CN105259668A - 基于黑色支撑的叠层成像技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在待测样品周围镀漆或放置遮光片，通过叠层扫描同时获取周围黑色振幅信息，并以此作为叠层恢复的支撑条件的叠层成像技术。利用基于黑色支撑的叠层迭代算法可重建样品的复振幅信息。本发明可适用于反射型物体或透射型物体的成像。本发明周围采用黑色振幅图像作为约束支撑信息，能够很好的满足对图像重建精度提升的实际要求，实现成本低廉。本发明相比于传统叠层成像技术，能够得到更精确的恢复效果，同时收敛速度快，成像效率高，在抗噪声能力，抗孔径偏移能力上均有显著提升。此外具有操作简单，实用性强的优势，在光学，化学，生物医学等领域均可广泛应用。

Description

基于黑色支撑的叠层成像技术

技术领域

本发明涉及一种基于黑色支撑的叠层成像技术，属于叠层成像技术领域。具体涉及一种在待测样品周围镀漆或放置遮光片，在叠层扫描的同时接收样品周围黑色的振幅信息，并以此作为叠层恢复的支撑条件。根据基于黑色支撑的叠层迭代算法，获得其复振幅图像信息的方法。本发明在光学，化学，生物医学等领域均可广泛应用。

背景技术

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)。叠层成像技术是一种无透镜相干衍射成像技术，基本做法是移动样品或探针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，在交叠层衍射分布的约束下，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，恢复收敛速度快，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的干扰和数值孔径的限制，因此广泛应用于在X射线、可见光域、电子显微等领域。参见(Ultramicroscopy：27，413，1989)。

传统的叠层成像技术，照明光束的位置与理论位置间难免存在微小的偏差，影响照明范围的精确度，从而影响到重建信息的质量。此外，传统的叠层成像技术，存在随机噪声和系统噪声的干扰，在扫描样本时为实现更精确的恢复效果，需要提升设备要求，极大的增加成本。一般来说，成像重建精度越高，实验设施越精密，实现成本越高。本发明技术在实际叠层成像系统中，可提升恢复精度，加快收敛速度，提升抗系统噪声、抗孔径偏移能力，节约实现成本，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明通过提出一种基于黑色支撑的方法来解决现有技术中的上述不足。本发明相比于传统叠层成像技术，具有重建图像精度强，恢复效率高，收敛速度明显提升的优势。同时抗噪声能力和抗孔径偏移能力均有显著提升，操作简单，实用性强。

本发明可通过以下技术措施实现：

将氦氖激光器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，并以孔径光阑作为探针，使所得平面波通过探针照射在待测样品上。随后调节带探针的精密机械平移台，对带黑色支撑的待测样品分别沿x方向和y方向移动实现叠层扫描，用图像传感器依次接收并记录各扫描位置的强度图像。在交叠层衍射分布的约束下，利用基于黑色支撑的叠层迭代算法进行处理，最终获得待测样品的复振幅图像。

本发明所公开的基于黑色支撑的叠层成像技术，可适用于反射型物体或透射型物体的成像。

以上所述的黑色支撑，对于透射型物体是指在待测样品周围一定面积上镀漆或放置遮光片，或在载物台上沿待测样品四周一定面积上镀漆或放置遮光片。当叠层扫描待测样品时，由于光束无法通过被遮挡部分，在图像传感器中采集的被遮挡部分的振幅图像为黑色，模拟程序中此部分的振幅信息为零；类似的，对于反射型物体是指在待测样品周围一定面积上镀黑漆或放置黑色遮光片，或在载物台上沿待测样品边框四周一定面积上镀黑漆或放置黑色遮光片。在叠层扫描待测样品时，图像传感器中可以采集到样品周围的黑色图像，此部分在模拟程序中振幅信息为零。

上述叠层扫描过程，即移动带支撑待测样品或探针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，该交叠部分作为恢复时的冗余信息可以提升重建图像的恢复精度。此外在叠层扫描待测样品的过程中，应在保证恢复效率和交叠率的同时，尽量多的采集样品周围的黑色支撑信息，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黑色支撑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_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：

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

(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(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，代入周围的黑色的支撑信息，令周围范围为0。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，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用采集得到的黑色振幅支撑信息作为约束条件进行叠层迭代恢复，可实现图像恢复质量的显著提升，同时能够恢复出更多图像细节。

(2)本发明采用在样本周围镀漆或放置遮光板的方式获得黑色振幅支撑信息，实验操作简单，实现成本低。相比传统叠层成像用价格昂贵的电动平移台以提升实验效果，本发明可以以更低的实验成本达到更好的实验效果。

(3)本发明利用黑色振幅信息做支撑，相比于传统的叠层成像技术，其对抗噪声能力和对抗孔径位置偏差能力均有明显提升，且收敛速度更快。

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是本发明中透射型的基于黑色支撑的叠层成像方法的光路结构图。

图1b是本发明中反射型的基于黑色支撑的叠层成像方法的光路结构图。

图2a为本实例中模拟实验使用的待测样品的振幅图像，图像像素为256×256。

图2b为本实例中模拟实验使用的待测样品的相位信息，图像像素为256×256。

图3a为本实例模拟实验中探针扫描待测样品。

图3b为本实例模拟实验中图像传感器接收示意图。

图4为本实例模拟实验中的叠层扫描示意图。

图5a为引入7％随机噪声时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅图像。

图5b为引入7％随机噪声时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位图像。

图5c为引入7％随机噪声时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅收敛曲线。

图5d为引入7％随机噪声时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位收敛曲线。

图6a为引入7％的随机噪声时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅图像。

图6b为引入7％的随机噪声时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位图像。

图6c为引入7％随机噪声时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅收敛曲线。

图6d为引入7％随机噪声时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位收敛曲线。

图7a为存在3个孔径偏移时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅图像。

图7b为存在3个孔径偏移时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位图像。

图7c为存在3个孔径偏移时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅收敛曲线。

图7d为存在3个孔径偏移时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位收敛曲线。

图8a为存在3孔径偏移时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅图像。

图8b为存在3孔径偏移时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品相位图像。

图8c为存在3个孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅收敛曲线。

图8d为存在3个孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的相位收敛曲线。

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、载物台，8、图像传感器CCD，9、计算机，10、分束镜，11、反射镜。

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和图1b分别是本发明的成像方法在透射型和反射型的基于黑色支撑的叠层成像的两种典型实施方式的光路结构图。

图1a是本发明在透射型的基于黑色支撑的叠层成像方法的光路结构图。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、载物台，8、图像传感器CCD，9、计算机。

图1b是本发明在反射型的基于黑色支撑的叠层成像方法的光路结构图。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、载物台，8、图像传感器CCD，9、计算机，10、分束镜，11、反射镜。

其中，待测样品到图像传感器的距离为d。实验中，利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。

本发明包括如下步骤：首先开启氦氖激光器，激光通过空间滤波器扩束、准直透镜准直获得入射平面波。利用孔径光阑作探针，使平面波通过探针照射到待测样品平面上。随后，分别沿x方向和y方向移动带探针的机械平移台，对带支撑的待测样品进行叠层扫描，在扫描待测样品的同时应保证尽量采集到样品周围黑色的支撑信息。用图像传感器CCD依次接收各层的衍射强度图像，提取上述强度图像并利用本发明所设计的基于黑色支撑的叠层恢复算法进行处理，最终重建得到待测样品的复振幅信息。

图2a和图2b为实例中模拟实验引用图片，图片均为256×256像素，振幅分布为[0，1]，位相分布为[0，2π]。其中，图2a为实例中模拟实验使用的振幅图像。图2b为实例中模拟实验使用的相位图像。

图3a为本实例模拟实验中基于上述振幅和相位的复振幅图像。

图3b为本实例模拟实验探针扫描待测样品及CCD接收示意图。其中1为孔径光阑，2为载物台，3为不可透光的遮光片，4为待测样品，5为CCD接收图像。激光通过作为扫描探针的孔径光阑，对待测样品及周围的遮光片进行叠层扫描。当激光照射在带遮光片的待测样品上时，无法透过被遮挡部分，此部分在CCD接收时显示为黑色，在模拟程序中此部分振幅信息每一点的像素值均为零。为了能够更好的叠层恢复样品的复振幅图像，可以将此部分黑色振幅信息作为支撑条件对样品起到约束作用，并在此基础上进行迭代恢复。

图4为本实例模拟实验中的叠层扫描示意图。本实例共有4×4个扫描位置，具体位置为P_i(i＝1，2，...，16)。

实例中，选取照明探针半径为80像素，相邻孔径每次移动距离为50像素，交叠率为0.69。红色氦氖激光波长λ为632.8nm，待测样品与图像传感器间的距离d为30mm，图像传感器的像素大小为6.45μm。

为验证带黑色支撑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黑色支撑的叠层迭代算法恢复得到恢复结果，其中迭代次数为200次，并利用相关系数的收敛曲线(correlationcoefficient，Co)评价图像的恢复质量。Co取值范围为[0，1]，越接近1表明图像恢复质量越高。

图5a和图5b分别为引入7％随机噪声时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位图像，图5c和图5d分别为引入7％随机噪声时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位的收敛曲线。

图6a和图6b分别为引入7％的随机噪声时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位图像。图6c和图6d分别为引入7％随机噪声时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位的收敛曲线。

同时对比图5a与图6a以及图5c与图6c可知，在引入7％的随机噪声时，基于黑色支撑的叠层成像技术的收敛速度明显高于传统叠层成像技术。传统叠层成像技术可将振幅信息恢复至原图像的0.99，而本发明中提出的叠层成像技术可将振幅信息恢复至1，即可将原图像完全恢复出来。

同时对比图5b与图6b以及图5d与图6d可知，在引入7％的随机噪声时，基于黑色支撑的叠层成像技术的收敛速度明显高于传统叠层成像技术。传统叠层成像技术可将相位信息恢复至原图像的0.79，而本发明中提出的叠层成像技术可将相位信息恢复至0.89。

通过图5a到5d与图6a到6d的实验结果对比，说明本发明所提出的基于黑色支撑的叠层迭代恢复技术相比与传统叠层迭代恢复技术具有更强的抗噪声能力。

图7a和图7b分别为存在3个孔径偏移时，采用传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位图像。图7c和图7d分别为存在3个孔径偏移时，传统叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位的收敛曲线。

图8a和图8b分别为存在3孔径偏移时，采用基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位图像。图8c和图8d分别为存在3个孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层迭代算法恢复出的待测样品的振幅和相位的收敛曲线。

同时对比图7a与图8a以及图7c与图8c可知，存在3孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层成像技术的收敛速度明显高于传统叠层成像技术。传统叠层成像技术的振幅信息恢复至原图像的0.99，而本发明中提出的叠层成像技术可将振幅信息恢复至1，即可将原图像完全恢复出来。

同时对比图7b与图8b以及图7d与图8d可知，存在3孔径偏移时，基于黑色支撑的叠层成像技术的收敛速度明显高于传统叠层成像技术。传统叠层成像技术的相位信息在迭代200次时已不收敛，而本发明中提出的叠层成像技术可将相位信息恢复至0.91。

通过图7a到7d与图8a到8d的实验结果对比，说明本发明所提出的基于黑色支撑的叠层迭代恢复技术相比与传统叠层迭代恢复技术具有更强的抗孔径位置偏移的能力。

Claims (6)

1.一种在待测样品周围镀漆或放置遮光片，通过叠层扫描获取样品周围黑色振幅图像，并以此作为叠层恢复支撑条件的叠层成像技术，其成像过程主要为：

第一步，开启氦氖激光器，激光通过空间滤波器和准直透镜进行扩束和准直得到入射平面波；

第二步，以孔径光阑作探针，分别沿x方向和y方向移动带探针的机械平移台，对待测样品进行叠层扫描。扫描待测样品时，应在保证恢复效率和交叠率的同时，尽量多的采集样品周围的黑色支撑信息，并通过图像传感器进行强度图像的提取；

第三步，利用本发明所设计的带黑色支撑待测样品的叠层恢复算法进行处理，重建待测样品的复振幅信息。

2.如权利要求1中所使用的带黑色支撑的待测样品，其特征在于，对于透射型物体，在待测样品周围一定面积上镀漆或放置遮光片，或在载物台上沿待测样品四周一定面积上镀漆或放置遮光片。对于反射型物体，在待测样品周围一定面积上镀上黑色漆或放置黑色遮光片，或在载物台上沿待测样品四周一定面积上镀上黑色漆或放置黑色遮光片。

3.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使入射平面波照射到样品的不同部位，并且需要保证相邻两次平移时照射部分有一定面积的交叠。

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

5.如权利要求1、4中所使用的基于带黑色支撑的叠层恢复技术，其特征在于，通过待测物体周围黑色振幅信息的支撑约束，在收敛速度，抗噪声性和抗孔径位置偏移性上均有显著提高。

6.如权利要求1、4、5中所使用的基于黑色支撑的叠层恢复技术，其特征在于，对于上述待测样品周围所放置遮光片或所镀漆无明确限制要求，可选材料广泛，选用材料须满足叠层扫描到的待测样品周围图像的振幅图像为黑色。本发明所用叠层恢复技术操作简单，易于实现，成本低，实用性强。