高精度多重散射波动传播求解器及电磁场重构方法与流程

本公开涉及高精度多重散射波动传播求解器及利用其的电磁场重构方法。

背景技术：

1、在现代科学、工学的整个领域中，执行精确分析光、电子束、x射线、超声波等多种波动通过介质时发生的散射(scattering)现象，并基于此进行逆向(inverse)或正向(forward)分析的技术至关重要。例如，在光学领域中，光穿透折射率不均匀的物质时发生多次散射(multiple scattering)并以复杂的方式传播。为了有效地进行计算而开发的代表性工法包括时域有限差分法(finite-difference time-domain；fdtd)、光束传播方法(beam propagation method；bpm)玻恩(born)近似、雷托夫(rytov)近似、多层成像(multi-slice；ms)模型等。

2、但是，现有工法各有优点和局限性。时域有限差分法直接求解电磁麦克斯韦(maxwell)方程，因而准确度较高，但在进行大规模三维分析时，计算量和存储器需求量急剧增加，从而不适合实时或大型模拟。传统的玻恩近似及雷托夫近似基于单次散射(singlescattering)，因此，当样本的折射率对比度(contrast)较大时或在较厚样本中，准确度将会降低。光束传播方法可以通过多层成像一定程度模拟多重散射，但主要基于准近轴(paraxial)近似，因而在高角度散射(high-angle scattering)或反向散射(back-scattering)处理方面存在限制。多层成像模型继承了玻恩级数(born series)的一部分思想，通过逐步传播(propagation)多个切片来考虑多重散射，但依然难以充分反映高角度散射，也无法适当处理反向散射。

3、在这种背景下，需要用于更加准确且迅速地计算穿透复杂且较厚介质的波动传播的新型解决方案。尤其，最近，需要在生物成像(例如、细胞、组织影像)、半导体工序计测、奈米光学器件设计、超声波计算机断层扫描(ct，computed tomography)、基于电子显微镜的物质分析等中精确分析多重散射效果的必要性不断增加。例如，在三维光学断层扫描(optical tomography)领域中，简单的线性近似很难适用于除较薄样本之外的其他物体，因此，更准确的正向分析(forward modeling)和基于此的逆向问题求解器(inverseproblem solver)是核心问题。

技术实现思路

1、本公开为了遵从这种要求，提出了“高精度多重散射波动传播求解器”，将多重散射反映到高角度区域，且具有相对较轻的计算结构。尤其，高精度多重散射波动传播求解器被设计成可通过时域有限差分法水平的全面分析(full-wave)建模和基于多层成像的方法之间取得平衡的方法扩展到大型三维分析，且可以适用于除光之外的音波、x射线、电子束等多种波动物理系统。由此，高精度多重散射波动传播求解器可以广泛应用于生物组织的三维影像、纳米结构物的散射特性分析、半导体电路内部缺陷分析、超声波影像及光学超材料设计等领域。

2、本公开提供高精度多重散射波动传播求解器及利用其的电磁场重构方法。

3、根据本公开，计算装置的工作方法可包括如下步骤：分别检测沿着轴方向分割样本来获取的多个切片的散射；以及基于所述多个切片的所述散射计算所述样本的多重散射。

4、根据本公开，所述计算装置的所述工作方法还可包括如下步骤，通过将针对所述样本测定的散射与所述多重散射的差异最小化的逆算法更新所述样本的至少一个参数。

5、根据本公开，计算装置可包括存储器及处理器，所述处理器与所述存储器相连接，用于执行存储在所述存储器的至少一个指令，所述处理器分别检测沿着轴方向分割样本来获取的多个切片的散射，基于所述多个切片的所述散射计算所述样本的多重散射。

6、根据本公开，所述处理器可通过将针对所述样本测定的散射与所述多重散射的差异最小化的逆算法更新所述样本的至少一个参数。

7、根据本公开，本公开涉及存储有用于在计算装置中执行多重散射分析方法的计算机程序的非暂时性计算机可读记录介质，所述多重散射分析方法可包括如下步骤：分别检测沿着轴方向分割样本来获取的多个切片的散射；以及基于所述多个切片的所述散射计算所述样本的多重散射。

8、根据本公开，所述多重散射分析方法还可包括如下步骤，通过将针对所述样本测定的散射与所述多重散射的差异最小化的逆算法更新所述样本的至少一个参数。

9、根据本公开，本公开可以具有如下效果。

10、第一个效果为准确度提升。与现有线性近似(例如，玻恩近似、雷托夫近似等)或基于光束传播方法的模型相比，本公开的技术可以模拟出包括高角度及后方在内的更广范围的角度散射，因此，可以对折射率差较大的样本或较厚结构实现较高准确度。模拟实验结果标明，可以准确复原微结构或者使散射场更加物理或定量匹配。

11、第二个效果为计算效率及扩展性。与全三维时域有限差分法相比，计算量可以节约数十～数百倍以上。本公开的技术可以通过切片分割和基于快速傅里叶变换的并行来有效地利用大规模模拟所需的图形处理单元(gpu)资源。即使模拟量增加，计算时间的增幅也相对缓慢，因此，本公开的技术还可以适用于工业现场或大型研究项目(例如，组织断层扫描、超声波ct、半导体工序等)。

12、第三个效果为通过结合逆问题求解器来实现多领域使用性。本公开的技术并不局限于简单的正向分析，还可以通过与逆问题(最优化)求解器结合来三维复原样本的物理、化学、结构特性。本公开可以广泛适用于光学三维影像(例如，细胞、组织全息断层扫描)、超声波断层扫描、x射线衍射显微镜、电子束断层扫描等光谱波动影像系统。

13、第四个效果为实现开放且扩展的结构。本公开的技术采用模块化结构来反映偏光、复折射率(包括吸收)、非线性光学介质等追加物理效果，从而便于多个研究人员、工程师进行高水平定制。本公开可以定量评估模拟及复原结果的物理可靠性(例如，能量守恒(energy conservation)、错误分析等)，从而可以提高系统校准(calibration)及质量管理中的可用性。

14、第五个效果为产业价值及学术价值。通过本公开的技术，通过较高的分辨率观察较厚的生物组织的内部结构，或者在半导体纳米图案缺陷检查等方面可以期待直接的经济及学术成果。本公开的技术有望为新型光学器件(例如，超透镜、相控阵器件等)或超声波、纳米光子学设计过程中的快速成型设计和最优化做出贡献。

1.一种计算装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所示的计算装置的工作方法，其特征在于，分别计算所述多个切片的所述散射的步骤包括如下步骤，利用玻恩近似、雷托夫近似、泰勒展开或光瞳相位序列中的至少一个来分别模拟所述多个切片的所述散射。

3.根据权利要求1所示的计算装置的工作方法，其特征在于，计算所述样本的所述多重散射的步骤包括如下步骤：

4.根据权利要求1所示的计算装置的工作方法，其特征在于，还包括如下步骤，通过将针对所述样本测定的散射与所述多重散射的差异最小化的逆算法更新所述样本的至少一个参数。

5.一种计算装置，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的计算装置，其特征在于，所述处理器利用玻恩近似、雷托夫近似、泰勒展开或光瞳相位序列中的至少一个来分别模拟所述多个切片的所述散射。

7.根据权利要求5所述的计算装置，其特征在于，所述处理器执行如下工作：

8.根据权利要求5所述的计算装置，其特征在于，所述处理器还执行如下工作，通过将针对所述样本测定的散射与所述多重散射的差异最小化的逆算法更新所述样本的至少一个参数。

9.一种记录介质，其为存储有用于在计算装置中执行多重散射分析方法的计算机程序的非暂时性计算机可读记录介质，其特征在于，所述多重散射分析方法包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的记录介质，其特征在于，所述多重散射分析方法还包括如下步骤，通过将针对所述样本测定的散射与所述多重散射的差异最小化的逆算法更新所述样本的至少一个参数。