CN108107561B - 3阶循环s采样矩阵编码模板及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于3阶循环S采样矩阵的编码模板及其成像方法，属于光学波段显微成像方法与装置，解决现有超分辨成像方法成像视场小、成像速度慢、峰值信噪比不够高的问题。本发明所提供的编码模板，其由表面具有金属镀膜的透明基板构成，所述金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按3阶循环s矩阵分布。本发明的成像方法借助编码模板，入射光经目标照射到一块编码模板上，编码模板对目标采样，再通过显微物镜投射到面阵探测器上，收集到一帧稀疏图像，便于再根据梯度投影法重构出目标图像，成像面积可以很大，成像速度快。

Description

3阶循环S采样矩阵编码模板及其成像方法
技术领域
本发明属于光学波段显微成像方法与装置。
背景技术
现有的超分辨显微成像方法中采用的循环S矩阵的编码模板均为基于循环S矩阵的接近正方形折叠的编码板。
如申请人早期申请的CN200510018994.0号发明专利“光学波段的近场显微镜”，构成的接近正方形折叠的循环S矩阵或者是其他折叠方式，或者是一维排列的编码板，及其成像方法均为在采样框的限制下逐个码元地移动编码板采样，这样采样的问题主要是视场小、速度慢、峰值信噪比及信噪比改善量不够高。对这种成像方法的应用形成一定的限制。
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
本发明提供一种基于3阶循环S采样矩阵编码模板，同时提供其成像方法，解决现有超分辨成像方法成像视场小、成像速度慢、峰值信噪比及信噪比改善量不够高的问题。
本发明所提供的一种基于3阶循环S采样矩阵编码模板，其由表面具有金属镀膜的透明基板构成，所述金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按3阶循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值，以1表示存在小孔，0表示不存在小孔或小孔不透光，所述亚波长小孔阵列满足奇异透光特性(EOT)；其特征在于：
所述3阶循环s矩阵为M行N列矩阵，M≥256，N≥256；
第1行按照101、011或者110循环重复出现的方式构成，共有N列；
第2行的构成根据第1行最后一列的值对应于第1行前3列中的对应位置决定，第1行最后一列的值对应于第1行第K列，则第2行第1列的值对应于第1行第K+1列的值，K＝1、2或3，然后按照第1行的循环方式生成第2行的其他各列；
第3行的构成根据第2行最后一列的值对应于第2行前3列中的对应位置决定，第2行最后一列的值对应于第2行第K列，则第3行第1列的值对应于第2行第K+1列的值，然后按照第1行的循环方式生成第3行的其他各列；
每三行为一个重复周期，后续各行均按照上述类似的方式构成。
所述的3阶循环S矩阵编码模板，其特征在于：
所述小孔横截面形状为圆形、三角形、正方形、梯形、C形或栅栏状，所述栅栏状为：每个小孔均由平行排列的P条矩形狭缝构成，P＝4～10，所述小孔孔径由第一条矩形狭缝和第P条矩形狭缝的距离以及矩形狭缝的长度确定；小孔垂直方向形状为梳状，每条梳齿为棱台或棱柱。
基于所述3阶循环S矩阵编码模板的成像方法，其特征在于：
将样品放置在透明载物片上，编码模板置于样品的上方且两者之间距离为光学近场距离，以截获样品上的近场光，编码模板上方依次设置显微物镜和面阵探测器；
光源发出的光从下方经过透明载物片照射样品，再投射到编码模板上，光的波长从紫外到太赫兹波段，显微物镜与工作光波波长相适应，收集来自编码模板上亚波长小孔阵列的各个小孔的光，经面阵探测器7获得一帧稀疏图像；其中，编码模板不移动，面阵探测器敏感元与编码模板上亚波长小孔阵列保持固定对应位置；
所述稀疏图像用于计算机采用压缩感知方法中的梯度投影算法进行重构，从而获得目标的宽视场的超分辨图像。
当编码模板上两个相邻小孔中心的间距大于两倍小孔孔径时，若要得到的目标的任何两个相邻像素之间不存在任何间距的超分辨图像，进一步可以采用下述成像方法：
所述3阶循环S矩阵编码模板的另一成像方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将编码模板放置在微动平台上，同时编码模板置于样品的上方且两者之间距离为光学近场距离，以截获样品上的近场光，编码模板上方依次设置显微物镜和面阵探测器；光源发出的光从样品的下方照射样品，投影到编码模板上，光的波长从紫外到太赫兹波段；
(2)显微物镜收集来自编码模板上亚波长小孔阵列的各个小孔的光，经面阵探测器获得一帧稀疏图像，并记下本次操作得到的稀疏图像xy坐标值；
(3)微动平台驱动编码模板相对于样品在X方向正向移动距离d，进行步骤(2)的操作，并记下本次操作得到的稀疏图像xy坐标值，d为编码模板上小孔孔径，单位为nm；
(4)继续进行步骤(3)的操作，共计L/d-1次，得到多帧X方向稀疏图像，并记下各次操作得到的稀疏图像xy坐标值，L为编码模板上两个相邻小孔中心的间距，为d的整数倍；
(5)从步骤(2)完成后开始，微动平台驱动编码模板相对于样品在Y方向负向移动距离d，进行步骤(2)的操作，并记下本次操作得到的稀疏图像xy坐标值；
(6)继续进行步骤(5)的操作，共计L/d-1的整数次，得到多帧Y方向稀疏图像，并记下各次操作得到的稀疏图像xy坐标值；
(7)将步骤(2)以及步骤(4)、步骤(6)所得到的各帧稀疏图像用于采用梯度投影算法进行重构；
重构后的各帧图像可以按照xy坐标位置合成，从而得到一幅任何两个相邻像素之间没有间距的宽视场的密接超分辨图像。
例如，编码模板的小孔孔径为100nm，而相邻小孔中心的间距为500nm，在X、Y方向分别需移动4次，连同未移动时所获得的稀疏图像，共计9帧稀疏图像按照xy坐标位置合成。
压缩感知方法，又称压缩采样、压缩传感，它作为一个新的采样理论，它通过开发测量信号的稀疏特性，可以在远小于Nyquist采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法去完美重建信号。梯度投影算法(GPSR)是压缩感知方法的一种，其主要思想是从初始可行点出发，沿着下降的可行方向进行搜索，求出使目标函数下降的新的可行点，当迭代出发点在可行域内部时，沿负梯度方向进行搜索，最终达到收敛阈值结束。
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也就是所采用的编码模板上亚波长小孔阵列所给出的阵列，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。这就决定了面阵探测器超分辨成像实施的采集模式，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，提供于按照梯度投影算法的求解方法计算重构出目标图像。
本发明的成像方法主要是借助编码模板，入射光经目标照射到一块编码模板上，编码模板对目标采样，再通过显微物镜投射到面阵探测器上，收集到一帧稀疏图像，便于再根据梯度投影法重构出目标图像，成像面积可以很大，成像速度很快而且重构图像的峰值信噪比、信噪比改善量都高。
附图说明
图1为本发明的工作环境；
图2为原始女性头像；
图3为女性头像的重构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，采用本发明工作时，将样品3放置在透明载物片2上，编码模板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，精密微动平台4可带动编码模板微动，光源1发出的光从下方经过透明载物片2照射样品3，再投射到编码模板5上，光的波长从紫外到太赫兹波段，编码模板上方的显微物镜6(或者光学系统)收集来自编码模板上亚波长小孔阵列的各个小孔的光，经面阵探测器7获得一帧稀疏图像，输入计算机8；或者再驱动微动平台4少数几次移动再获取几帧稀疏图像，形成合成稀疏图像再输入计算机8；在计算机内经过梯度投影算法对于这些稀疏图像进行重构，从而获得目标的宽视场的超分辨图像。
实施例：一种基于3阶循环S采样矩阵编码模板，其由表面具有金属镀膜的透明基板构成，所述金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按3阶循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值，以1表示存在小孔，0表示不存在小孔或小孔不透光，满足奇异透光特性(EOT)；
所述3阶循环s矩阵为256行256列矩阵，
第一行：101101101101---，每隔三个元素重复出现101；
第二行：011011011011---，每隔三个元素重复出现011；
第三行：110110110110---，每隔三个元素重复出现110；
…
每三行一个重复周期。
基于上述编码模板的成像方法，编码模板未放置在微动平台上，其重构图像如图2所示，重构结果的性能如表1所示。
比较图3和图2，可以看到重构目标图像清晰如同原图。
表1. 3阶循环S采样矩阵在梯度投影法(GPSR)下的重构特性
Figure BDA0001484868740000061
表1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。这种成像方法得到的结果的信噪比改善量比传统的三阶循环S矩阵成像方法的理论信噪比改善量
Figure BDA0001484868740000062
高出多倍。而且成像面积可以很大，成像速度很快。

Claims (4)

1.一种3阶循环S采样矩阵编码模板，其由表面具有金属镀膜的透明基板构成，所述金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按3阶循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值，以1表示存在小孔，0表示不存在小孔或小孔不透光，所述亚波长小孔阵列满足奇异透光EOT特性；其特征在于：
所述3阶循环s矩阵为M行N列矩阵，M≥256，N≥256；
第1行的亚波长小孔按照101、011或者110循环重复出现的方式构成，共有N列；
第2行的亚波长小孔构成根据第1行最后一列的值对应于第1行前3列中的对应位置决定，第1行最后一列的值对应于第1行第K列，则第2行第1列的值对应于第1行第K+1列的值，K＝1、2或3，然后按照第1行的循环方式生成第2行的其他各列；
第3行的亚波长小孔构成根据第2行最后一列的值对应于第2行前3列中的对应位置决定，第2行最后一列的值对应于第2行第K列，则第3行第1列的值对应于第2行第K+1列的值，然后按照第1行的循环方式生成第3行的其他各列；
每三行为一个重复周期，后续各行均按照上述类似的方式构成。
2.如权利要求1所述的3阶循环S采样矩阵编码模板，其特征在于：
所述小孔横截面形状为圆形、三角形、正方形、梯形、C形或栅栏状，所述栅栏状为：每个小孔均由平行排列的P条矩形狭缝构成，P＝4～10，所述小孔孔径由第一条矩形狭缝和第P条矩形狭缝的距离以及矩形狭缝的长度确定；小孔垂直方向形状为梳状，每条梳齿为棱台或棱柱。
3.基于权利要求1或2所述3阶循环S采样矩阵编码模板的成像方法，其特征在于：
将样品(3)放置在透明载物片(2)上，编码模板(5)置于样品的上方且两者之间距离为光学近场距离，以截获样品上的近场光，编码模板上方依次设置显微物镜(6)和面阵探测器(7)；
光源(1)发出的光从下方经过透明载物片(2)照射样品(3)，再投射到编码模板(5)上，光的波长从紫外到太赫兹波段，显微物镜(6)与工作光波波长相适应，收集来自编码模板上亚波长小孔阵列的各个小孔的光，经面阵探测器(7)获得一帧稀疏图像；其中，编码模板不移动，面阵探测器敏感元与编码模板上亚波长小孔阵列保持固定对应位置；
所述稀疏图像用于计算机(8)采用压缩感知方法中的梯度投影算法进行重构，从而获得目标的宽视场的超分辨图像。
4.基于权利要求1或2所述3阶循环S采样矩阵编码模板的成像方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将编码模板放置在微动平台(4)上，同时编码模板置于样品的上方且两者之间距离为光学近场距离，以截获样品上的近场光，编码模板上方依次设置显微物镜和面阵探测器；光源发出的光从样品的下方照射样品，投射到编码模板上，光的波长从紫外到太赫兹波段；
(2)显微物镜收集来自编码模板上亚波长小孔阵列的各个小孔的光，经面阵探测器获得一帧稀疏图像，并记下本次操作得到的稀疏图像xy坐标值；
(3)微动平台驱动编码模板相对于样品在X方向正向移动距离d，进行步骤(2)的操作，并记下本次操作得到的稀疏图像xy坐标值，d为编码模板上小孔孔径，单位为nm；
(4)继续进行步骤(3)的操作，共计L/d-1次，得到多帧X方向稀疏图像，并记下各次操作得到的稀疏图像xy坐标值，L为编码模板上两个相邻小孔中心的间距，为d的整数倍；
(5)从步骤(2)完成后开始，微动平台驱动编码模板相对于样品在Y方向负向移动距离d，进行步骤(2)的操作，并记下本次操作得到的稀疏图像xy坐标值；
(6)继续进行步骤(5)的操作，共计L/d-1的整数次，得到多帧Y方向稀疏图像，并记下各次操作得到的稀疏图像xy坐标值；
(7)将步骤(2)以及步骤(4)、步骤(6)所得到的各帧稀疏图像用于采用梯度投影算法进行重构；
重构后的各帧图像按照xy坐标位置合成，从而得到一幅任何两个相邻像素之间没有间距的宽视场的密接超分辨图像。
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