[发明专利]基于压缩感知的电子图像编码方法、编码装置及生成装置

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的电子图像编码方法、编码装置及生成装置，属于压缩感知成像领域，方法包括：在样品表面射入电子束，以生成包含样品结构信息的电子斑；利用金属掩模板对电子斑进行编码，得到编码的电子图像信号；其中，金属掩模板包括采用伪随机二值矩阵分布的镂空像元和非镂空像元，分别对应数字0和1，非镂空像元中的各处均连通，电子斑到达金属掩模板时，部分电子斑通过镂空像元后输出，其余电子斑被非镂空像元阻挡，以对电子斑进行编码。直接对电子显微成像中的电子斑进行编码和压缩采样，在电子显微成像领域实现压缩感知成像，极大地降低采样时间并减少存储空间，从而将压缩感知成像技术应用于超快电子显微成像。

技术领域

本发明属于压缩感知成像领域，更具体地，涉及一种基于压缩感知的电子图像编码方法、编码装置及生成装置。

背景技术

在时间尺度为纳秒到飞秒的超快成像领域，成像帧率需要Gfps量级或更高。因此，必须极大地减小采样率，才可能实现Gfps量级及以上的帧率要求，且需要压缩存储空间，才能实现在较低带宽条件下的大量数据的传输。压缩感知也称为压缩采样或稀疏采样，能够以远小于Nyquist采样率对具有稀疏特性的信息进行随机采样，以获取信号的离散样本，并通过非线性重建算法完美地重建信号。压缩感知可以极大地降低采样时间并减少存储空间，为超快成像提供了技术上的可行性。

目前，通常使用超快条纹相机观测超快过程。超快条纹相机工作过程中，光场照射条纹相机的光电阴极按照光强分布产生对应强度的光电子分布，光电子经过电极加速，在向荧光屏传播的过程中受到垂直于传播方向的横向时变电压加速，使得不同时间下在条纹管里传播的光电子在横向偏转不同的距离，偏转距离正比于光电子的产生时间。因此，不同时刻入射光场的光电子在荧光屏上不同的横向位置处抵达，光电子的时间线形转换成了荧光屏上位置的空间线形。为了保证时间分辨率，需要将条纹相机的入射狭缝调得很窄，这会极大限制视场角。如果需要观测二维空间分布的超快现象，就必须对光电子的横向偏转方向进行扫描，这要求所观测过程是可逆的。将压缩感知和超快条纹相机技术结合起来，可解决超快条纹相机时间分辨率与视场限制的矛盾，实现超快压缩感知成像，在单脉冲辐照下对二维空间的超快现象进行高时间分辨成像。

然而，超快压缩感知成像技术通常用于观测瞬态的光学现象，尚未在超快电子显微成像领域应用。在超快电子显微成像领域，如超快电子衍射和四维电子显微镜中，脉冲的电子信号直接作用于发生瞬态现象的样品上，而后通过电子成像系统记录具有时间分辨的电子图像信息，均未实现超快电子显微成像领域的压缩感知成像，也存在时间分辨率与视场限制的矛盾。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于压缩感知的电子图像编码方法、编码装置及生成装置，其目的在于直接对电子显微成像中的电子斑进行编码和压缩采样，在电子显微成像领域实现压缩感知成像，极大地降低采样时间并减少存储空间，从而将压缩感知成像技术应用到超快电子显微成像。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于压缩感知的电子图像编码方法，包括：S1，在样品表面射入电子束，以生成包含样品结构信息的电子斑；S2，利用金属掩模板对所述电子斑进行编码，得到编码的电子图像信号；其中，所述金属掩模板包括采用伪随机二值矩阵分布的镂空像元和非镂空像元，分别对应数字0和1，所述非镂空像元中的各处均连通，所述电子斑到达所述金属掩模板时，部分电子斑通过所述镂空像元后输出，其余电子斑被所述非镂空像元阻挡，以对所述电子斑进行编码。

更进一步地，所述S1之前还包括：S0′，生成伪随机二值掩模矩阵，并将所述伪随机二值掩模矩阵中的孤岛连通，以形成连通掩模矩阵；S0″，将所述连通掩模矩阵中与矩阵连通性不相关的1值元素置0，使得0、1比例在目标范围内，得到目标掩模矩阵，然后加工生成与所述目标掩模矩阵对应的金属掩模板。

更进一步地，所述S0′中的连通操作包括：分别在每一所述孤岛中随机选取一个1值元素，从串联连接选取的1值元素的多条路径中筛选出最短路径；将所述最短路径上的0值元素置1，以连通各所述孤岛，形成连通掩模矩阵。