CN105137609A - 基于预照明成像的叠层成像技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过预照明成像进行叠层重建约束的叠层成像技术。本发明通过预先照明获取待测样品周围图像所呈像，作为叠层恢复的已知条件。然后通过叠层扫描获取待测样品及其周围图像的衍射图像，并与预照明图像同时带入到本发明所设计的基于预照明成像的叠层迭代算法中进行处理，最终重建得到待测样品的复振幅图像。本发明通过预照明成像的方式对叠层恢复进行约束，能够使待测样品在复振幅上特别在相位方面的恢复质量大幅提升，实验操作简单，且相比于传统叠层成像技术，无需额外成本即可得到更好的恢复结果。同时，本发明技术在抗噪声性和抗孔径位置偏移性上均有显著提高。

Description

基于预照明成像的叠层成像技术

技术领域

本发明涉及一种基于预照明成像的叠层成像技术，属于叠层成像技术领域。具体涉及一种通过预先照明获取待测样品及其周围图像所成像，提取样品周围图像作为叠层恢复的已知条件，再利用叠层扫描获取带周围图像的待测样品的衍射图像，并将二者共同带入基于预照明成像的叠层迭代算法中，最终恢复得到样品复振幅图像的方法。

背景技术

叠层衍射成像是一种不需要透镜的成像技术，通过交叠采集冗余的衍射图样信息，能够很好地恢复样品的复振幅信息，在X射线、可见光域、电子显微等领域有重要应用。

基于叠层成像(Ptychography)原理的扫描相干衍射成像方法由Hoppe于20世纪70年代首次提出，参见(ActaCrystallogr：A25，495，1969)。叠层成像技术的基本做法是改变样品或探针的相对位置，使入射平面波照射到样品的不同部位，并保证相邻两次照射部分有一定面积的交叠，这样衍射图样之间存在相互约束的关系，通过所有衍射图样的共同解，最终重建样品的复振幅信息。叠层成像技术相比于传统衍射成像技术，具有实验装置相对简单，恢复收敛速度快等优点。同时，叠层成像技术消除了正确解和复共轭间的二义性，并且在一定程度上能够克服透镜像差对成像恢复精度的干扰以及数值孔径对样品尺寸的限制，参见(PhysLett.4795：85，2004)。

然而，传统的叠层成像技术，除上述优势特征外仍存在以下不足：

1.实际操作中，照明光束的位置与理论位置间存在一定偏差，影响恢复图像质量。

2.实验受随机噪声和***噪声的干扰较大，恢复图像效果仍有很大提升空间。

3.实验设施条件限制较大。重建图像质量越好，实验设施需求越精密。

发明内容

本发明通过提供一种预先照明成像的方法来解决现有技术中的上述不足。本发明提出一种基于预照明成像的叠层成像技术，相比于传统叠层成像技术，能够获得更精确的恢复效果，同时抗噪声能力，抗孔径偏移能力均有显著提升。

本发明可通过以下技术措施实现：

1.首先用激光通过成像透镜照射待测样品及其周围部分获取所成像。其中，将待测样品周围部分所成像称为预照明图像，预照明图像信息为已知。

2.保证待测样品位置不变，使激光依次通过空间滤波器和准直透镜进行扩束和准直获得入射平面波。然后利用孔径光阑作为探针，使平面波通过探针照射在待测样品平面上。

3.沿x轴和y轴方向移动带探针的二维机械平移台，依次叠层扫描待测样品及其周围预照明区域，利用图像传感器接收并记录各扫描位置的衍射强度图像。

4.提取步骤1中所成像的预照明信息，并以此作为基准图像，与样品的衍射图像同时带入到基于预照明成像的叠层迭代算法中进行处理。由于预照明部分的信息已知，可以以此作为待测样品图像重建的约束，最终获得待测样品的复振幅图像。

本发明所公开的基于预照明的叠层成像技术，可适用于反射型物体或透射型物体的成像。

上述叠层扫描过程，即将待测样品或探针移动一定距离使入射平面波照射到样品的不同部位，并保证相邻两次平移时照射部分有一定面积的交叠。此外，在叠层扫描时，应在保证交叠率和恢复效率的同时，尽量多的采集样品周围的预照明信息，并以此作为迭代恢复的约束条件提升叠层成像的精度。

本发明所用成像算法为基于预照明的叠层扫描的迭代重建算法，它的具体实现过程为：

(1)在计算机上对样品做初始猜测为O(x，y)。将样品周围预照明信息所成像作为已知条件，代入初始图像中，初始图像变为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：

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

(4)将2式逆衍射回物面：

$O_{in}(x,y)={\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d}^{-1}\[{\mathrm{\ψ}}_{in}^{\′}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\]---\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_in(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(x，y)](4)

其中U为更新系数：

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

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，代入已知预照明信息再次进行更新。并移至下一照明探针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。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1.本发明采用样品周围所成预照明图像作为基准，相较于传统叠层成像技术，由于利用周围预照明所得信息作约束，在振幅和相位的恢复效果上均有提升，尤其在相位上提升效果显著，并且恢复出的图像细节更加丰富。

2.本发明利用预照明成像作为基准，在存在实验条件限制的情况下，相较于传统叠层成像技术，其抗噪声能力和抗孔径位置偏移能力均有一定提升。

3.本发明在实验中利用预照明所得信息作约束，相比传统叠层成像技术，在不需要额外实验成本的情况下可以获得更好的实验结果，且操作简单。

本发明的技术实施过程和恢复效果可结合以下附图详细说明。

附图说明

图1a是本发明中透射型基于预照明成像的叠层成像方法的典型实施方式的光路结构图。

图1b是本发明在透射型基于预照明成像的叠层成像实验中待测样品的成像光路结构图。

图2为本发明实例实验的精密实验光路搭建图。

图3为本发明实例实验使用的待测样品所成的振幅图像。

图4a为本实例实验中的叠层扫描示意图。

图4b为本发明实例实验中探针在不同位置扫描待测样品获得的衍射图像。

图4c为本发明实例中f孔位置上探针对准待测样品采集到的衍射图像。

图5a为采用传统叠层成像技术恢复得到待测样品的振幅图像。

图5b为采用传统叠层成像技术恢复得到待测样品的相位图像。

图6a为采用基于预照明成像的叠层成像技术恢复得到待测样品的振幅图像。

图6b为采用基于预照明成像的叠层成像技术恢复得到待测样品的相位图像。

其中，1、氦氖激光器，2、空间滤波器，3、准直透镜，4、孔径光阑，5、二维机械平移平台，6、待测样品，7、图像传感器CCD，8、计算机，9、成像透镜，10、衰减器。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步描述，本发明所示实例是为更完整清楚的展示本发明，而非本发明仅能应用于此实例中，本发明可以应用于多种实施形式。

图1a是本发明在透射型基于预照明成像的叠层成像方法的典型实施方式的光路结构图。该结构包括：1、氦氖激光器，2、空间滤波器，3、准直透镜，4、孔径光阑，5、二维机械平移平台，6、待测样品，7、图像传感器CCD，8、计算机。

图1b是本发明在透射型基于预照明成像的叠层成像实验中待测样品的成像光路结构图。该结构包括：1、氦氖激光器，2、空间滤波器，3、准直透镜，6、待测样品，7、图像传感器CCD，8、计算机，9、成像透镜。

本发明包括如下步骤：首先用氦氖激光器进行预照明，利用成像透镜获取待测样品周围预照明图像所成像。其中，预照明图像信息为已知。然后保证待测样品位置不变，使激光依次通过空间滤波器和准直透镜进行扩束和准直获得入射平面波。随后利用孔径光阑作为探针，使激光通过探针照射在待测样品上。移动带探针的机械平移台，依次叠层扫描待测样品及其周围预照明区域，利用图像传感器接收并记录各扫描位置的衍射强度图像。最后以已采集的预照明图像作为基准图像，与待测样品的衍射图像同时带入到基于预照明的叠层迭代算法中进行处理。由于预照明部分的信息已知，可以以此约束待测样品的迭代恢复，最终获得待测样品的复振幅图像。其中，孔径光阑到待测样品的距离为d，待测样品到图像传感器的距离为D。实验中用移动机械平移台添加相移量，利用图像传感器完成叠层扫描的数据采集，利用计算机进行图像记录和处理。

图2为本发明实例实验的精密实验光路搭建图。其中，1为氦氖激光器，2为空间滤波器，3为准直透镜，4为孔径光阑，5为二维机械平移平台，6为待测样品，7为图像传感器CCD，10为衰减器。

图3为本发明实例实验使用的待测样品所呈的振幅图像。本实例中待测样品选用植物茎横切组织样品，样品周围预照明部分为透明玻璃片。待测样品及周围图像所成像由激光照射成像透镜得到，待测样品周围的透明图像的信息为已知信息。

图4a为本实例实验中的叠层扫描示意图。实验中共有3×3共9个扫描位置，具***置为P_i(i＝1，2，...，9)。图4b为本发明实例实验中探针在不同位置扫描待测样品获得的衍射图像，每个位置采集到的衍射图像为(a)～(i)。

实例实验中，选取照明探针直径为6mm，相邻孔径每次移动距离为1mm，交叠率为0.833。红色氦氖激光波长λ为632.8nm，孔径光阑与待测样品间的距离d为28.84mm，待测样品与图像传感器间的距离D为91.66mm，接收衍射图像所使用的CCD为collsnapEZ型，图像传感器的单像素大小为6.45μm，CCD窗口大小为1392×1040像素。

为验证基于预照明成像的叠层成像技术的有效性，分别将实例中叠层扫描图像带入传统叠层迭代算法和基于预照明成像的叠层迭代算法恢复得到重建结果，其中迭代次数为20次。

图4c为本发明实例中f孔位置上探针对准待测样品采集到的衍射图像。由于实验中孔径光阑为接近圆形的正十边型，每条棱的边缘位置均存在衍射，所以对准时在形状上存在偏差。此外本实验中待测样品为一光楔，光束通过样品光楔会发生折射，导致CCD采集到的光斑出现变形，也会对孔径对准产生影响。因此本实例在实施过程中不可避免的存在一定的位置偏移。

图5a和图5b分别为采用传统叠层成像技术恢复得到待测样品的振幅图像和相位图像。

对比图5a和图6a可以看出，在存在孔径偏移以及***噪声和随机噪声时，采用基于预照明成像的叠层成像技术恢复得到待测样品的振幅图像比采用传统叠层成像技术恢复得到待测样品的振幅图像的恢复质量高，而且采用本发明提出的方法恢复出的植物组织中恢复出的茎脉更明显，样品整体结构更清晰，恢复出的细节更加丰富。

综上，在振幅方面，采用基于预照明成像的叠层成像技术的恢复效果要明显好于传统叠层成像的恢复结果，且抗噪声性和抗孔径偏移性上性能均有提升。

图6a和图6b分别为采用基于预照明成像的叠层成像技术恢复得到待测样品的振幅图像和相位图像。

对比图5b和图6b可以看出，在存在孔径偏移以及***噪声和随机噪声时，采用基于预照明成像的叠层成像技术恢复得到待测样品的相位图像比采用传统叠层成像技术恢复得到待测样品的相位图像的恢复质量高。此外采用本发明提出的方法恢复出的整体效果更加精确，黑白部分对比更加明显，可以看到清晰的植物组织茎脉线条，并且恢复出的细节更加丰富。

综上，在相位方面，采用基于预照明成像的叠层成像技术要明显好于传统叠层成像的恢复结果，且抗噪声性和抗孔径偏移性上性能均有提升。

Claims (6)

1.一种通过预先照明的方式获取待测样品周围图像所成像，并以此作为叠层恢复的已知条件，然后利用叠层扫描获取待测样品及其周围部分的衍射图像，根据基于预照明成像的叠层迭代算法，最终恢复得到样品复振幅图像的技术。其成像过程主要为：

第一步，用激光通过成像透镜照射待测样品及其周围部分获取所成像。其中，将待测样品周围所成像称为预照明图像，预照明图像信息为已知。

第二步，保证待测样品位置不变，使激光依次通过空间滤波器和准直透镜进行扩束和准直获得入射平面波。然后利用孔径光阑作为探针，使平面波通过探针照射在待测样品平面上。

第三步，沿x轴和y轴方向移动带探针的二维机械平移台，依次叠层扫描待测样品及其周围预照明区域，利用图像传感器接收并记录各扫描位置的衍射强度图像。

第四步，提取第一步所成像中的预照明信息，并以此作为基准图像，与样品的衍射图像同时带入到基于预照明成像的叠层迭代算法中进行处理。由于预照明部分的信息已知，可以以此作为待测样品图像重建的约束，最终获得待测样品的复振幅图像。

2.如权利要求1中所使用的基准图像，其特征在于，利用预照明光束和成像透镜获取待测样品及周围一定面积图像所成像，其中样品周围图像信息为已知。在运用本发明所设计的叠层迭代算法进行图像恢复时，基准图像作为支撑条件，以此约束待测样品的迭代恢复。

3.如权利要求1、2中所使用的预照明光束，其特征在于，可以选择激光等相干光进行照射，也可选择LED等非相干光进行照射，且选择非相干光进行照射时，可以避免相干噪声和散斑噪声。

4.如权利要求1中所使用的叠层扫描技术，其特征在于，将待测样品或探针移动一定距离来使入射平面波照射到样品的不同部位，并保证相邻两次平移时照射部分有一定面积的交叠，在每次扫描时应尽量扫描样品周围的图像部分。

5.如权利要求1、4中所使用的基于预照明的叠层恢复技术，其特征在于，对于透射型和反射型的基于预照明的叠层成像均可适用，均属于本发明的保护范围。

6.如权利要求1、4、5中所使用的基于预照明的叠层恢复技术，其特征在于，利用待测样品周围图像所成像作为叠层恢复时的约束条件，相比传统叠层成像技术，在不需要额外实验成本的情况下，在振幅和相位的恢复效果上均有提升，并且能够恢复出更多图像细节，此外在抗噪声性和抗孔径位置偏移性上均有显著提高。