠层衍 射成像系统， 其特 征在于， 包括： 沿光轴方向依次设立 光源、 平面反射镜、 扩束器、 光阑、 散射片、 球面反射镜和探测器；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115144373 A 3