多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統及成像方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于疊層衍射成像技術(Ptychogra曲y)領域，具體設及一種將待測待測樣 品用多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方案，提出多路復用的疊層衍射成像算法。
【背景技術】
[0002] 生物和材料科學等領域中，傳統的使用透鏡的光學成像技術無法滿足如今日益增 長的高分辨率成像的需求。運些成像技術的分辨率主要受限于透鏡的數值孔徑大小，尤其 在X射線領域中，大數值孔徑的透鏡是極其難W制造的。因此，疊層成像術作為一種新興的 無透鏡的成像技術正受到越來越多的關注。
[0003] 疊層成像技術是一種無透鏡的掃描相干衍射成像技術，通過控制照明光束或者待 測樣品，照明待測樣品上的不同位置，進而用獲得的一系列衍射圖樣進行迭代恢復出待測 樣品圖像。參見化Itramicroscopy 10(3): 187~198,1987)。疊層迭代算法本質上屬于一種 相位恢復算法，但是它又與傳統的相位恢復算法不一樣，在對每個位置的衍射分布進行相 位恢復時都進行了約束，消除了解的二義性，因此相對于傳統的相位恢復算法，收斂速度有 了一定的提高，可W較快的恢復出樣本圖像信息。
[0004] 傳統的疊層成像技術往往采用單波長照明，即使使用多波長照明來提升恢復質量 也是采用依次照明的方式，參見(Acta I^ys. Sin. Vol. 65 ,No. 1(2016)014204)，操作繁瑣， 處理周期較長；同時對光的相干性要求很高，非相干光照明一直被認為不利于衍射成像，參 見（Dong S Y，化iradkar R，Nanda P，Zheng G A 2014 Biomed.Opt.ExpressS 1757)
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種多波長同時照明的菲涅爾域非相干疊層衍射成像技術， 可W恢復不同波段下對應的待測樣品的復振幅信息，同時也能恢復不同波段的光譜權重和 不同波段下對應的不同照明探針的復振幅分布。
[0006] 本發明的技術解決方案是：
[0007] -種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統，其特別之處在于:包括沿光路 依次設置的雙寬帶分光棱鏡、空間濾波器、復消色差透鏡、探針及成像探測器;還包括激光 器，所述激光器的出射光通過雙全反射鏡垂直射入雙寬帶分光棱鏡;待測樣品位于探針和 成像探測器之間。
[000引上述激光器為=個，分別為紅光激光器、綠光激光器和藍光激光器。
[0009] 為了方便使用，采用孔徑光闊作為探針。
[0010] 上述成像探測器為面陣CCD，型號為Cool snap EZ型，單像素尺寸為6.45umX 6.45um，窗口大小為1392pixels X 1040pixels。
[0011] 上述探針距離待測樣品d = 28mm，待測樣品衍射至成像探測器的距離D = I OOmm。
[0012] 本發明還提供一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像方法，其特別之處在 于:成像過程包括W下過程：
[0013] I)采用至少一種W上的不同激光器照明；
[0014] 2)出射的激光分別經過相應的雙全反射鏡將光線調整至水平射出后通過雙寬帶 分光棱鏡合束；
[0015] 3)合束后的光線經過空間濾波器擴束，再經過復消色差透鏡準直后打到探針上；
[0016] 4)探針通過精密機械平移臺實現固定步長的掃描，對待測樣品進行疊層掃描;相 鄰兩次掃描時照射部分有交疊;使用成像探測器記錄各探針掃描位置的衍射圖像的強度信 息；
[0017] 5)將步驟4)記錄的衍射圖像強度信息代入基于疊層掃描的多路復用迭代算法，恢 復待測樣品的復振幅分布、探針的復振幅分布和光譜權重。
[0018] 上述基于疊層掃描的多路復用迭代算法詳細步驟如下：
[0019] 步驟5.1設待測樣品的復振幅分布為0m[Hx，y)]，探針的復振幅分布為Pm[r(x， y)]，光譜權重為Sc,m，其中r(x，y)為物平面笛卡爾坐標系所對應的坐標;探針掃描步長為Re = (Rx,G，Ry,G)，c = l，2，…，n，其中c為探針個數，m為波長個數;像平面笛卡爾坐標系所對應 的坐標為u(x，y);
[0020] 采用全1矩陣的評估方式分別隨機評估不同波長下對應的待測樣品復振幅分布Om [r(x，y)]、探針的復振幅分布Pm[:r(x，y)巧日光譜權重Sc,m;;
[0021] 步驟5.2結合步驟5.1評估的光譜權重Sc,m、待測樣品復振幅分布0m[r(x，y)]及探 針的復振幅分布Pm[r(x，y)]，根據公式（1)計算多波長同時照明待測樣品后所得到的出射 波的復振幅分布：
[0022]
(1)
[0023] 步驟5.3根據公式(2)使步驟5.2的出射波衍射至像面，得到待測樣品的衍射圖樣 的復振幅分布：
[0024] Ec'm[u(x，y)]=of:rt[Ec'm[:r(x，y)]] (2)
[0025] 步驟5.4保留步驟5.3中待測樣品的衍射圖樣相位信息，利用更新待測樣品的衍射 圖樣的振幅信息，得到更新后的衍射圖樣的復振幅分布：
[0026]
G)
[0027] 式中1。[11^，7)]為成像探測器所接收到的各個探針照明下所對應的待測樣品的 強度值；
[0028] 步驟5.5根據公式(4)對步驟5.4得到的更新的衍射圖樣做逆菲涅爾衍射至物面； 得到更新后的多波長同時照明待測樣品后的出射波的復振幅分布：
[00巧]Ec,m[r'(x，y)] = io打t[E'c；,m[u(x，y)]] (4)
[0030] 其中，Oht和io打t分別定義為菲涅爾衍射和逆菲涅爾衍射；
[0031] 步驟5.6根據步驟5.2得到的Ec,m[r(x，y)]和步驟5.5得到的(x，y)]利用公 式（5)和公式（6)，并采用ePIE算法的更新式，參見（Maiden AM,Rodenburg J M 2009 Ulhamicroscopy 1091256 )，更新出不同波長下對應的待測樣品的復振幅分布和探針的復 振幅分布：
[0032] 0)
[00削 胸
[0034]式中a, 0分別對應于算法的捜索步長，令a,肚勻為1，*代表復共輛計算，且 [003引
巧）
[0036] 步驟5.7根據步驟5.6得到的探針的復振幅分布更新不同波長對應的光譜權重：
[0037] Scm= 2x,y|Pm[r(x,y)] P (8)
[0038] 重復步驟5.2-5.7直到各個探針照明下成像探測器所接收的衍射圖樣的強度信息 即lE[u(x，y)]都被使用完后，視為完成了一次迭代;經過多次迭代后，當相應的步驟5.4得 到的6/。,。[11山7)]與步驟5.3得到的6。,。[11山7)]的均方誤差小于0.01時，該算法達到收 斂;收斂的條件即均方誤差的大小視具體需求而定，運里的0.03是經過多次嘗試選擇的經 驗值。均力誤差的計貸公式為：
[0039]
(9)
[0040] 當算法達到收斂后，提取多波長照明下所得到的待測樣品所對應的各個波段的復 振幅分布，進行彩色編碼即可實現待測樣品的真彩色恢復，同時也可W提高成像質量;采用 NTSC制的編碼方式，相應的編碼公式為
[0041 ]
(IO)
[0042] 實驗中，使用均方誤差MSE評價復原的質量;MSE值越小，表示復原的質量越好;計 算兩張圖片f(x，y)和g(x，y)的均方誤差計算公式如下：
[0043]
(11)
[0044] 其中，M，N分別是x，y方向的像素個數。
[0045] 上述探針直徑為3. Omm，探針移動距離為0.5mm，交疊率為83.3%。
[0046] 本發明的有益效果是：
[0047] 1、本發明的成像方案與相對應的算法，不僅能夠恢復不同波段下對應的復振幅待 測樣品，同時也能恢復不同波段的光譜權重和不同波段下對應的照明探針的復振幅分布； [004引2、本發明能夠通過獲得多波段同時照明下的衍射圖樣，恢復不同波段下對應的待 測樣品，即待測樣品的光譜響應，具有傳統疊層衍射成像不具有的多通道和多光譜的優勢；
[0049] 3、本發明通過彩色圖像編碼的方式，實現待測樣品的真彩色恢復和圖像質量的增 強。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發明的成像方法W=波長同時照明的菲涅爾域非相干疊層衍射成像的成 像光路圖。
[0051] 圖2為本發明的疊層衍射成像的多路復用算法流程圖。
[0052] 圖3a是本發明實驗過程中所用的待測樣品即成像透鏡拍攝的植物徑橫切組織。
[0053] 圖3b是本發明實驗過程中CCD接收的非相干衍射圖樣。
[0054] 圖3c是本發明實驗過程中僅用紅光照明時對應的衍射圖樣。
[0055] 圖3d是本發明實驗過程中僅用綠光照明時對應的衍射圖樣。
[0056] 圖3e是本發明實驗過程中僅用藍光照明時對應的衍射圖樣。
[0057] 圖4a是本發明實驗過程中S波長同時照明后經本發明所提出算法恢復出的紅色 波長對應的振幅圖樣。
[005引圖4b是本發明實驗過程中S波長同時照明后經本發明所提出算法恢復出的紅色 波長對應的相位圖樣。
[0059] 圖4c是本發明實驗過程中=波長同時照明后經本發明所提出算法恢復出的綠色 波長對應的振幅圖樣。
[0060] 圖4d是本發明實驗過程中S波長同時照明