一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，是一種用于提供圖像數(shù)據(jù)的方法。該方法利用采集的相關(guān)聯(lián)衍射圖像重構(gòu)目標(biāo)物體的區(qū)域的相關(guān)信息。該方法步驟包括：獲取目標(biāo)圖像，直到采集足夠的相關(guān)聯(lián)圖像；通過(guò)增強(qiáng)型重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)迭代引擎(ePIE)獲得目標(biāo)對(duì)象對(duì)于時(shí)間平均的重構(gòu)；以重構(gòu)全部時(shí)間序列的目標(biāo)對(duì)象及探針函數(shù)為目標(biāo)，改變初始輸入，通過(guò)增強(qiáng)型重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)迭代引擎(ePIE)最終獲得結(jié)果。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中存在的包括重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)(Ptychography)以及很多其他成像技術(shù)，都只能夠重建靜態(tài)的目標(biāo)對(duì)象的信息問(wèn)題本發(fā)明能夠獲得目標(biāo)對(duì)象的時(shí)間分辨的重構(gòu)。
【專利說(shuō)明】一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及重構(gòu)目標(biāo)對(duì)象的方法，可從一組 相關(guān)聯(lián)的圖像重構(gòu)生成目標(biāo)對(duì)于時(shí)間的演化。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于得出目標(biāo)對(duì)象的空間信息的成像技術(shù)有多種，使用重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù) (Ptychography)，可實(shí)現(xiàn)的分辨率是理論上的波長(zhǎng)限制的許多倍，并且能夠避免光學(xué)系統(tǒng) 中通常透鏡引入的像差和不穩(wěn)定性。傳統(tǒng)掃描透射成像需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)完成圖像，并 且僅能測(cè)量檢測(cè)器處的總散射強(qiáng)度，而非相位信息，而重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)則 能夠以很少的時(shí)間完成對(duì)圖像的采集，較少系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響，并使用迭代的方式還原 目標(biāo)對(duì)象的若干信息。
[0003] 在國(guó)際申請(qǐng)專利W0 2005/106531中，公開(kāi)了一種獲取圖像的方法和裝 置，用于重構(gòu)目標(biāo)對(duì)象（下面有些地方稱為樣品）的相位信息，稱之為重疊關(guān)聯(lián)成 像術(shù)（Ptychography)。同時(shí)，W0 2005/106531中還公布了使用通過(guò)移動(dòng)探針函數(shù) (Probe Function)獲得的圖像對(duì)目標(biāo)對(duì)象的重建方法，稱為重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)迭代引擎 (Ptychography Iteration Engine, PIE)。重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)的具體方法是利用待測(cè)對(duì)象在 散焦（defocus)的條件下，由至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)由目標(biāo)對(duì)象散射的在一定遠(yuǎn)處的強(qiáng)度。 用于形成這樣的圖像的方法稱為重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)。
[0004] 在國(guó)際申請(qǐng)專利W0 2010/064051中，公布了增強(qiáng)型重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)迭代引擎 (enhanced Ptychography Iteration Engine, ePIE)。其特征在于可以未知探針函數(shù)（Probe Function)，而通過(guò)估算初始值，并在迭代中逐步計(jì)算出來(lái)。增強(qiáng)型重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)迭代引 擎提供這樣的技術(shù)，用一組衍射圖案的測(cè)量，恢復(fù)所涉及區(qū)域的目標(biāo)對(duì)象的若干特征。利用 已知或者未知的探針函數(shù)與探測(cè)所得的相關(guān)圖像，通過(guò)每一次迭代，更新目標(biāo)對(duì)象與探針 函數(shù)。
[0005] 在國(guó)際申請(qǐng)專利W0 2008/142360, W0 2012/038749中，公開(kāi)了一種構(gòu)造三維目標(biāo) 對(duì)象區(qū)域的方法，該方法通過(guò)迭代過(guò)程確定目標(biāo)對(duì)象內(nèi)相應(yīng)深度處目標(biāo)對(duì)象的若干特征。 該方法與重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)享有相同的技術(shù)基礎(chǔ)。
[0006] 但通常，包括重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)以及很多其他成像技術(shù)，都僅僅只 能夠重建靜態(tài)的目標(biāo)對(duì)象的信息，不能對(duì)動(dòng)態(tài)的目標(biāo)對(duì)象的信息進(jìn)行重建。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 1.要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的包括重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)以及很多其他成像 技術(shù)，都只能夠重建靜態(tài)的目標(biāo)對(duì)象的信息問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成 像術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)改進(jìn)迭代方式，得到時(shí)間分辨的重構(gòu)對(duì)象信息。
[0009] 2.技術(shù)方案
[0010] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0011] 一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，其步驟如下：
[0012] (1):通過(guò)重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)所表示的獲取圖像方法獲取一組圖像，并確定對(duì)應(yīng)采集 時(shí)間點(diǎn)，同時(shí)記錄下探針函數(shù)對(duì)應(yīng)原點(diǎn)的位移；
[0013] (2):確定一組重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的重構(gòu)時(shí)間區(qū)間；
[0014] (3):利用一種構(gòu)造三維目標(biāo)對(duì)象區(qū)域的方法完成對(duì)目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的重 構(gòu)，結(jié)果作為后續(xù)步驟的初值；
[0015] (4):對(duì)于單個(gè)重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的重構(gòu)；
[0016] (5):重復(fù)步驟（4)，獲得所有重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)的目標(biāo)對(duì)象及探針函數(shù)的重構(gòu)，組合得 到目標(biāo)對(duì)象及探針函數(shù)對(duì)時(shí)間分辨的重構(gòu)。
[0017] 優(yōu)選地，所述的步驟（2)進(jìn)一步包括以下步驟：
[0018] (2. 1)確定一組重構(gòu)時(shí)間點(diǎn){h，t2··· tM}，滿足& < t2 <…< tM，以及一個(gè)時(shí)間 區(qū)間[_τ1, τ 2]，使在每一個(gè)重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間內(nèi)均存在兩個(gè)或兩個(gè)以上采集時(shí) 間點(diǎn)；
[0019] (2. 2)將滿足條件trr e [tm_ τ 1，tm+ τ 2]的下標(biāo)重新組合為一個(gè)集合，這一集合 所對(duì)應(yīng)的圖像將用于步驟（4)，其中1 < m < Μ。
[0020] 優(yōu)選地，所述的步驟（4)進(jìn)一步包括以下步驟：
[0021] 步驟（4. 1):將步驟（3)的結(jié)果，作為目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的初始條件；
[0022] 步驟（4.2):使用采集的圖像中的一幅更新目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)，并計(jì)算均方 根誤差；
[0023] 步驟（4.3):重復(fù)步驟（4.2)，直到使用完所有的圖像，并計(jì)算均方根誤差對(duì)所用 圖像的平均值；這些圖像所需滿足的條件在步驟（2.2)中給出；
[0024] 步驟（4. 4):重復(fù)步驟（4. 2)-(4. 3)，直到獲得需要的目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的更 新。
[0025] 優(yōu)選地，所述的步驟（4. 2)進(jìn)一步包括以下步驟：
[0026] 步驟（4.2. 1):采用分層的方式，對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行切片分層，將三維的目標(biāo)對(duì)象分 成S層的準(zhǔn)二維目標(biāo)對(duì)象，目標(biāo)對(duì)象的第一層切片的前表面的波函數(shù)等于當(dāng)前更新的探針 函數(shù)；
[0027] 步驟（4.2.2):利用現(xiàn)階段重構(gòu)的目標(biāo)對(duì)象，獲取波函數(shù)在所有目標(biāo)對(duì)象切片前 表面以及后表面的波函數(shù)；
[0028] 步驟（4. 2. 3):利用圖像的模量替換在探測(cè)平面的波函數(shù)的模量，并計(jì)算均方根 誤差；
[0029] 步驟（4. 2. 4):利用步驟（3. 2. 2)獲得的數(shù)據(jù)，使用一種構(gòu)造三維目標(biāo)對(duì)象區(qū)域的 方法更新算符，更新目標(biāo)對(duì)象以及各切片前后表面的波函數(shù)；
[0030] 步驟（4. 2. 5):更新的探針函數(shù)等于目標(biāo)對(duì)象在第一層切片的前表面的波函數(shù)。
[0031] 3.有益效果
[0032] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0033] (1)相對(duì)于通常的重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)只能夠重建靜態(tài)的目標(biāo)對(duì)象 的若干信息，本發(fā)明能夠獲得目標(biāo)對(duì)象的時(shí)間分辨的重構(gòu)；
[0034] (2)相比于傳統(tǒng)掃描透射成像需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)完成圖像，基于重疊關(guān)聯(lián)成像 術(shù)（Ptychography)只需在較少的位置采集圖像，從而能夠在重構(gòu)的樣品信息中獲得更高 的時(shí)間分辨率，并減少長(zhǎng)時(shí)間輻照對(duì)目標(biāo)對(duì)象的破壞，同時(shí)獲得重構(gòu)的若干信息，例如相 位。重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)在實(shí)現(xiàn)時(shí)，往往需要采取近百?gòu)垐D像，本方法將進(jìn)一 步增加重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)的時(shí)間分辨能力；
[0035] (3)現(xiàn)在的光學(xué)，X射線以及電子光學(xué)出現(xiàn)一種傾向，利用單發(fā)射技術(shù)，通常是使 用超快的脈沖信號(hào)源發(fā)射單個(gè)光子或是電子脈沖，然后從獲取的圖像中分析出想要的信 息。如果，要求提高這種技術(shù)的分辨能力，將其與重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)相結(jié)合，那么采集近百?gòu)?圖像所耗時(shí)間將與超快的時(shí)間分辨相違背。本發(fā)明可能提供解決兩者結(jié)合的方法；
[0036] (4)對(duì)于快速連續(xù)變化的目標(biāo)對(duì)象，原本的重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)（Ptychography)在變 化區(qū)域可能帶來(lái)過(guò)多的人工結(jié)構(gòu)（Artifact)，而本方法相比原本的重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)提高了 時(shí)間分辨，在一定程度上能夠減少重構(gòu)時(shí)人工結(jié)構(gòu)（Artifact)的出現(xiàn)；
[0037] (5)本發(fā)明不僅可以對(duì)二維還可以對(duì)三維的圖像進(jìn)行時(shí)間上的重構(gòu)，只需要少數(shù) 的成像時(shí)間對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1為圖像重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)為一層時(shí)實(shí)現(xiàn)方式示意圖；
[0039] 圖2為三維模式的重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)實(shí)現(xiàn)方式示意圖；
[0040] 圖3為時(shí)間分辨中重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)選取示意圖；
[0041] 圖4為時(shí)間分辨中單個(gè)重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)的重構(gòu)流程圖。
[0042] 圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明：
[0043] 1 :福射傳播路徑；2 :福射平移；3 :目標(biāo)樣品前表面；4 :目標(biāo)樣品后表面；5 :散焦； 6 :目標(biāo)對(duì)象；7 :探測(cè)平面；8 :切片間距；9 :輻射真空傳播區(qū)；10 :三維目標(biāo)對(duì)象第二層切片 位置前表面；11 :三維目標(biāo)對(duì)象第二層切片位置后表面；12 :目標(biāo)對(duì)象最后切片后表面；13 : 目標(biāo)對(duì)象后表面與探測(cè)平面位置；14 :采集時(shí)間點(diǎn)；15 :重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)周圍較早的區(qū)間；16 : 重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)周圍較晚的區(qū)間。

【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步地解釋說(shuō)明。實(shí)施 例中的數(shù)據(jù)采用matlab程序進(jìn)行編程和計(jì)算。
[0045] 一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，步驟如下：
[0046] (1):通重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)所表示的獲取圖像方法獲取一組R個(gè)圖像

【權(quán)利要求】
1. 一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，其步驟如下： (1) :通過(guò)重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)所表示的獲取圖像方法獲取一組圖像，并確定對(duì)應(yīng)采集時(shí)間 點(diǎn)，同時(shí)記錄下探針函數(shù)對(duì)應(yīng)原點(diǎn)的位移； (2) :確定一組重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的重構(gòu)時(shí)間區(qū)間； (3) :利用一種構(gòu)造三維目標(biāo)對(duì)象區(qū)域的方法完成對(duì)目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的重構(gòu)，結(jié) 果作為后續(xù)步驟的初值； (4) :對(duì)于單個(gè)重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的重構(gòu)； (5) :重復(fù)步驟（4)，獲得所有重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)的目標(biāo)對(duì)象及探針函數(shù)的重構(gòu)，組合得到目 標(biāo)對(duì)象及探針函數(shù)對(duì)時(shí)間分辨的重構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，其特征在于，所述的步驟（2) 進(jìn)一步包括以下步驟： (2. 1)確定一組重構(gòu)時(shí)間點(diǎn){tp t2. . . tM}，滿足心< t2 < . . · < tM，以及一個(gè)時(shí)間區(qū) 間[_τ1, τ 2]，使在每一個(gè)重構(gòu)時(shí)間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間內(nèi)均存在兩個(gè)或兩個(gè)以上采集時(shí)間 占 . (2. 2)將滿足條件e [tm_ τ 1，tm+ τ 2]的下標(biāo)重新組合為一個(gè)集合,這一集合所對(duì) 應(yīng)的圖像將用于步驟（4)，其中1彡m彡Μ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，其特征在于，所述的步驟（4) 進(jìn)一步包括以下步驟： 步驟（4. 1):將步驟（3)的結(jié)果，作為目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的初始條件； 步驟（4.2):使用采集的圖像中的一幅更新目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)，并計(jì)算均方根誤 差； 步驟（4.3):重復(fù)步驟（4. 2)，直到使用完所有的圖像，并計(jì)算均方根誤差對(duì)所用圖像 的平均值；這些圖像所需滿足的條件在步驟（2. 2)中給出； 步驟（4.4):重復(fù)步驟（4. 2)-(4. 3)，直到獲得需要的目標(biāo)對(duì)象以及探針函數(shù)的更新。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種時(shí)間分辨重疊關(guān)聯(lián)成像術(shù)，其特征在于，所述的步驟 (4.2)進(jìn)一步包括以下步驟： 步驟（4.2. 1):采用分層的方式，對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行切片分層，將三維的目標(biāo)對(duì)象分成S 層的準(zhǔn)二維目標(biāo)對(duì)象，目標(biāo)對(duì)象的第一層切片的前表面的波函數(shù)等于當(dāng)前更新的探針函 數(shù)； 步驟（4.2.2):利用現(xiàn)階段重構(gòu)的目標(biāo)對(duì)象，獲取波函數(shù)在所有目標(biāo)對(duì)象切片前表面 以及后表面的波函數(shù)； 步驟（4. 2. 3):利用圖像的模量替換在探測(cè)平面的波函數(shù)的模量，并計(jì)算均方根誤差； 步驟（4. 2. 4):利用步驟（3. 2. 2)獲得的數(shù)據(jù)，使用一種構(gòu)造三維目標(biāo)對(duì)象區(qū)域的方法 更新算符，更新目標(biāo)對(duì)象以及各切片前后表面的波函數(shù)； 步驟（4.2.5):更新的探針函數(shù)等于目標(biāo)對(duì)象在第一層切片的前表面的波函數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N23/04GK104155320SQ201410419950
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】王鵬, 高斯 申請(qǐng)人:南京大學(xué)