专利名称：重叠关联成像术中探测的校准的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提供图像数据的方法和设备，该图像数据是这种类型的图像数据，它可以用于构造目标对象的区域的图像。尤其是，但不是排他地，本发明涉及使用利用了未知的探测函数的迭代过程来提供这种图像数据的方法。
背景技术：
用于得出目标对象(有时称作为试样)的空间信息的许多类型的成像技术是已知的。然而，通过例如明视场显微术的常规手段对目标试样进行直接成像往往是不可能的。例如，在传统的透射成像中，通过平面波照明来照射对象。被对象散射的波通过透镜再次干涉以形成图像。在很短的波长成像(X-射线或电子)的情况下，该技术具有与透镜引入的像差和不稳定性相关的许多已知的困难，其限制了作为结果的图像的分辨率和解释性。一般可获得的分辨率比理论极限大许多倍。已知的还有其他类型的成像技术，但这些成像技术中许多都有这样的问题，例如分辨率限制、长的数据采集时间或者对复杂和昂贵仪器的需要。在许多情况下，通过测量试样散射入射辐射的路线，可得出试样的一些性能。散射的辐射在距试样某一距离处的分布称为衍射图案，如果辐射是充分相干的，从其衍射图案的测量形成试样的图像是可能的。用于形成这种图像的一种技术被命名为重叠关联成像术(ptychography)。在这里，通过被称为“探测”的充分相干的波前来照亮目标试样，其强度集中在与试样相互作用的局限化的横向区域内。然后，由一个或多个检测器记录一组衍射图案，其中每个图案对应于试样和探测的不同的相对横向位置。选择这些位置，使得试样的感兴趣区域被探测的多个重叠位置所覆盖。在W02005/1065312005/106531中已经公开了用于高分辨率成像的这种技术的例子，就所有目的而言，通过引用将其结合在此。在W02005/1065312005/106531中公开的技术现在被本领域技术人员称为重叠关联迭代引擎(ptychographical iterative engine或PIE)。这涉及在目标对象处提供来自福射源的入射辐射；通过至少一个检测器检测由目标对象散射的辐射的强度，并提供响应于所检测的强度的图像数据，而无需入射辐射的高分辨率定位或相对于所述目标对象的后目标对象孔径；以及使用所检测的强度来产生图像数据，该图像数据用于构造目标对象的区域的图像。利用使用可移动的轻柔变化的探测函数(例如透射函数或照射函数)的迭代过程，可产生图像数据。PIE提供了一种强大的技术，用于从一组衍射图案的测量恢复涉及对象的区域的图像数据。通过用相干辐射的已知波前照射对象来形成每个衍射图案，相干辐射的已知波前具有这样的必要条件，即该波前的强度集中在与该对象相互作用的局限化的横向区域内。这样的波前的例子将会是在被平面波照射时生成超出孔径的短距离，或者是用平面波照射时由凸透镜生成的焦斑。该技术还适用的情景是，目标由平面波辐射照射以及后目标对象孔径被用于选择对象的区域散射的照射。在这个意义上，衍射图案是由超出对象某一距离的光学配置并在垂直于照射波前的传播方向的平面上产生的强度分布。这个平面被指定为测量平面，在该平面进行的测量表示为‘《HU| ,其中U是合适的坐标向量。要注意的是，当测量平面与样本平面之间的距离小时，衍射图案被称为近场衍射图案。当该距离大时，衍射图案被称为远场衍射图案。重叠关联成像术(ptychography)利用在测量平面上使用诸如(XD摄像机或诸如此类的适当记录装置记录的若干衍射图案。对象的横向位置和局限化的照明波前对每个图案是不同的。PIE的限制是这样的必要条件，即为了提供有用的图像数据，探测函数的特征(例如，与后目标对象孔径关联的透射函数或与入射辐射关联的照明函数)必须是已知的或估计的。这需要耗时的创立技术，并且如果所使用的探测函数不准确的话，可导致不准确性。PIE的这种限制可以通过在W02010/064051中公开的技术来解决，就所有目的而言，通过引用将其结合在此。在W02010/064051中描述的技术被称为扩展的重叠关联迭代引擎(extended Ptychographical Iterative Engine)或 ePIE。这种技术以探测波前的粗略初始估计和目标试样的粗略初始估计开始。ePIE的每一次迭代产生探测的和试样的更新的估计。初始估计不需要是精确的；对该算法来说，产生只给出探测形状的粗略初始猜测的图像是可能的。然而，可能的是该算法未能产生精确的图像。在某些情况下，ePIE的每次迭代将会产生比先前的迭代产生的那些更不准确的试样的和探测的估计，并且该算法据说会发散。本发明的目的是至少部分地减轻上述问题。重叠关联成像术适用于在反射模式(其中照明光束从目标试样被反射)或者透射模式(其中照明光束透射通过目标试样)中执行的成像。在此，当使用透射/透射的/透射过时，应当理解可同样使用反射/反射的/使反射。

发明内容
根据本发明，提供一种提供图像数据的方法，该图像数据用于构造目标对象的区域的图像，包括:提供参考目标对象的参考衍射图案；基于所述参考衍射图案确定探测函数的初始猜测；以及通过基于探测函数的初始猜测和目标函数的初始猜测的迭代过程，确定响应于由至少一个检测器检测到的辐射的强度的目标对象的图像数据。参考衍射图案可以基于由至少一个检测器检测到的辐射的强度。可以从参考目标对象反射由至少一个检测器检测到的辐射，或者由至少一个检测器检测到的辐射可以透射通过参考目标对象。探测函数的初始猜测可用于确定一个或多个目标对象的图像数据。参考目标对象可以是确定图像数据的第一目标对象。参考目标对象可以是只用于校准目的的目标对象。确定探测函数的初始猜测可包括:基于参考衍射图案，估计入射在参考目标对象的探测区域上的辐射的功率，以及选择探测函数的初始猜测，使得探测函数的初始猜测具有的平均强度等于估计的平均强度。估计平均强度可以包括:对参考衍射图案执行快速傅立叶变换，以产生复数的矩阵，以及对复数的绝对值求和以产生实数，其中选择探测函数的初始猜测包括:取所述实数的平方根，以产生实值的数N，选择探测函数的初始猜测P，使P = MN / K，其中M是代表探测区域的矩阵，K是归一化因子。
K可以是矩阵M中的值的总和。可提供探测区域的估计，其中在估计的探测区域之外矩阵M中的值为零，并且在估计的探测区域之内矩阵M中的值为1，以及K等于矩阵M中的I值的数目。本发明的一个方面提供了一种机器可读的数据存储介质，包括计算机可执行指令，当由计算机执行时，其执行上述的方法。通过提供探测函数的迭代细化期间发散可能性的降低或消除，本发明的实施例可用于改进ePIE方法和系统的性能。


下面仅通过示例，参照附图来描述本发明的实施例，其中:
图1示出了在目标对象上的入射；
图2示出了带有目标对象的衍射图案的形成和探测函数；
图3示出了相位恢复算法；以及 图4示出了没有目标对象的衍射图案的形成和探测函数；
图5示出了带有校准对象的衍射图案的形成和探测函数；
图6示出了用于提供可用来构建目标对象的区域的高分辨率图像的图像数据的设备。
具体实施例方式在附图中相同的附图标记指相同的部件。图1示出了如何显影散射图案以及如何使用散射图案来确定对应于目标对象结构的信息的图像数据。将会理解，术语目标对象是指放置在入射辐射路径中、弓丨起该辐射散射的任何试样或物品。将会理解，目标对象对入射辐射应该是至少部分透明的。目标对象可能会或可能不会具有一些重复的结构。作为选择，目标对象可以是全部或部分反射的，在这种情况下，基于反射的辐射来测量散射图案。使入射辐射10落在目标对象11上。将会理解，术语辐射应被广义地解释为来自辐射源的能量。这将包括:包含X射线的电磁辐射，诸如电子和/或声波的发射的粒子。这样的辐射可以用波函数表示。如本领域技术人员所理解的，这种波函数包括实部和虚部。这可以用波函数的模数和相位表示。Wrr是ψ(/}的复共轭，并且TW Ψ(".= !V(r),其中是强度，它对于波函数是可测量的。入射辐射10在通过并超出试样11时被散射。于是，在从试样出射时入射辐射的波函数将相对于试样的目标前侧的入射辐射的波函数，在幅度和相位上都会有改变。发生的散射可包括:傅立叶衍射，折射和/或菲涅耳衍射，以及其中作为试样之后传播的结果改变入射辐射的特性的任何其他形式的散射。如果诸如CCD检测器12这样的检测器的阵列被布置成距试样有一个长的距离，则在衍射平面13形成衍射图案。如果检测器12定位成距试样有距离D，其中D对于待形成的衍射图案来说有效地距点源足够长，将形成傅立叶衍射图案。如果形成的衍射平面更接近试样，通过将检测器定位成更靠近，则形成菲涅耳衍射图案。入射辐射10落在目标对象11的第一表面上。入射辐射在试样中被散射，并且透射的辐射传播直到形成衍射图案的衍射平面13。图2更详细地示出了图1的过程。辐射10例如由弱透镜粗略地聚焦，使得目标对象的第一表面的区域被照射。当然，弱透镜可包括任何适当的聚焦设备，例如用于电子束或X射线的反射表面的一组板和电压源。弱聚焦足以基本上限制了探测辐射束。因此，没有必要对辐射进行锐聚焦，当然，尽管可以使用强聚焦的辐射。在此，目标对象提供目标函数0(r)，它表示由于穿过感兴趣对象的结果而引入入射波的相位和幅度的变化。入射在目标对象上的照射辐射表示探测函数P (r)，其P (r)，其形成如由透镜或其他光学部件形成的焦散或照明分布所生成的照射函数。P(r)是在对象平面处计算的这种波场的复平稳值。当从目标对象的下游表面出射时，出射波函数定义散射的辐射。由于这种出射波传播通过空间，它会在衍射平面13形成衍射图案YM ο将会理解，未聚焦的辐射可以与后目标孔径一起使用，而不是对象上的弱(或确实强)聚焦照射。孔径位于目标对象之后以便因此选择目标的区域以供调查。该孔径形成在掩模中，以使该孔径限定“支承”。支承是函数不为零的该函数的区域。换句话说，在该支承之外，函数为零。在该支承之外，掩模阻挡辐射的透射。术语孔径描述了辐射的局限化的透射函数。这可以用具有在O和I之间的模数值的二维复变量来表示。一种例子是具有变化透射率的物理孔径区的掩模。入射辐射因此落在试样的上游侧，并且在透过试样时被试样散射。作为与对象相互作用后的辐射的出射波函数因此形成由此形成试样波0(r)。这样，0(r)表示二维复函数，使得0(r)中的每个点与复数相关联，0(r)中的每个点与其相关一个复数，其中r是二维坐标。0(r)在物理上表示从平面波照射的对象发出的出射波。例如，在电子散射的情况下，0(r)代表作为穿过感兴趣对象的结果的、引入入射波的相位和幅度的改变。该孔径提供探测函数P(r)(或透射函数)，其选择对象出射波函数的一部分以供分析。将会理解，透射光栅或其他这样的滤波函数可位于目标函数的下游，而不是选择孔径。探测函数P (r-R)是孔径透射函数，其中孔径在位置R处。探测函数可表示为具有复值的复函数，其复值由模数和相位给出，该模数和相位表示由探测引入到入射在其上的完全平面波的模数和相位的改变。 出射波函数w(r,R: 是辐射离开孔径时辐射的出射波函数。这种出射波V(r.R)在衍射平面形成衍射图案。在此，r是实空间中的向量坐标，u是衍射空间中的向量坐标。将会理解，利用关于图1和2描述的孔径形成的实施例和非孔径实施例，如果检测到散射辐射的衍射平面移近试样，则会检测到菲涅耳衍射图案而非傅立叶衍射图案。在这样的情况下，从出射波至衍射图案T(W)的传播函数将会是菲涅耳变换，而非傅立叶变换。图3示出了按照本发明实施例的迭代过程，其可用于恢复这种类型的图像数据，即它可被用来从一组衍射图案构造对象的区域的图像。图示的迭代过程30开始于对象猜测31和所使用的探测函数形式的猜测32。随后，这些初始猜测被迭代过程中运行猜测所取代。图像函数的初始猜测可以是随机分布，或者可以是基于其他测量或先前的计算而预先计算的近似值。下面，更详细地描述探测函数的初始猜测。在许多采样点模拟猜测，并因此用矩阵表示猜测。这样的矩阵可以由计算机或其他这样的处理单元存储和操纵。适当地，采样点等距隔开，并形成矩形阵列。k次迭代后的探测函数估计表示为Pk(r)，以及Ok(r)表示k次迭代后恢复的图像表示为Ok (r)。因此，探测函数和目标函数的原始猜测分别是P。(r)和OtlOO，其中r是适当的坐标向量。如果与探测函数和对象的相对位置有关的当前平移向量表示为RK，则猜测的对象分布和探测函数之间的相互作用用下式模拟:
权利要求
1.一种提供图像数据的方法，所述图像数据用于构造目标对象的区域的图像，所述方法包括: 提供参考目标对象的参考衍射图案； 基于参考衍射图案确定探测函数的初始猜测；以及 通过基于探测函数的初始猜测和目标函数的初始猜测的迭代过程，确定响应于至少一个检测器检测到的辐射强度的目标对象的图像数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考衍射图案基于由至少一个检测器检测到的辐射的强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中由至少一个检测器检测到的辐射反射自参考目标对象。
4.根据权利要求1所述的方法，其中由至少一个检测器检测到的辐射透射通过所述参考目标对象。
5.根据前述的任何一项权利要求所述的方法，其中探测函数的初始猜测用于确定一个或多个目标对象的图像数据。
6.根据前述的任何一项权利要求所述的方法，其中所述参考目标对象是确定图像数据的第一目标对象。
7.根据前述的任何一项权利要求所述的方法，其中所述参考目标对象是只用于校准目的的目标对象。
8.根据前述的任何一项权利要求所述的方法，其中确定探测函数的初始猜测包括: 基于参考衍射图案，估计入射在参考目标对象的探测区域上的辐射的功率，以及 选择探测函数的初始猜测，使得探测函数的初始猜测具有的平均强度等于估计的平均强度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中估计平均强度包括: 对参考衍射图案执行快速傅立叶变换，以产生复数的矩阵，以及 对复数的绝对值求和，以产生实数,并且其中 选择探测函数的初始猜测包括: 取所述实数的平方根，以产生实值的数N， 选择探测函数的初始猜测P，使P = MN/ K，其中M是代表探测区域的矩阵，以及K是归一化因子。
10.根据权利要求9所述的方法，其中K是矩阵M中的值的总和。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括提供探测区域的估计，其中 矩阵M中的值在估计的探测区域以外是零，以及在估计的探测区域内是1，以及 K等于矩阵M中I值的数目。
12.一种机器可读数据存储介质，包括计算机可执行指令，当由计算机执行时，所述计算机可执行指令执行按照前述的任何一项权利要求所述的方法。
全文摘要
一种提供图像数据的方法，所述图像数据用于构造目标对象的区域的图像，该方法包括提供参考目标对象的参考衍射图案；基于参考衍射图案确定探测函数的初始猜测；以及通过基于探测函数的初始猜测和目标函数的初始猜测的迭代过程，确定响应于至少一个检测器检测到的辐射强度的目标对象的图像数据。
文档编号G01T1/29GK103201648SQ201180032119
公开日2013年7月10日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年6月28日
发明者安德鲁·迈登 申请人:相位聚焦有限公司