CN108051368B - 一种周期性亚波长小孔阵列采样模板及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种周期性亚波长小孔阵列采样模板及其成像方法，属于光学波段显微探测成像装置，用于快速宽视场超分辨成像。本发明的周期性亚波长小孔阵列采样模板，由镀覆在透明基质上的金属薄膜构成，金属薄膜上具有亚波长小孔阵列，其为由0和1组成的M行N列周期性矩阵，其M行按照循环S矩阵的移位方式构造；本发明的成像方法，基于面阵探测器，对于穿过样品的光场作近场采样，在工作时采样模板只需要少数几次移动或者不移动而成像，速度较快，采样模板面积可以很大，提供的稀疏像场采用压缩感知方法进行重构，获得样品的超分辨宽视场图像，其分辨率可以达到几十纳米，适用于紫外光到太赫兹波段的光波，对于细胞生物学和细胞影像学具有重要价值。

Description

一种周期性亚波长小孔阵列采样模板及其成像方法
技术领域
本发明属于光学波段显微探测成像装置，具体涉及一种周期性亚波长小孔阵列采样模板及其成像方法。
背景技术
申请人于2005年申请的CN200510018994.0发明专利“光学波段的近场显微镜”，属于光学波段近场探测装置，目的在于免去探针及其与样品间距保持技术及其系统，同时实现超衍射限分辨率成像和光谱探测。该发明包括顺序排列的近场取景窗、近场编码板、转换光波导、分光系统和光电探测器；近场编码板为按循环s矩阵分布的亚波长小孔阵列，小孔孔径小于瑞利判据中的r值；经取景窗过来的光在近场编码板的小孔中被提取并在转换光波导中转化成传导波送往后续装置。该发明可以供多观察手段联用；可以在研究细胞与激光束相互作用的同时进行亚细胞水平的观察，系统承受外场作用能力大为增强；可以在对样品做纳米分辨率的成像观察同时，得到样品的纳米分辨图像的光谱信息；分辨率与现有探针扫描近场光学显微镜相似，为50nm左右。
该发明中使用的近场编码版为按循环s矩阵分布的亚波长小孔阵列，这种矩阵不可能做得很大，因此用于大面积成像时需要辅助装置及一定的扫描，造成速度较慢，或者成像面积较小。
本申请文本中，利用平面XY直角坐标系，XY平面中，X轴为水平轴，向右为正方向，Y轴为垂直轴，向上为正方向。
发明内容
本发明提供一种周期性亚波长小孔阵列采样模板，同时提供其成像方法，解决现有采样模板速度较慢，成像面积较小的问题，用于快速宽视场超分辨成像。
本发明所提供的一种周期性亚波长小孔阵列采样模板，由镀覆在透明基质上的金属薄膜构成，所述金属薄膜上具有亚波长小孔阵列，其特征在于：
所述亚波长小孔阵列为由0和1组成的M行N列周期性矩阵，所述周期性矩阵的第一行为向量vi，其中0和1的总位数为M，所述周期性矩阵的其余M-1行按照循环S矩阵的移位方式构造，形成M×N的周期矩阵，其循环周期T＝i+1；i为两个1之间0的个数，M≥256，N≥256，i＝1、2、…或30；
v1＝(1，0，1，0，...，1，0)，
v2＝(1，0，0，1，0，0，...，1，0，0)，
v3＝(1，0，0，0，1，0，0，0，...，1，0，0，0)，
Figure BDA0001484944140000021
vi＝(1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，...)；
所述金属薄膜上的亚波长小孔阵列，0为不透光小孔，1为透光小孔。
以i＝1为例，所述周期性矩阵的第一行为向量vi，可构成为周期T＝2的周期矩阵。
0101010101010101010101010…
1010101010101010101010101…
0101010101010101010101010…
Figure BDA0001484944140000022
奇数行的构成都是一样的，偶数行的构成也都是一样的，行的数量可以为任意，而列数的数量也可以为任意的；
利用所述周期性亚波长小孔阵列采样模板的一种成像方法，包括下述步骤：
(1)选择M≥256、N≥256，周期T＝2的周期性亚波长小孔阵列采样模板，将其置于待测目标上方且与待测目标距离保持在近场距离内，在周期性亚波长小孔阵列采样模板上方依次设置成像镜头和面阵探测器；
(2)打开照明光源，其发出的可见光(或者其它波段的光)从待测目标的下方照射待测目标；调整收集光信号的成像镜头使其焦点位于待测目标上的周期性亚波长小孔阵列采样模板，成像镜头的成像面覆盖面阵探测器；
(3)面阵探测器接收成像镜头所得到的各个透光小孔的光学信号构成的一帧稀疏像场；并将其送至计算机进行处理。
计算机对所得到的一帧稀疏像场采用压缩感知方法中的梯度投影法重构目标图像。
利用所述周期性亚波长小孔阵列采样模板的另一种成像方法，包括下述步骤：
(1)选择M≥256、N≥256，周期T≥3的周期性亚波长小孔阵列采样模板，将其置于待测目标上方且与待测目标距离保持在近场距离内，在周期性亚波长小孔阵列采样模板上方依次设置成像镜头和面阵探测器；
(2)打开照明光源，其发出的光(可见光或者其它波段的光)从待测目标的下方照射待测目标；调整收集光信号的成像镜头使其焦点位于待测目标上的周期性亚波长小孔阵列采样模板，成像镜头的成像面覆盖面阵探测器；
(3)面阵探测器接收成像镜头所得到的各个透光小孔的光学信号构成的一帧稀疏像场，为其标注序号，并将其送至计算机进行处理；
(4)采用二维移动平台驱动周期性亚波长小孔阵列采样模板，使其相对于待测目标在X方向正向移动，
当T＝3时，移动步长为周期性亚波长小孔阵列采样模板上相邻两个元素的中心距离，当T＞3时，移动步长为周期性亚波长小孔阵列采样模板上相邻两个元素的中心距离的两倍；
移动次数为|(T-1)/2|，符号|X|表示对X取整，从而达到实际上降低循环周期T值的效果；
(5)周期性亚波长小孔阵列采样模板每次移动以后均执行所述步骤(3)的操作，待在X方向正向移动结束后，进行步骤(6)；
(6)驱动周期性亚波长小孔阵列采样模板，使其相对于待测目标在Y方向负向移动，移动步长、移动次数都和x方向相同，但是y方向第一列的最后两个元素如果不是连续两个0则少移动一次，每次移动以后均执行所述步骤(3)的操作，待在Y方向正向移动结束后，进行步骤(7)；
(7)计算机对所得到的每帧稀疏像场，按序号对位填补，得到一帧x方向和y方向都不含连续两个0的稀疏像场，得到实际上降低了循环周期T值的效果的稀疏像场(类似T＝2)，所述按序号对位填补，是将各帧稀疏像场对应位相加。
计算机再采用压缩感知方法中的梯度投影法重构目标图像。
对于本发明，以八位精度的图像为例，图像的每一个像素都是按照二进制的0-255取值，采样矩阵A也就是所采用的周期性亚波长小孔阵列采样模板所给出的阵列，通过矩阵点乘(对应元素乘法)的方式来获取测量值y＝A.*x。因此，采样矩阵A的每个矩阵元素分别与目标(原始)图像x的每个像素点做乘法运算，获得一一对应的测量值y。这就决定了阵列探测器超分辨成像实验的采集模式，只需要一块对应的成像模板，采集一帧图像，就可以得到测量值y，进而按照梯度投影法问题的求解方法计算重构出目标图像。
梯度投影算法有关计算和MATLAB程序的问题，可以参考马昌凤等人：“最优化计算方法及其MATLAB程序实现”，2015年6月，国防工业出版社。
本发明提供的成像方法，是一种实时或者亚实时超分辨成像方法，采用周期性亚波长小孔阵列采样模板，基于面阵探测器，对于穿过样品的光场作近场采样，在工作时只需要少数几次移动或者不移动而成像，速度较快，采样模板面积可以很大，再结合压缩感知方法(梯度投影算法)进行重构获得样品的超分辨宽视场图像。重构的可见光图像的分辨率可以达到几十纳米，适用于紫外光到太赫兹波段的光波，这种分辨率的宽视场图像对于细胞生物学和细胞影像学具有重要价值。
附图说明
图1为应用本发明的工作环境；
图2为原始女性图像；
图3为经过采样重构出的4张目标图像，自左至右分别对应周期为2、3、4、5的重构效果图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例一，所提供的周期性亚波长小孔阵列采样模板，由镀覆在透明基质上的金薄膜构成，所述金薄膜上具有亚波长小孔阵列，
所述亚波长小孔阵列为由0和1组成的256行256列周期性矩阵，所述周期性矩阵的第一行为向量v1＝(1，0，1，0，...，1，0)，其中0和1的总位数为256；所述周期性矩阵的其余255行按照循环S矩阵的移位方式构造，形成256×256的周期矩阵，其循环周期T＝2；
该周期性矩阵的形式为：
0101010101010101…，
1010101010101010…，
0101010101010101…，
………；
所述金薄膜上的亚波长小孔阵列，0为不透光小孔，1为透光小孔。
实施例二，与实施例一基本相同，区别仅在于所述周期性矩阵的第一行为向量v2＝(1，0，0，1，0，0，...，1，0，0)，所构造出的256×256周期性矩阵，其循环周期T＝3。
实施例三，与实施例一基本相同，区别仅在于所述周期性矩阵的第一行为向量v3＝(1，0，0，0，1，0，0，0，...，1，0，0，0)，所构造出的256×256周期性矩阵，其循环周期T＝4。
实施例四，与实施例一基本相同，区别仅在于所述周期性矩阵的第一行为向量v3＝(1，0，0，0，1，0，0，0，...，1，0，0，0)，所构造出的256×256周期性矩阵，其循环周期T＝5。
如图1所示，采用本发明工作时，采样模板5置于样品3的上方并且紧邻样品以截获样品上的近场光，光源1发出的可见光(或者其它波段的光)从样品的下方经过载物片2照射样品，经样品3照射到采样模板5上，采样模板5可不移动或者通过二维平台4做少数几次移动对样品采样，采样模板5上方的显微物镜6(或者光学系统)收集来自采样模板上亚波长小孔阵列的各个小孔的光，经面阵探测器7获得一帧稀疏像场送至计算机8，计算机8可以经过梯度投影算法对于这个稀疏像场进行重构从而获得目标的宽视场的超分辨图像。
按照本发明的第一种方法，采用实施例一对图2进行采样，然后进行重构；
按照本发明的第一种方法，分别采用实施例二、三、四对图2进行采样，然后进行重构；
其结果如表1所示，周期矩阵的重复性即周期T越大，数字模板的0分布越多，采样率随之降低，重构图像的相对误差变大，峰值信噪比(PSRN)降低；如图3所示，T＝2为最小循环周期，重构出的图像效果最好。实际应用中可以根据需要与可能选择T值。
表1.0、1周期矩阵在梯度投影法(GPSR)下的重构特性
Figure BDA0001484944140000071
表中，MSE为均方误差，RE为相对误差，PSNR为峰值信噪比，MdB为信噪比改善量。

Claims (3)

1.一种周期性亚波长小孔阵列采样模板，由镀覆在透明基质上的金属薄膜构成，所述金属薄膜上具有亚波长小孔阵列，小孔形状为是圆形、C形、三角形、矩形、梯形、栅栏状，其特征在于：
所述亚波长小孔阵列为由0和1组成的M行N列周期性矩阵，所述周期性矩阵的第一行为向量vi，其中0和1的总位数为M，所述周期性矩阵的其余M-1行按照循环S矩阵的移位方式构造，形成M×N的周期矩阵，其循环周期T＝i+1；i为两个1之间0的个数，M≥256，N≥256，i＝1、2、…或30；
v1＝(1,0,1,0,...,1,0)，
v2＝(1,0,0,1,0,0,...,1,0,0)，
v3＝(1,0,0,0,1,0,0,0,...,1,0,0,0)，
Figure FDA0002240648030000011
vi＝(1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,...)；
所述金属薄膜上的亚波长小孔阵列，0为不透光小孔，1为透光小孔。
2.利用权利要求1所述周期性亚波长小孔阵列采样模板的一种成像方法，包括下述步骤：
(1)选择M≥256、N≥256，周期T＝2的周期性亚波长小孔阵列采样模板，将其置于待测目标上方且与待测目标距离保持在近场距离内，在周期性亚波长小孔阵列采样模板上方依次设置成像镜头和面阵探测器；
(2)打开照明光源，其发出的可见光或者其它波段的光从待测目标的下方照射待测目标；调整收集光信号的成像镜头使其焦点位于待测目标上的周期性亚波长小孔阵列采样模板，成像镜头的成像面覆盖面阵探测器；
(3)面阵探测器接收成像镜头所得到的各个透光小孔的光学信号构成的一帧稀疏像场；并将其送至计算机采用压缩感知方法中的梯度投影法重构目标图像。
3.利用权利要求1所述周期性亚波长小孔阵列采样模板的另一种成像方法，包括下述步骤：
(1)选择M≥256、N≥256，周期T≥3的周期性亚波长小孔阵列采样模板，将其置于待测目标上方且与待测目标距离保持在近场距离内，在周期性亚波长小孔阵列采样模板上方依次设置成像镜头和面阵探测器；
(2)打开照明光源，其发出的可见光或者其它波段的光从待测目标的下方照射待测目标；调整收集光信号的成像镜头使其焦点位于待测目标上的周期性亚波长小孔阵列采样模板，成像镜头的成像面覆盖面阵探测器；
(3)面阵探测器接收成像镜头所得到的各个透光小孔的光学信号构成的一帧稀疏像场，为其标注序号，并将其送至计算机进行处理；
(4)采用二维移动平台驱动周期性亚波长小孔阵列采样模板，使其相对于待测目标在X方向正向移动，
当T＝3时，移动步长为周期性亚波长小孔阵列采样模板上相邻两个元素的中心距离，当T>3时，移动步长为周期性亚波长小孔阵列采样模板上相邻两个元素的中心距离的两倍；
移动次数为|(T-1)/2|，符号|X|表示对X取整，从而达到实际上降低循环周期T值的效果；
(5)周期性亚波长小孔阵列采样模板每次移动以后均执行所述步骤(3)的操作，待在X方向正向移动结束后，进行步骤(6)；
(6)驱动周期性亚波长小孔阵列采样模板，使其相对于待测目标在Y方向负向移动，移动步长、移动次数都和x方向相同，但是y方向第一列的最后两个元素如果不是连续两个0则少移动一次，每次移动以后均执行所述步骤(3)的操作，待在Y方向正向移动结束后，进行步骤(7)；
(7)计算机对所得到的每帧稀疏像场，按序号对位填补，得到一帧x方向和y方向都不含连续两个0的稀疏像场，再采用压缩感知方法中的梯度投影法重构目标图像；所述按序号对位填补，是将各帧稀疏像场按照对应位相加。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102279287B (zh) * 2011-04-14 2012-10-10 华中科技大学 亚像元分割编码显微成像装置
CN102891956A (zh) * 2012-09-25 2013-01-23 北京理工大学 基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统的设计方法
CN103776769A (zh) * 2012-10-19 2014-05-07 赖博 一种共聚焦光学扫描仪
JP2015012128A (ja) * 2013-06-28 2015-01-19 ソニー株式会社 撮像装置及び電子機器
CN104458643B (zh) * 2014-12-09 2017-07-18 华中科技大学 一种太赫兹波段的显微镜

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