CN104501781A - 基于已知先验信息约束的叠层成像技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种已知待测样品周围一部分先验信息情况下的叠层成像技术。它将待测样品周围放置已知信息的样本，在测量平面内以叠层扫描的方式依次进行扫描，并用图像传感器记录下相应的系列强度图像；通过对所记录的系列强度图像进行处理，并使用基于已知周围先验信息的叠层扫描迭代算法，可以在计算机中获得待测样品的复振幅图像。通过周围已知的先验信息的约束，本发明恢复的图像更为精确，收敛速度更快，同时具有较好的抗平移抗噪声能力，有效地解决了传统叠层成像中对平移台规格要求过高的问题，极大地降低了成本。本发明成像效率高，移植性好，可适用于各种反射型或透射型物体的成像。

Description

基于已知先验信息约束的叠层成像技术

技术领域

本发明涉及成像技术，具体涉及一种将待测样品周围放置一些已知先验信息的物体，并将已知物和样品一起扫描的叠层成像。

背景技术

由Ptychography原理的基本实现方式及希腊词根“Ptych”的含义，本发明将Ptychography暂译为叠层成像技术。叠层成像技术是一种无透镜的扫描相干衍射成像***，为了获取待测样品的复振幅信息，移动一个全透的小圆孔(或样品本身)使入射平面波照射到样品的不同部位，并利用由此得到的一系列衍射强度图样通过计算机叠层迭代算法重建出样品的振幅与位相信息。参见(Ultramicroscopy 10(3)：187～198，1987)。叠层迭代算法本质上属于一种相位恢复算法，但是它又与传统的相位恢复算法不同，在对每个位置的衍射分布进行相位恢复时都进行了约束，解决了重建图像的二义性问题。同时，叠层成像术的基本实现是照明探针即小圆孔与样品的相对移动，属于无透镜成像，因而***的复杂度显著降低。

然而，用现有的叠层成像技术进行成像时主要受限于三个因素：(1)扫描孔径无法达到精确的对准，不可避免地会有一定的平移误差，从而影响实验结果；(2)外界光线等噪声以及***自带噪声也会使恢复出的实验结果不理想；(3)当扫描孔径存在平移误差的情况下，收敛速度有一定的提高空间。参见(Acta Crystallogr：A 25，495，1969)。目前叠层成像主要采用高规格的电动平移台来降低平移误差，但是该方案使得实验成本大幅增加，同时仍然存在一定的***噪声，影响成像的质量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，解决现有叠层成像技术中平移误差以及***噪声影响实验结果的问题，同时使收敛速度进一步增快。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：

首先用激光器照射待测样品，并将其在物平面内按叠层扫描的方式进行平移，用图像传感器依次记录下各扫描位置所对应的振幅强度图像；随后在计算机上对记录的振幅强度图像进行基于已知先验信息的叠层迭代算法处理，重现出待测样品各层的复振幅图像。

所述叠层扫描是这样一种扫描方式，待测样品在物平面内依次平移一定的距离，平移时需保证相邻平移位置间待测样品上被光束照明的区域内存在一定的交叠。

本发明所用成像算法为基于已知先验信息的叠层扫描迭代重建算法，它的具体实现过程为：

算法：

(1)在计算机上对样品做初始猜测为O_in(x，y)。(初始时i＝1为迭代次数，n＝1为第一个probe)。

(2)物体由照明探针P_n(x，y)照明后传输到CCD面上：

Ψ_in(ξ，η)＝FrT_λ，d[P_n(x，y)·O_in(x，y)]  (1)(3)将由CCD的拍摄到的光强分布作为约束条件带入到迭代恢复过程中：

${{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{in}}}^{\′}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\sqrt{I}\·\left(\right|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{in}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})|/|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{in}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\left|\right)---\left(2\right)$

(4)将2式逆衍射回物面

$O_{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Fr}{T}_{\mathrm{\λ},d}^{-1}\left[{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{in}}}^{\′}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right]---\left(3\right)$

其中FrT¹为逆菲涅尔变换的运算符。

(5)接着更新初始样品猜测O(x，y)，更新公式为：

O_in(x，y)＝O_in(x，y)+U[O_in(x，y)-p_n(x，y)·O_in(xy)]  (4)

其中U为更新系数：

$U=\frac{\left|P_n(x,y)\right|}{\left|P_{n,\max }(x,y)\right|}\·\frac{P_n^{*}(x,y)}{{\left|P_n(x,y)\right|}^2+\mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

其中P_n，max(x，y)表示P_n(x，y)模值的最大值，δ为噪声压缩因子，其值为接近0的常数，通常设为0.01。

(6)完成该更新操作后，移至下一照明探针P_n(x，y)(n＝n+1)，重复公式(2)-(5)直到最后一个照明位置。

(7)持续进行以上迭代过程，即k＝k+1，直到k的值达到设定的阈值，通常情况下k＝100已能输出较好地重建结果。

本发明与现有技术相比有以下优点：

(1)利用本发明的成像技术可以在扫描孔径有较大平移误差的情况下恢复出实验图像，提高实验***抵抗平移误差能力。

(2)由于本发明在待测样品周围放置先验信息进行约束，能使实验***在有外界噪声的情况下恢复出良好的待测样品图像，具有较强的抗噪声能力。

(3)由于本发明通过先验信息的约束，使得实验的收敛速度进一步增快。

(4)由于本发明所用的叠层成像方法有很强的抗平移误差和抗噪声能力，可以扩大实验中使用的电动平移台的选择范围，大大降低了实验成本。

本发明所公开的基于已知先验信息的叠层成像方法，可适用于反射型物体或透射型物体的成像。

附图说明

图1a是本发明的成像技术在以透射式单波长照明的已知先验信息约束的叠层成像为实施例的光路结构图。

图1b是本发明的成像技术在以反射式单波长照明的已知先验信息约束的叠层成像为实施例的光路结构图。

图2是本发明的成像技术中载物台，先验信息以及待测样品放置示意图。

图3a是实施例中数值模拟实验所用的待测样品的振幅图像，待测样品周围放置先验信息为光栅，光栅常数为12μm；

图3b是实施例中数值模拟实验所用的待测样品的相位图像，待测样品周围放置先验信息为光栅，光栅常数为12μm；

图4a是实施例中数值模拟实验的叠层扫描示意图；

图4b是实施例中数值模拟实验扫描位置中心点位的示意图；

图5a是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时用传统叠层成像算法重建的待测样品的振幅图像；

图5b是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时用传统叠层成像算法重建待测样品图像的振幅收敛曲线；

图5c是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时用传统叠层成像算法重建的待测样品的相位图像；

图5d是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时用传统叠层成像算法重建待测样品图像的相位收敛曲线；

图6a是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时采用本发明提出的基于已知先验信息的叠层成像算法所重建的待测样品的振幅图像；

图6b是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时采用本发明提出的基于已知先验信息的叠层成像算法所重建待测样品图像的振幅收敛曲线；

图6c是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时采用本发明提出的基于已知先验信息的叠层成像算法所重建的待测样品的相位图像；

图6d是实施例中数值模拟实验中当扫描孔径P₁₁，P₁₄，P₂₄，P₃₄存在平移误差，平移误差为向右侧偏移120μm时采用本发明提出的基于已知先验信息的叠层成像算法所重建待测样品图像的相位收敛曲线；

其中，1.激光器、2.准直扩束***、3.二维平移平台、4.图像传感器CCD、5.计算机、6.分束镜、7.反射镜、8.载物台、9.先验信息物体、10.待测样品。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步的描述。

图1a和图1b分别是本发明的成像方法在透射式和反射式的基于已知先验信息的叠层成像的两种典型实施方式的光路结构图。该结构包括激光器1、准直扩束***2、二维平移平台以及待测样品3、图像传感器CCD 4、计算机5、分束镜6、反射镜7。平移平台3到图像传感器4的距离为d。平移平台3和图像传感器4分别由计算机5控制完成相移量添加、叠层扫描和图像记录。首先将待测样品周围放置已知振幅相位信息的物体，本实例中采用振幅型光栅，光栅常数为12μm，随后开启激光器1，通过电动平移台2调整扫描孔径的位置，并用图像传感器和计算机记录扫描图像的强度信息，最后从所记录的强度图像中提取待测样品的复振幅信息由根据本发明方法设计的计算机程序完成。

图2为本发明中样品摆放示意图，该结构中包括载物台8、先验信息物体9、待测样品10。其中具有先验信息的物体本实例中采用光栅，实验中按图2所示将光栅和待测样品依次放置。

图3a图3b是针对上述实施例所进行的计算机数值模拟实验中使用的初始设置数据。图2a和图2b为实验中所用的待测样品的振幅和位相信息，它们均为256×256像素，振幅被归化至[0，1]，位相被归化至[0，2π]。

图4a为叠层扫描示意图，照明探针为半径为70像素的圆形孔，相邻照明区域的交叠比率为0.64。图4b为实验中所使用的叠层扫描位置图，图中共有4×4个扫描位置，每个扫描位置的中心点都用“+”标出，并用符号P_mn(m，n分别为扫描矩阵的行和列序数)进行标记以示区别。实验中，激光波长λ为632.8nm，图像传感器与平移平台的间距d为30mm，图像传感器的像素大小为6.45μm。

图5a为使用传统叠层成像算法计算机程序所重建的待测样品的振幅图像，迭代次数k＝200。图5b为其迭代收敛曲线。

图5c为使用传统叠层成像算法计算机程序所重建的待测样品的相位图像，迭代次数k＝200。图5d为其迭代收敛曲线。

图6a为使用本发明所设计的基于已知先验信息的叠层成像算法计算机程序所重建的待测样品的振幅图像，迭代次数k＝200。图6b为其迭代收敛曲线。

图6c为使用本发明所设计的基于已知先验信息的叠层成像算法计算机程序所重建的待测样品的振幅图像，迭代次数k＝200。图6d为其迭代收敛曲线。

从图5a和图6a以及图5c和图6c的对比中我们可以直观地看出，使用本发明所设计的已知先验信息条件下的成像方法比传统的叠层成像结果有显著提高。

从图5b和图6b的对比中我们可以看出，使用本发明所设计的已知先验信息条件下重建待测样品振幅信息过程中迭代少于20次的情况下收敛便更趋近于0.95；而传统的叠层成像不仅收敛速度较慢而且只能收敛趋近于0.9。

从图5d和图6d的对比中我们可以看出，使用本发明所设计的已知先验信息条件下重建待测样品相位信息过程中迭代少于20次的情况下收敛便更趋近于1；而传统的叠层成像不仅收敛速度较慢且最高只能收敛趋近于0.8，随着迭代次数的增加变得逐渐不收敛。

上述方法和实施例都是通过已知先验信息情况下用叠层扫描的方式记录下待测样品不同部位的振幅图像，并对振幅图像进行叠层迭代重建以恢复出更高质量待测样品的复振幅信息为目的。本发明的实施不局限于上述具体实施方案。只要是通过在待测样品周围放置已知先验信息的叠层扫描和叠层迭代重建来对物体进行成像方法、装置和***，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在已知待测样品周围部分先验信息情况下的叠层成像技术，其成像过程包括以下步骤：

第一步，在待测样品周围放置已知信息的样本；

第二步，将待测样品在物平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录各扫描位置所对应的强度图像；

第三步，使用基于已知周围先验信息的叠层扫描迭代算法重建待测样品的复振幅图像。

2.如权利要求1中所使用的已知周围先验信息的叠层扫描迭代重建算法，其特征在于，在已知待测样品周围的图像信息的基础上对待测样品进行迭代重建，通过已知信息的约束，使得扫描过程中抗平移误差能力更强，同时也有更好的抗噪声能力。

3.如权利要求1中所使用的已知周围先验信息的叠层扫描迭代重建算法，其特征在于，通过已知信息的约束，使得恢复样本信息图像的收敛速度更快。

4.如权利要求1、2和3中所述的叠层扫描，其特征在于，待测样品在物平面二维坐标内依次平移一定的距离完成扫描，并保证相邻平移位置间待测样品上被光束照明的区域内存在一定的交叠。

5.如权利要求1、2和3中所述的叠层扫描，其特征在于，可以根据实际照明光束和待测样品的相对大小进行优化设计。

6.如权利要求1中所述的已知待测样品周围一部分先验信息情况下的叠层成像技术，可适用于各种反射型或透射型物体的成像。