CN110308117B - 衍射距离校准方法及系统和图像重建方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种衍射距离校准方法及系统和图像重建方法及系统。本发明提供的校准方法及系统，利用图像熵的方法评价相干衍射计算中重建图像的收敛性，并在校准衍射距离时通过随机相位约束来增加利用图像熵评价衍射图收敛性的准确度，因此能够精准确定衍射距离。根据校准后的精确衍射距离，应用叠层显微成像方法进行图像重建时，输入的衍射距离是无偏参数，能够极大地增强重建算法的收敛性和唯一解的约束，因此，能够显著提高叠层显微成像重建的图像分辨率，从而提高成像质量。

Description

衍射距离校准方法及系统和图像重建方法及系统
技术领域
本发明涉及相干衍射成像领域，特别是涉及一种衍射距离校准方法及系统和图像重建方法及系统。
背景技术
在相干衍射成像领域中，衍射参数的准确与否会直接影响重建图像的质量。叠层显微成像作为相干衍射成像的一个重要分支，其衍射距离的校准精度也同样关系着振幅和相位的重建结果，从而会影响重建图像的质量。但是，现有的叠层显微成像装置都是根据小孔与样品的间距及样品与探测器的间距确定衍射距离，没有考虑成像环境对衍射距离的影响，极大地影响了叠层显微成像装置的成像质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种衍射距离校准方法及系统和一阵图像重建方法及系统，能够显著提高叠层显微成像重建的图像分辨率，从而提高成像质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种衍射距离的校准方法，所述校准方法包括：
获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度；
对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；
根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数；
根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图；
计算各所述振幅分布图的图像熵；
根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准。
可选的，所述对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布，具体包括：
根据公式：
Figure BDA0002138137620000021
对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；其中，ψ(X,Y)M,N表示复振幅，I(X,Y)M,N表示衍射图强度，exp[i2πφM,N(X,Y)]表示随机相位函数。
可选的，所述根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数，具体包括：
根据公式：
Figure BDA0002138137620000022
确定校准总步数；其中，L表示总步数，D表示衍射距离区间长度，Δd表示校准步长。
可选的，所述根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图，具体包括：
将所述衍射图复振幅分布逆衍射到样品平面，获得每一步校准对应的样品平面复振幅分布；
对各所述样品平面复振幅分布进行取模运算，获得每一步校准对应的振幅分布图。
可选的，所述根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准，具体包括：
对各所述图像熵进行排序，筛选出最大的图像熵；
将图像熵最大的振幅分布图对应的衍射距离作为校准后的衍射距离，校准后的衍射距离为
Figure BDA0002138137620000023
其中，d表示校准后的衍射距离，n*表示图像熵最大的振幅分布图对应的校准步数。
一种衍射距离的校准系统，所述校准系统包括：
参数获取模块，用于获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度；
相位约束模块，用于对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；
校准步数确定模块，用于根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数；
振幅分布图确定模块，用于根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图；
图像熵计算模块，用于计算各所述振幅分布图的图像熵；
校准模块，用于根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准。
一种图像重建方法，所述图像重建方法包括：
采用所述的校准方法对叠层显微成像装置的衍射距离计算值进行校准，获得校准衍射距离；
根据所述校准衍射距离，采用叠层重建成像方法对成像目标进行图像重建。
一种图像重建系统，所述图像重建系统包括：
衍射距离校准模块，用于采用所述的校准方法对叠层显微成像装置的衍射距离计算值进行校准，获得校准衍射距离；
成像模块，用于根据所述校准衍射距离，采用叠层重建成像方法对成像目标进行图像重建。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的衍射距离的校准方法包括：获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度；对衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数；根据衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图；计算各振幅分布图的图像熵；根据各图像熵的大小对衍射距离计算值进行校准。本发明提供的校准方法及系统，利用图像熵的方法评价相干衍射计算中重建图像的收敛性，并在校准衍射距离时通过随机相位约束来增加利用图像熵评价衍射图收敛性的准确度，因此能够精准确定衍射距离。根据校准后的精确衍射距离，应用叠层显微成像方法进行图像重建时，输入的衍射距离是无偏参数，能够极大地增强重建算法的收敛性和唯一解的约束，因此，能够显著提高叠层显微成像重建的图像分辨率，从而提高成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种衍射距离的校准方法的流程图；
图2为本发明实施例2提供的一种衍射距离的校准系统的结构框图；
图3为本发明实施例3提供的一种图像重建方法的流程图；
图4为本发明实施例4提供的一种图像重建系统的结构框图；
图5为叠层显微成像光学系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的图像重建方法的实施流程图；
图7为本发明实施例提供的成像误差对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种衍射距离校准方法及系统和一阵图像重建方法及系统，能够显著提高叠层显微成像重建的图像分辨率，从而提高成像质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1提供的一种衍射距离的校准方法的流程图。如图1所示，所述校准方法包括：
步骤101：获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度。
步骤102：对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；具体包括：所述对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布，具体包括：
根据公式：
Figure BDA0002138137620000051
对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；其中，ψ(X,Y)M,N表示复振幅，I(X,Y)M,N表示衍射图强度，exp[i2πφM,N(X,Y)]表示随机相位函数。
步骤103：根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数；具体包括：
根据公式：
Figure BDA0002138137620000052
确定校准总步数；其中，L表示总步数，D表示衍射距离区间长度，Δd表示校准步长。
步骤104：根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图；具体包括：
将所述衍射图复振幅分布逆衍射到样品平面，获得每一步校准对应的样品平面复振幅分布；
对各所述样品平面复振幅分布进行取模运算，获得每一步校准对应的振幅分布图。
步骤105：计算各所述振幅分布图的图像熵。
步骤106：根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准；具体包括：
对各所述图像熵进行排序，筛选出最大的图像熵；
将图像熵最大的振幅分布图对应的衍射距离作为校准后的衍射距离，校准后的衍射距离为
Figure BDA0002138137620000061
其中，d表示校准后的衍射距离，n*表示图像熵最大的振幅分布图对应的校准步数。
本发明公开了一种面向叠层显微成像的衍射距离校准方法，该方法包括对物体进行叠层扫描得到有交叠的衍射图，任选一幅含有物体衍射信息的衍射图进行衍射距离校准。在进行衍射距离校准时，先为得到的衍射图添加一个随机相位，再将此复振幅分布在一定衍射距离范围内进行逆菲涅尔衍射，并计算其图像熵取其最大值所在的衍射距离作为校准后的精准衍射距离。该方法能够有效地将衍射距离精确到微米量级，极大地提高了衍射参数的准确度，从而能够大大改善重建图像的质量。
图2为本发明实施例2提供的一种衍射距离的校准系统的结构框图。如图2所示，所述校准系统包括：
参数获取模块201，用于获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度。
相位约束模块202，用于对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布。
校准步数确定模块203，用于根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数。
振幅分布图确定模块204，用于根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图。
图像熵计算模块205，用于计算各所述振幅分布图的图像熵。
校准模块206，用于根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准。
图3为本发明实施例3提供的一种图像重建方法的流程图。如图3所示，所述图像重建方法包括：
步骤301：采用实施例1所述的校准方法对叠层显微成像装置的衍射距离计算值进行校准，获得校准衍射距离。
步骤302：根据所述校准衍射距离，采用叠层重建成像方法对成像目标进行图像重建。
图4为本发明实施例4提供的一种图像重建系统的结构框图。如图4所示，所述图像重建系统包括：
衍射距离校准模块401，用于采用实施例1所述的校准方法对叠层显微成像装置的衍射距离计算值进行校准，获得校准衍射距离；
成像模块402，用于根据所述校准衍射距离，采用叠层重建成像方法对成像目标进行图像重建。
下面以图5所示的叠层显微成像光学系统为例，结合图6所示的图像重建方法，介绍本发明提供的图像重建方法及系统的具体实施流程。其中，叠层显微成像光学系统包括：激光器1、衰减器2、准直扩束系统3、透镜4、针孔5、被测样品6、CCD探测器7和三维电动平移台8。参数f为透镜4的焦距；△为相对于f的微小距离。具体实施流程包括：
(1)按照电动平移台8的扫描路径依次采集被测样品6的衍射图强度Ie(X,Y)M,N，e＝1,2,3…E，E是采集的被测样品衍射图的数量，[X,Y]为CCD平面坐标向量，[M，N]为衍射图Ie(X,Y)的图片像素数。
(2)任意选取一幅含有样品衍射信息的衍射图，并添加一个随机相位函数，得到衍射图的复振幅分布：
Figure BDA0002138137620000071
其中，exp[i2πφM,N(X,Y)]为随机相位函数；i表示虚数单位，Ii′(X,Y)M,N表示第i′幅衍射图的强度。
(3)针孔5与被测样品6的间距为d1，被测样品6与CCD探测器7的间距为d2，在数据重建时d1、d2为已知的实测值，d0为理论计算得到的等效衍射距离，即衍射距离计算值；
Figure BDA0002138137620000072
(4)Δd为衍射距离每次增加的步长，即校准步长，相当于透镜成像中连续调焦时每次焦距的微小增量，D为要检测的衍射距离区间长度，则待检测的衍射距离区间为
Figure BDA0002138137620000081
要检测的图像总数为
Figure BDA0002138137620000082
实际应用中，D的取值范围为20mm-50mm。
(5)根据公式：
Figure BDA0002138137620000083
获得不同校准步数的衍射距离。将不同衍射距离下，经过随机相位约束后的衍射图复振幅分布逆衍射到样品平面，取其模量得到振幅分布图：
Figure BDA0002138137620000084
其中，
Figure BDA0002138137620000085
为第n步校准后的衍射距离
Figure BDA0002138137620000086
对应的振幅分布，[x，y]为样品平面坐标向量，
Figure BDA00021381376200000811
表示逆菲涅尔衍射算子。
(6)计算各振幅分布图的图像熵，其中，振幅分布
Figure BDA0002138137620000087
的图像在点[m，n]处的灰度值在全图像所有灰度级中出现的概率值可以表示为以下形式：
Figure BDA0002138137620000088
Figure BDA0002138137620000089
图像在像素点[m，n]处的灰度值，
Figure BDA00021381376200000810
图像所有像素点的灰度值总和。
在不考虑
Figure BDA0002138137620000091
的各像素之间的相关性的情况下，可以将第n步校准对应的图像熵表示为公式(5)：
Figure BDA0002138137620000092
(7)对以固定微小的校准步长Δd连续改变衍射距离得到的从模糊到清晰再到模糊的图像序列
Figure BDA0002138137620000093
分别计算其对应的图像熵H(n)，得到在待测衍射距离区间内的图像熵的变化序列；
S＝{H(0),H(1),H(2)···H(L)} (6)
(8)定位图像熵的变化序列中的最大值位置：
Hmax(n)＝max(S) (7)
由Hmax(n)即可得到图像熵为最大值时的n的值，即图像熵最大时的校准步数。根据公式(8)可对衍射距离计算值进行校准，获得校准后的精准衍射距离为：
Figure BDA0002138137620000094
(9)将精准衍射距离带入叠层重建算法(Ptychography)中得到重建后的物体图像。图7为本发明实施例提供的成像误差对比图。其中，图7的(a)部分为校准前的成像误差，图7的(b)部分为校准后的成像误差。可见，基于校准后的衍射距离进行图像重建，能够极大地减小图像重建误差。
本发明利用图像熵的方法评价相干衍射计算中重建图像的收敛性，并将此引入叠层显微成像的重建算法中。同时，在校准衍射距离时引入了随机相位函数来增加利用图像熵评价衍射图收敛性的准确度。因此，本发明提供的图像重建方法及系统具有以下优点：
(1)无偏性：由于评价函数H(n)只有在真实等效衍射距离处有极大值，因此具有无偏性。
(2)单峰性：评价函数H(n)有且仅有一个极大值，因此具有单峰性。
(3)鲁棒性：由于引入了随机相位函数，因此评价函数H(n)具有足够的信噪比和抗噪声能力，具有较强的鲁棒性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种衍射距离的校准方法，其特征在于，所述校准方法包括：
获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度；
对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；
根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数；
根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图；
计算各所述振幅分布图的图像熵；
根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准；
所述根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准，具体包括：
对各所述图像熵进行排序，筛选出最大的图像熵；
将图像熵最大的振幅分布图对应的衍射距离作为校准后的衍射距离，校准后的衍射距离为
Figure FDA0003145197050000011
其中，d表示校准后的衍射距离，n*表示图像熵最大的振幅分布图对应的校准步数。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布，具体包括：
根据公式：
Figure FDA0003145197050000012
对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；其中，ψ(X,Y)M,N表示复振幅，I(X,Y)M,N表示衍射图强度，exp[i2πφM,N(X,Y)]表示随机相位函数。
3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数，具体包括：
根据公式：
Figure FDA0003145197050000021
确定校准总步数；其中，L表示总步数，D表示衍射距离区间长度，Δd表示校准步长。
4.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，所述根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图，具体包括：
将所述衍射图复振幅分布逆衍射到样品平面，获得每一步校准对应的样品平面复振幅分布；
对各所述样品平面复振幅分布进行取模运算，获得每一步校准对应的振幅分布图。
5.一种衍射距离的校准系统，其特征在于，所述校准系统包括：
参数获取模块，用于获取样品的衍射图强度、衍射距离计算值、校准步长和衍射距离区间长度；
相位约束模块，用于对所述衍射图强度施加随机相位约束，获得衍射图复振幅分布；
校准步数确定模块，用于根据衍射距离区间长度和校准步长确定校准总步数；
振幅分布图确定模块，用于根据所述衍射图复振幅分布确定每一步校准对应的振幅分布图；
图像熵计算模块，用于计算各所述振幅分布图的图像熵；
校准模块，用于根据各所述图像熵的大小对所述衍射距离计算值进行校准；
所述校准模块，具体包括：
最大图像熵子模块，用于对各所述图像熵进行排序，筛选出最大的图像熵；
校准子模块，用于将图像熵最大的振幅分布图对应的衍射距离作为校准后的衍射距离，校准后的衍射距离为
Figure FDA0003145197050000031
其中，d表示校准后的衍射距离，n*表示图像熵最大的振幅分布图对应的校准步数。
6.一种图像重建方法，其特征在于，所述图像重建方法包括：
采用权利要求1-4任一项所述的校准方法对叠层显微成像装置的衍射距离计算值进行校准，获得校准衍射距离；
根据所述校准衍射距离，采用叠层重建成像方法对成像目标进行图像重建。
7.一种图像重建系统，其特征在于，所述图像重建系统包括：
衍射距离校准模块，用于采用权利要求1-4任一项所述的校准方法对叠层显微成像装置的衍射距离计算值进行校准，获得校准衍射距离；
成像模块，用于根据所述校准衍射距离，采用叠层重建成像方法对成像目标进行图像重建。
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