一种计算相位成像方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种计算相位成像方法及系统，采集照明光束入射样品后的包含噪声的远场衍射光强，采用相干衍射成像方法对样品和照明光束复振幅信息进行迭代重构，对迭代过程施加动态激活函数，用于抑制噪声对计算收敛的扰动，具备跳出局部最优陷阱能力，最终获得全局最优解。本发明专利技术解决了现有相位计算成像方法在噪声扰动下成像分辨率损失严重、算法不收敛等技术问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种计算相位成像方法及系统


[0001]本专利技术涉及计算成像
，更具体地，涉及一种计算相位成像方法及系统。

技术介绍

[0002]计算显微成像技术是先进制造、精密测量及生物医学等领域中最为重要的一种先进成像方法。计算成像技术充分挖掘光与物质作用时成像光学多维度信息，诸如通过光谱、相位、偏振、相干、衍射等多纬度光学信息，借助数值计算方法和计算机超快计算能力，实现照明和样品的快速精密计算成像。计算成像方法突破了传统光场显微镜数值孔径下的衍射极限，可实现高精密、高速度计算显微成像。
[0003]在实际应用场景下，由于受光学探测器采样噪声、样品台位置扰动、照明光源指向稳定误差等综合扰动噪声的影响，用于计算成像的原始采样数据夹杂了诸多扰动噪声，计算成像分辨率和成像效率严重受损。近年以来，许多先进的计算成像方法逐步提出，并取得了广泛的科研关注，诸如叠层衍射成像算法、X射线断层扫描算法等。此类计算成像方法对采样微弱噪声具备一定的鲁棒性，但是当复杂噪声场景下，此类方法通常情况下难以收敛至全局最优解。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中存在的技术问题，提供一种计算相位成像方法及系统，通过对计算成像迭代更新过程中施加动态激活函数，提高算法在复杂噪声场景下的收敛鲁棒性，提升算法跳出局部最优陷阱的能力，加速收敛至全局最优，由此解决了现有计算成像算法噪声鲁棒性低、收敛精度差等技术问题。
[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了一种计算相位成像方法，包括：
[0006]步骤1，基于照明光束及所述照明光束入射到样品的当前待测位置，获取所述样品的近场出射波分布和远场衍射光强分布；
[0007]步骤2，基于所述远场衍射光强分布，对所述近场出射波分布进行迭代求解，获取每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数；
[0008]步骤3，基于所述每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数，计算每一次迭代更新后的出射波增量梯度残差ε，当ε小于设定阈值时，执行步骤4；否则，执行步骤2；
[0009]步骤4，基于动态正则函数对步骤2中获取的迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数进行优化，基于优化后的样品函数和照明函数，重复执行步骤2至步骤4，直至所述出射波增量梯度残差ε和迭代更新后的远场衍射光强分布与步骤1中所述远场衍射光强分布之间的均方差MSE均小于设定阈值，迭代终止，求得当前待测位置的样品函数和照明函数。
[0010]根据本专利技术的第二方面，提供一种计算相位成像系统，包括：
[0011]获取模块，用于基于照明光束及所述照明光束入射到样品的当前待测位置，获取
所述样品的近场出射波分布和远场衍射光强分布；
[0012]迭代求解模块，用于基于所述远场衍射光强分布，对所述近场出射波分布进行迭代求解，获取每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数；
[0013]计算模块，用于基于所述每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数，计算每一次迭代更新后的出射波增量梯度残差ε；
[0014]判断模块，用于当ε小于设定阈值时，执行所述优化模块；否则，执行所述迭代求解模块；
[0015]优化模块，基于动态正则函数对所述迭代更新模块获取的迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数进行优化，基于优化后的样品函数和照明函数，重复执行所述迭代求解模块、所述计算模块和所述判断模块，直至所述出射波增量梯度残差ε和迭代更新后的远场衍射光强分布与步骤1中所述远场衍射光强分布的均方差MSE均小于设定阈值，迭代终止，求得当前待测位置的样品函数和照明函数。
[0016]根据本专利技术的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现计算相位成像方法的步骤。
[0017]根据本专利技术的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现计算相位成像方法的步骤。
[0018]本专利技术提供的一种计算相位成像方法及系统，采集照明光束入射样品后的包含噪声的远场衍射光强，采用相干衍射成像方法对样品和照明光束复振幅信息进行迭代重构，对迭代过程施加动态激活函数，用于抑制噪声对计算收敛的扰动，具备跳出局部最优陷阱能力，最终获得全局最优解。本专利技术解决了现有相位计算成像方法在噪声扰动下成像分辨率损失严重、算法不收敛等技术问题。
附图说明
[0019]图1为本专利技术提供的一种计算相位成像方法流程图；
[0020]图2为照明光束入射采集装置示意图；
[0021]图3为样品函数和照明函数的求解结果示意图；
[0022]图4为本专利技术提供的一种计算相位成像系统的结构示意图；
[0023]图5为本专利技术提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
[0024]图6为本专利技术提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
[0025]附图中，各标号所代表的名称如下：
[0026]201、照明光束，202、样品，203、近场出射波分布，204、夫琅禾费远场衍射，205、远场衍射光强分布，301、样品函数的振幅，302、样品函数的相位，303、照明函数的振幅，304、照明函数的相位。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外，
本专利技术提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。
[0028]基于现有技术中计算成像算法噪声鲁棒性低、收敛精度差等技术问题，本专利技术提出了一种计算相位成像方法，参见图1，该计算相位成像方法主要包括以下步骤：
[0029]步骤1，照明光束入射到样品待测位置j，获取样品的近场出射波分布ψ
jr
和远场衍射光强分布I
ju
，j表示所述待测位置的序号，j＝1,2,...,J,J为自然数。
[0030]作为实施例，所述步骤1，照明光束入射到样品当前待测位置j，获取样品的近场出射波分布ψ
jr
和采集样品的远场衍射光强分布I
ju
，包括：基于样品当前待测位置j的样品函数O
jr
和照明函数P
jr
，获取当前待测位置样品的近场出射波分布ψ
jr
，ψ
jr
＝P
jr
·
Q
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算相位成像方法，其特征在于，包括：步骤1，基于照明光束及所述照明光束入射到样品的当前待测位置，获取所述样品的近场出射波分布和远场衍射光强分布；步骤2，基于所述远场衍射光强分布，对所述近场出射波分布进行迭代求解，获取每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数；步骤3，基于所述每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数，计算每一次迭代更新后的出射波增量梯度残差ε，当ε小于设定阈值时，执行步骤4；否则，执行步骤2；步骤4，基于动态正则函数对步骤2中获取的迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数进行优化，基于优化后的样品函数和照明函数，重复执行步骤2至步骤4，直至所述出射波增量梯度残差ε和迭代更新后的远场衍射光强分布与步骤1中所述远场衍射光强分布之间的均方差MSE均小于设定阈值，迭代终止，求得当前待测位置的样品函数和照明函数。2.根据权利要求1所述的计算相位成像方法，其特征在于，所述步骤1，基于照明光束及所述照明光束入射到样品当前待测位置，获取所述样品的近场出射波分布和远场衍射光强分布，包括：基于所述当前待测位置的样品函数和照明函数，获取当前待测位置样品的近场出射波分布；基于夫琅禾费衍射法采集样品当前待测位置的远场衍射光强分布。3.根据权利要求1所述的计算相位成像方法，其特征在于，所述远场衍射光强分布为包含噪声的衍射光强，所述噪声包括探测器噪声、样品抖动噪声和光源退相干噪声中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的计算相位成像方法，其特征在于，所述步骤2，基于样品的所述远场衍射光强分布，对所述近场出射波分布进行迭代求解，获取每一次迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数，包括：根据所述远场衍射光强分布，基于傅里叶投影变换，对所述近场出射波分布进行迭代更新，获取更新后的近场出射波分布；根据更新前的所述近场出射波分布和所述更新后的近场出射波分布，基于相干衍射成像算法对当前迭代更新前的样品函数和照明函数进行更新，获取当前迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数。5.根据权利要求4所述的计算相位成像方法，其特征在于，所述根据所述远场衍射光强分布，基于傅里叶投影变换，对所述近场出射波分布进行迭代更新，获取更新后的近场出射波分布，包括：其中，O
jr
和P
jr
为迭代更新前的样品函数和照明函数，FFT表示快速傅里叶变换，FFT
‑1表示快速傅里叶逆变换；j表示照明光束P
jr
入射样品第j处的待测位置，Ψ
ju
为近场出射波分布ψ
jr
的频域表示，即迭代更新后的远场衍射光强分布，ψ
′
jr
为迭代更新后的近场出射波分
布，为第j处的远场衍射光强分布；所述根据更新前的所述近场出射波分布和所述更新后的近场出射波分布，基于相干衍射成像算法对当前迭代更新前的样品函数和照明函数进行更新，获取当前迭代更新后当前待测位置的样品函数和照明函数，包括：其中：其中，O
′
jr
和P
′
jr
分别为每一次迭代更新后的样品函数和照明函数，w
o
和w
P
分别是O
′
jr
和P
′
jr
的更新权重因子，取值范围为(0，1)的区间常数，O
jr
和P
jr
为更新前的样品函...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世元，谷洪刚，陈创创，李仲禹，
申请(专利权)人：上海精测半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：