Advanced Photonics | 复杂随机照明下的大视场实时衍射成像

在定量相位成像领域，部分相干照明是一个非常特别且有趣的课题。与完全相干光不同，部分相干光源由更复杂的四阶关联函数表示，当其应用在恢复成像方面时，会使得计算处理过程更复杂，此时便须斟酌原有的处理程序是否有效。

作为定量相位成像中的一种典型测量方法，相干衍射成像无论是在分辨率还是三维材料以及生物样品测量方面都有了突破性进展，然而当照明光源为部分相干光时，例如自由电子激光器、第三代同步加速器或者激光经过随机介质时，相位恢复过程很有可能会遇到相位畸变的问题。

针对这一问题的主流解决方案是在迭代算法的基础上，对照明光源的交叉谱密度函数进行模式展开（Phys. Rev. Lett. 103, 243902, 2009; Nature, 494, 68, 2013），虽然这是十分有效的解决方案，但仍有一定的局限性，例如计算时所取的模式数有限，无法处理未知照明光源。

苏州大学赵承良教授、蔡阳健教授课题组与荷兰代尔夫特理工大学H. Paul Urbach教授（欧洲光学学会主席）课题组合作，近期在Advanced Photonics上发表了题为Non-iterative spatially partially coherent diffractive imaging using pinhole array mask 的文章，介绍了一种非迭代的相位重建算法，此算法不仅不依赖于模式展开的方法，且在最快的情况下，拍摄两张光强图即可实时重建出待测样品的信息，随着照明光源相干度的逐渐降低，信息并不会发生紊乱（图1）。

图1

这个方法可以任意且方便地控制视场的覆盖范围，通过视场拼接，还可解决随着空间相干度降低，视场缩小的问题，以至于在低空间相干度的情况下，获得与高相干情况相媲美的恢复结果（图2）。

图2

该研究团队还尝试了复杂甚至未知的光源照明待测物体，最终仍能得到正确的恢复结果（如图3）。总之，从实验结果来看，空间相干度的降低以及照明光源关联结构的复杂与否并不影响获得信息的正确性和完整性。

图3

复杂关联下相位成像结果表明，该方法对光场调控领域光源关联结构的测定也有着重要的帮助，尤其是相位结构的快速测定。从理论上来讲，该方法不依赖于波长的选取，因此未来该方法有望拓展到无透镜相干衍射成像和相位显微成像领域。

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