本實用新型屬于疊層衍射成像技術(Ptychography)領域，具體涉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：

生物和材料科學等領域中，傳統(tǒng)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。這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以制造的。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。

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(Ultramicroscopy 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(tǒng)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(tǒng)的相位恢復算法，收斂速度有了一定的提高，可以較快的恢復出樣本圖像信息。

傳統(tǒng)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 Phys.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,Shiradkar R,Nanda P,Zheng G A2014Biomed.Opt.Express5 1757)

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型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，可以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。

本實用新型的技術解決方案是：

一種多波長同時照明的非相干疊層衍射成像系統(tǒng)，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；待測樣品位于探針及成像探測器之間。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。

上述激光器為三個，分別為紅光激光器、綠光激光器和藍光激光器。

為了方便使用，采用孔徑光闌作為探針。

上述成像探測器為面陣CCD，型號為Cool snap EZ型，單像素尺寸為6.45um×6.45um，窗口大小為1392pixels×1040pixels。

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＝100mm。

本實用新型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：成像過程包括以下過程：

1)采用至少一種以上的不同激光器照明；

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；

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；

4)探針通過精密機械平移臺實現(xiàn)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；

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。

上述基于疊層掃描的多路復用迭代算法詳細步驟如下：

步驟5.1設待測樣品的復振幅分布為O_m[r(x,y)]，探針的復振幅分布為P_m[r(x,y)]，光譜權重為S_c,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R_c＝(R_x,c,R_y,c),c＝1,2,…,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)；

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O_m[r(x,y)]、探針的復振幅分布P_m[r(x,y)]和光譜權重S_c,m；

步驟5.2結合步驟5.1評估的光譜權重S_c,m、待測樣品復振幅分布 O_m[r(x,y)]及探針的復振幅分布P_m[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：

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：

E_c,m[u(x,y)]＝ofrt[E_c,m[r(x,y)]] (2)

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：

式中I_c[u(x,y)]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；

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：

E_c,m[r′(x,y)]＝iofrt[E′_c,m[u(x,y)]] (4)

其中，ofrt和iofrt分別定義為菲涅爾衍射和逆菲涅爾衍射；

步驟5.6根據步驟5.2得到的E_c,m[r(x,y)]和步驟5.5得到的E_c,m[r′(x,y)]利用公式(5)和公式(6)，并采用ePIE算法的更新式，參見(Maiden A M,Rodenburg J M2009Ultramicroscopy1091256)，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：

式中α,β分別對應于算法的搜索步長，令α,β均為1,*代表復共軛計算，且

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：

S_c,m＝∑_x，y|P_m[r(x,y)]|² (8)

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I_c[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E′_c,m[u(x,y)]與步驟5.3得到的E_c,m[u(x,y)]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，這里的0.03是經過多次嘗試選擇的經驗值。均方誤差的計算公式為：

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(xiàn)待測樣品的真彩色恢復，同時也可以提高成像質量；采用NTSC制的編碼方式，相應的編碼公式為

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：

其中，M，N分別是x，y方向的像素個數。

上述探針直徑為3.0mm，探針移動距離為0.5mm，交疊率為83.3％。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型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；

2、本實用新型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(tǒng)疊層衍射成像不具有的多通道和多光譜的優(yōu)勢；

3、本實用新型通過彩色圖像編碼的方式，實現(xiàn)待測樣品的真彩色恢復和圖像質量的增強。

附圖說明

圖1為本實用新型的成像方法以三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。

圖2為本實用新型的疊層衍射成像的多路復用算法流程圖。

圖中附圖標記：1-紅光激光器；2-綠光激光器；3-藍光激光器；4-雙全反射鏡I；5-雙全反射鏡II；6-雙全反射鏡III；7-雙寬帶分光棱鏡I；8-空間濾波器；9-復消色差透鏡；10-CCD；11-雙寬帶分光棱鏡II。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的描述，在本實施例中采用三種不同的激光器照明，分別為紅光He-Ne激光器1、綠光半導體激光器2和藍光半導體激光器3。

如圖1所示，本實用新型的成像過程為：

首先采用以上三種激光器照明；出射的三束激光分別經過相應的三個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I7和雙寬帶分光棱鏡II11合束；合束后的光線經過空間濾波器8擴束，再經過復消色差透鏡9準直，再利用孔徑光闌作為探針；使激光通過探針照射在待測樣品上，通過移動帶探針的精密機械平移臺實現(xiàn)固定步長的掃描，對待測樣品進行疊層掃描；利用成像探測器記錄衍射圖像強度；使用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比例。

探針移動距離保證相鄰兩次平移時照射部分由一定面積的交疊。本實施例中所用探針直徑為3.0mm，探針移動距離為0.5mm，交疊率為83.3％；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＝100mm。成像探測器為面陣CCD(Cool snap EZ型)，單像素尺寸為6.45um×6.45um，窗口大小為1392pixels×1040pixels。

如圖2所示，為本實用新型的疊層衍射成像的多路復用算法流程圖，詳細步驟如下：

步驟1設待測樣品的復振幅分布為O_m[r(x,y)]，探針的復振幅分布為P_m[r(x,y)]，光譜權重為S_c,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R_c＝(R_x,c,R_y,c),c＝1,2,…,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)；

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O_m[r(x,y)]、探針的復振幅分布P_m[r(x,y)]和光譜權重S_c,m；

步驟2結合步驟1評估的光譜權重S_c,m、待測樣品復振幅分布O_m[r(x,y)]及探針的復振幅分布P_m[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：

步驟3根據公式(2)使步驟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：

E_c,m[u(x,y)]＝ofrt[E_c,m[r(x,y)]] (2)

步驟4保留步驟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：

式中I_c[u(x,y)]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；

步驟5根據公式(4)對步驟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：

E_c,m[r′(x,y)]＝iofrt[E′_c,m[u(x,y)]] (4)

其中，ofrt和iofrt分別定義為菲涅爾衍射和逆菲涅爾衍射；

步驟6根據步驟2得到的E_c,m[r(x,y)]和步驟5得到的E_c,m[r′(x,y)]利用公式(5)和公式(6)，并采用ePIE算法的更新式，參見(Maiden A M,Rodenburg J M 2009Ultramicroscopy1091256)，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：

式中α,β分別對應于算法的搜索步長，令α,β均為1,*代表復共軛計算，且

步驟7根據步驟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：

S_c,m＝∑_x,y|P_m[r(x,y)]|² (8)

重復步驟2-7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I_c[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4得到的E′_c,m[u(x,y)]與步驟3得到的E_c,m[u(x,y)]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，這里的0.03是經過多次嘗試選擇的經驗值。均方誤差的計算公式為：

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(xiàn)待測樣品的真彩色恢復，同時也可以提高成像質量；采用NTSC制的編碼方式，相應的編碼公式為

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：

其中，M，N分別是x，y方向的像素個數。

使用植物莖橫切組織作為樣品。直觀地將三束激光調整至約為等比例混合，CCD接收的一個衍射圖樣，它是由紅綠藍三波段分別對應的衍射圖樣非相干疊加而成，通過遮擋其它兩束光分別獲得僅用紅光、綠光及藍光照明時對應的衍射圖樣。可以看出由于非相干疊加，三波段混合后的衍射圖樣沒有各個波段對應的衍射圖樣清晰，但是三波段各自所包含的信息仍然是在其中的。

通過使用提出的多路復用迭代算法，迭代300次后恢復結果。實驗恢復的光譜比例為1:1.04:0.93，近似于等比例，與上述直觀上設計的大致相同。實際上紅綠藍三波段恢復結果為該待測樣品對應的光譜響應，可以看出除中心細節(jié)略有不同外，該待測樣品對紅綠藍三波長的光譜響應大體一致。通過彩色編碼獲得的真彩色圖像清晰度高于三波段對應的恢復結果，證明彩色編碼確實能夠提升圖像的恢復質量。從而我們不僅能夠很好地恢復待測樣品的真彩色復振幅圖像，同時也能夠獲得不同波段下的光譜響應，這對進一步對待測樣品處理，如挖掘 待測樣品詳細信息，辨別待測樣品提供了更多的可能性。

實驗中也同時恢復了各波段的復振幅探針，可以看出各個探針并不相同，這是由于不同波長的光束經過探針后的照明光束并不相同，這也說明了該算法不僅能夠恢復待測樣品，同時也能夠恢復出不同波段分別對應的復振幅探針。

在驗證本實用新型所提出的成像技術及所對應的算法過程中，我們不僅通過實驗還通過仿真對本實用新型進行了進一步的驗證，由于仿真不存在誤差，且在仿真過程中探針和光譜權重是給出的已知量，所以我們僅對待測樣品的真彩色圖樣及各波長下該待測樣品對應振幅和相位信息進行了恢復。仿真部分的具體實施方式如下：

仿真中所使用的真彩色待測樣品，仿真使用的參數如下：照明光束采用632.8nm，532nm，473nm三種波長，三波長完全等比例混合即光譜權重為1：1：1，探針掃描使用10×10的陣列，探針移動距離為12pixels，探針直徑為40pixels，交疊率為70％，衍射面上有效采樣點為128pixels×128pixels，探針緊貼物體放置，物體距CCD為50mm。通過matlab 2013軟件對上述參數所對應的裝置進行仿真，各個探針下所得到的不同波長對應的復振幅分布即圖樣不予輸出，直接代入本實用新型所提出的算法進行迭代，并得到最終的恢復結果。

在經過算法迭代300次后的恢復結果，其中待測樣品經三波長同時照明后并用該算法恢復出各個波長所對應的復振幅分布。

表1恢復結果的均方誤差

恢復結果的均方誤差如表1所示，可以看出其中最大的均方誤差僅為0.0218，滿足收斂條件，各波段恢復的光譜響應圖像質量非常好。相位圖像的質量明顯好于振幅圖像，振幅圖樣會有些偏暗，這主要是由于在數據處理中，對混合的復振幅分布中的振幅信息進行歸一化處理，從而使各波長的振幅都比較偏小，從而圖像會偏暗一些。

本實用新型通過實驗和仿真共同驗證了多波長同時照明非相干疊層衍射成 像方案的可行性。證明了該方案具有多通道和多光譜的優(yōu)勢。同時，通過彩色圖像編碼的方式，能夠實現(xiàn)待測樣品的真彩色復原和圖像質量的增強，這些是傳統(tǒng)的疊層衍射成像所不具備的。本實用新型所提出的研究結果為疊層衍射成像技術在可見光域、電子波段、X射線等領域展現(xiàn)了更多的可能性。