[发明专利]一种高分辨率衍射成像方法及装置

说明书

本发明提供一种高分辨率衍射成像方法及装置，包括：步骤S110、根据待测物体的预设透过率函数和预设照明光波函数，以及待测物体与检测器之间的距离，获取所述检测器位置处光的波函数；步骤S120、分离所述检测器位置处光的波函数得到第一振幅和第一相位；步骤S130、根据所述检测器接收到的光强度，以及所述检测器的物理像素和计算样本的尺寸对应关系对所述第一振幅进行修正得到第二振幅；步骤S140、将所述第二振幅与所述第一相位合并形成所述检测器位置处的波前估计；所述计算样本为模拟计算中一个计算像素，所述计算像素的尺寸小于所述检测器的物理像素尺寸。本发明以实现利用像素细分进一步提高重构的图像分辨率，实现弱吸收物体的高对比度高分辨率成像。

技术领域

本发明涉及光学成像技术，尤其涉及一种高分辨率衍射成像方法及装置。

背景技术

弱吸收物体的成像在科学研究和工程应用中是常面临的问题，比如活体细胞的形态检测，短波长下材料特性的测量等。目前的电子图像采集传感器只能记录光波经过物体后的强度变化，当直接应用到弱物体成像时，获得的图像对比度会很低。我们知道当光波通过物体时，除了光波吸收变化外，不同部分(组分)还会引入时延(相位)变化。然而传统的基于透镜(或反射镜)的光学成像系统无法测量到这些相位变化，这就是成像科学中的著名的＂相位问题＂。常用的获得相位的办法是泽尔尼克相衬成像方法。该方法在物镜后焦面上放置相位板，通过改变物光光谱的方式将物体引入的光波的相位变化转化为可记录的光场的强度变化。但是泽尔尼克相衬方法获得的相位信息是高度非线性的，无法对样品做严格定量的分析。全息显微成像技术是另外一种发展较为成熟的相位测量方法。该方法通过引入参考光来记录物光和参考光的干涉条纹，获得物波前的信息。参考光的使用要求该方法在具有高度灵敏度的同时，也对外界环境极为敏感，同时重构图像经常伴有伪影和较强的非均匀背景。近年来发展的相位成像技术力图解决这些问题。这些进展大体分为两类：1)相衬成像技术,包括基于波前传播,基于光栅,基于晶体,基于相位扩展片(砂纸),以及强度传递方程(Transport Intensity Equation,TIE)的方法。这类方法追求高的相位灵敏度,大的视场，和折中的亚微米分辨率。典型的应用包括昆虫，小型鱼类的三维层析成像；2)相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,CDI)。相干衍射成像是基于高级迭代算法,从衍射强度数据直接重构出物体的结构信息。这类方法中,特别引人瞩目的是过去20年里扫描相干衍射成像技术(Ptychography)的发展。相比于相衬成像(phase contrastImaging),相干衍射成像多追求原子和纳米尺度的高分辨率,常和X光或电子等短波长辐射源结合应用。扫描相干衍射成像技术是介于全场成像和扫描成像之间的一种技术方案。它使用一个有限大小的照明光扫描物体，在每个扫描点处记录二维衍射强度图样，重要的是保证相邻的扫描点间的照明区域有足够的重叠(一般照明光波面积的60％)。这个方案突破了原有方法只适用于孤立样品的限制,也适合复杂扩展样品的测量。利用相邻重叠照明区域带来的数据冗余性，被测物体的振幅和相位信息可以被Ptychographic IterativeEngine(PIE算法)算法快速准确恢复出来。该方法目前在快速发展，已经成为同步辐射装置上的主流成像技术之一。在生命科学和材料科学应用上都有广阔的前景。

对于光学成像系统，分辨率是判断系统质量的重要指标。在远场几何中,相干衍射成像方法理论分辨率由照明光波长和记录数据的最大衍射角度决定。在实际实验中,扫描相干衍射成像可实现的分辨率还受限于运动平台的位置不确定性。平移台位置误差会极大影响PIE算法获得图像的分辨率。为消除扫描台精度的影响,目前的解决方案有两种:1)在平移台上集成干涉测量装置,尽量准确地获得实际的扫描位置；2)利用记录数据的高冗余度,在重构图像的同时对扫描位置做改进估算。第二种方案中位置更新算法包括:串行相关算法、退火算法、共轭梯度算法、相似结构方法等诸多修正算法。

扫描相干衍射成像除了目前研究较多的远场实验结构,也可以在近场几何实验布局下实现。近场结构的优势包括可以获得更大的视场范围,更大的样品工作距离。然而在近场系统如何实现超像素尺寸分辨率这方面目前还缺少合适的解决方法。

发明内容