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适用于数值孔径和像素尺寸受限的高分辨率叠层成像方法

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激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 108-114页

作者：张静怡裴子豪胡友友杨忠明窦健泰江苏科技大学理学院江苏镇江212100 山东大学信息科学与工程学院山东青岛266237

叠层成像的成像分辨率会受到数值孔径和电荷耦合器件(CCD)像素尺寸的限制。CCD靶面有限则数值孔径有限,采集大光斑图像时,易丢失CCD靶面边缘的部分高频信息。此外,像素尺寸较大会导致成像时采样率不足,也会丢失部分细节高频信息。提出... 详细信息

叠层成像的成像分辨率会受到数值孔径和电荷耦合器件(CCD)像素尺寸的限制。CCD靶面有限则数值孔径有限,采集大光斑图像时,易丢失CCD靶面边缘的部分高频信息。此外,像素尺寸较大会导致成像时采样率不足,也会丢失部分细节高频信息。提出了一种高分辨率叠层成像方法,可同时处理数值孔径和CCD像素尺寸的分辨率限制问题。首先,利用外推法补充因数值孔径有限丢失的高阶衍射信息,之后将外推法重建的图像代入基于多权重损失函数的生成对抗网络中,即可快速解决像素尺寸受限问题,提高成像分辨率。多权重损失函数为均方误差、特征图误差和对抗误差的加权和。通过设置合理的权重,可以实现像素和视觉层面的均衡处理。仿真及实验结果表明,该方法在提高叠层成像系统分辨率上具有显著效果,且运算效率高。

关键词：超分辨率叠层成像外推法生成对抗网络多权重损失函数

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无透镜编码叠层显微成像原理及研究进展

激光与光电子学进展 2024年

作者：郭成飞李婧妍江劭玮邵晓鹏郑国安西安电子科技大学光电工程学院杭州电子科技大学通信工程学院西安电子科技大学杭州研究院康涅狄格大学生物医学工程系

叠层成像技术是一种近年来快速发展的相干衍射成像方法，目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用，分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码... 详细信息

叠层成像技术是一种近年来快速发展的相干衍射成像方法，目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用，分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术，具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍了无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展，分析了其成像性能，介绍了其在生物医学方面的相关应用，并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。

关键词：叠层成像编码叠层无透镜成像计算成像显微成像

无透镜编码叠层显微成像原理及研究进展（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第6期 64-81页

作者：郭成飞李婧妍江劭玮邵晓鹏郑国安西安电子科技大学杭州研究院西安电子科技大学光电工程学院杭州电子科技大学通信工程学院康涅狄格大学生物医学工程系

叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法，目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用，分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层... 详细信息

叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法，目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用，分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术，具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式，以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展，分析了其成像性能，重点介绍了其在生物医学方面的相关应用，并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。

关键词：叠层成像编码叠层无透镜成像计算成像显微成像

适用于数值孔径和像素尺寸受限的高分辨率叠层成像方法

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激光与光电子学进展 2023年

作者：张静怡裴子豪胡友友杨忠明窦健泰山东大学信息科学与工程学院江苏科技大学理学院

叠层成像(ptychography)的成像分辨率受数值孔径和CCD像素尺寸限制。CCD靶面有限则数值孔径有限，当大光斑采集图像时，CCD靶面边缘易丢失部分高频信息。此外，像素尺寸较大导致采样率不足，也会丢失部分细节高频信息。本文提出了一种... 详细信息

叠层成像(ptychography)的成像分辨率受数值孔径和CCD像素尺寸限制。CCD靶面有限则数值孔径有限，当大光斑采集图像时，CCD靶面边缘易丢失部分高频信息。此外，像素尺寸较大导致采样率不足，也会丢失部分细节高频信息。本文提出了一种高分辨率叠层成像方法，可同时处理数值孔径和CCD像素尺寸的限制问题。本方法首先利用外推法补充因数值孔径有限丢失的高阶衍射信息，之后将外推法重建的图像代入基于多权重损失函数的生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)中，即可快速解决像素尺寸受限问题，提高成像分辨率。多权重损失函数为均方误差(mean square error,MSE)、特征图误差和对抗误差的加权和，通过设置合理权重，实现像素和视觉层面的均衡处理。仿真及实验结果表明，该方法在提高叠层成像系统分辨率上具有显著效果，且运算效率高。

关键词：超分辨率叠层成像外推法生成对抗网络多权重损失函数

基于多光强限制和振幅优化的快速收敛叠层成像方法研究

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基于多光强限制和振幅优化的快速收敛叠层成像方法研究

作者：武俊超江苏科技大学

学位级别：硕士

叠层成像方法（ptychographical iterative engine,PIE）作为一种新近发展的无透镜成像方法,具有成像范围可扩展、高对比度、无标记、工作距离长、相位不丢失低频等优点,已广泛应用于X-ray成像、电子束成像、光束质量和像差测量、太赫... 详细信息

叠层成像方法（ptychographical iterative engine,PIE）作为一种新近发展的无透镜成像方法,具有成像范围可扩展、高对比度、无标记、工作距离长、相位不丢失低频等优点,已广泛应用于X-ray成像、电子束成像、光束质量和像差测量、太赫兹成像等方面的研究,PIE已逐渐成为一项极具潜力的相位成像手段。但在处理大量实验数据时,PIE需消耗大量的计算时间。虽然出现了诸多减少计算时间的方法,但进一步减少的空间依然存在,为进一步提高计算效率和缩短计算时间,本文以提高PIE收敛速度为研究核心,具体研究内容如下:一、理论基础和位置误差校正:以标量衍射理论为基础,建立PIE理论模型,探讨PIE基本属性;研究包含扫描位置和轴向距离的位置误差校正方法,建立模拟退火算法校正扫描位置误差的数学模型,以仿真和实验验证了模拟退火算法校正扫描位置误差的可行性;建立了迭代自聚焦算法校正轴向距离误差的数学模型,并以Tamura系数作为图像清晰度评价函数,以其峰值确定偏差距离,仿真和实验结果均表明,迭代自聚焦算法可有效校正轴向距离误差。二、多光强限制提高收敛速度理论和方法:提出了基于全局多光强限制的快速收敛PIE方法,该方法利用分光棱镜对经过样品的衍射光束实现轴向分离,并记录不同轴向位置处的光强,将多幅不同轴向距离处的衍射图样带入重建算法,可增强振幅和相位之间的联系,大幅度提高PIE的收敛速度,减少计算时间;在全局多光强限制的快速收敛PIE方法中,每次迭代都需增加两个CCD之间的往返迭代以及光强限制,导致全局方法的时间效率提升不明显,针对此问题提出了一种非全局多光强限制的快速收敛PIE的方法,该方法分阶段交替使用e PIE（extended ptychographical iterative engine,e PIE）方法和全局多光强限制方法,多光强阶段可约束物函数和照明光场函数向有效方向更新,进而提高收敛速度;e PIE重建阶段使用常规e PIE算法,既能保持前阶段快速收敛的趋势,又能减少CCD多次往返的衍射计算,进而可以减少计算时间。三、优化振幅限制提高收敛速度理论和方法:为不增加系统复杂度,在e PIE算法的振幅替换过程中引入随机梯度下降（stochastic gradient descent,SGD）方法,对振幅进行优化。以实际测量的振幅和计算出振幅的比值作为步长;随机选取一部分实际记录的衍射图样,并计算每个衍射图样的振幅与其相应位置处的计算波前的振幅的梯度差,组合成SGD新形式振幅限制,用于优化振幅,优化后再逆向传输回物面后,可使更新函数的更新方向更加偏于真解,使下次迭代中的物函数更加趋近于合理性,从而可提高e PIE算法的收敛速度。

关键词：相位恢复叠层成像快速收敛多光强限制随机梯度

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基于叠层成像和视觉密码的光学图像隐写

基于叠层成像和视觉密码的光学图像隐写

作者：李勇河北工程大学

学位级别：硕士

近年来,随着互联网和信息技术的快速发展,数字内容的非法获取、传播、篡改和分发问题日益严重。信息安全作为网络空间安全的重要组成部分,如何在网络传输的过程中保护信息不被非法窃取、篡改和破坏,已成为关系国家安全和经济发展的关键... 详细信息

近年来,随着互联网和信息技术的快速发展,数字内容的非法获取、传播、篡改和分发问题日益严重。信息安全作为网络空间安全的重要组成部分,如何在网络传输的过程中保护信息不被非法窃取、篡改和破坏,已成为关系国家安全和经济发展的关键问题。信息隐藏,又被称为水印或隐写术,是一种无形地改变载波信号以嵌入隐藏信息的技术。传统的数字信息隐藏方法是利用了宿主图像的冗余,将秘密图像在空间域或频域内嵌入到宿主图像中,变换成可以用于传输的载密图像。即攻击者有可能从载密图像中找到秘密图像的某些信息,并将其提取出来。传统且单一的数字信息隐藏方法不仅处理速度慢、效率低,最重要的是安全性不够高。相对而言,光信息安全技术具有并行性、处理和传输速度快、容量大等优点,并且光学系统中所涉及的相位、振幅、波长、偏振态等各种参数所提供的密钥更是大大加强了信息隐藏的安全性,可以满足人们日益增长的信息安全需求。更重要的是,在实际生活应用中,将秘密信息嵌入到宿主图像后,生成的载密图像经过开放网络信道传输时,如Facebook、Twitter、微信等社交平台,载密图像通常会遭受压缩、缩放等有损操作,在传输的过程中还可能会引入噪声,从而造成严重的图像降质和信息损失。因此,适应开放网络信道的图像信息隐藏技术不仅要追求载密图像与自然图像的不可区分,还要保证嵌入信息在遭受网络信道中可能存在的有损图像操作后的完全正确提取。本论文设计了两种融合叠层成像和视觉密码的光学图像隐写系统,实现了高安全性、强鲁棒性以及操作简单,容易实现的光学信息处理方法。论文主要的工作和研究内容如下:(1)介绍了一种理论上拥有无限大视场的叠层衍射成像技术。该技术利用记录交叠的衍射图案,通过相应的迭代算法可以重建样品的相位信息。我们通过使用叠层衍射成像技术对相位型光学元件的表面形貌进行测量,从而验证该技术的成像视场大以及识别精度高等特性。(2)提出了一种基于叠层成像与视觉密码相结合大容量无损的图像隐写系统。使用视觉密码方案将秘密信息分解后,通过空间光调制器加载到衍射光路中进行分块衍射,实现二次加密。本文通过光学实验证明了系统的可行性。(3)提出了一种基于叠层成像和衍射散斑的图像隐写系统。不同于传统视觉密码的编码方式,我们利用基于散斑的视觉密码编码方案,对通过散射体衍射得到的散斑图直接进行编码,不需加工特定的光学元件,极大的降低的信息隐写的成本。然后我们将该算法与衍射光路结合,构建了一种高度安全且容易实现的光学图像隐写系统。

关键词：叠层成像视觉密码相干衍射相位恢复隐写

具有“焦距”的无衍射波束的产生及其在太赫兹叠层成像中的应用

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具有“焦距”的无衍射波束的产生及其在太赫兹叠层成像中的应用

作者：张孟庭华中科技大学

学位级别：硕士

结构化波束是指具有特殊空间光强或相位分布的光束,其中无衍射波束是最典型的结构化波束,理论上无衍射光束在传输过程中横向光强分布保持不变,但实际实验中会发生缓慢变化。将无衍射波束应用至成像领域中,利用其无衍射特性,可扩大成像... 详细信息

结构化波束是指具有特殊空间光强或相位分布的光束,其中无衍射波束是最典型的结构化波束,理论上无衍射光束在传输过程中横向光强分布保持不变,但实际实验中会发生缓慢变化。将无衍射波束应用至成像领域中,利用其无衍射特性,可扩大成像系统的景深。贝塞尔波束作为最著名的无衍射光束,一般使用轴棱锥法产生,然而轴棱锥产生的无衍射光束起点紧贴器件,也就是无“焦距”(透镜中心至焦点之间的距离),针对这一问题,本文提出了一种透镜-轴棱锥级联结构,并发明了一种椭圆轴棱锥结构,利用两种结构均产生了具有“焦距”的无衍射光束,将其产生的无衍射光束应用至太赫兹叠层成像系统中,成功扩大了叠层成像系统的景深。全文主要的研究内容如下:(1)首先提出了透镜-轴棱锥级联结构,实验结果表明,在0.1 THz频段,该结构产生的波束中无衍射长度为412 mm,“焦距”为40.25 mm。随后设计了一种新型光学透镜结构:椭圆轴棱锥,该结构产生的波束中无衍射长度为293 mm,“焦距”为42 mm。最后利用几何光学理论对椭圆轴棱锥结构进行分析与计算。(2)基于上述两种无衍射波束,结合扩展的叠层成像引擎(extended Ptychographic Interactive Engine,e PIE)算法,在0.1 THz频段分别展开基于透镜-轴棱锥级联结构和椭圆轴棱锥结构的叠层成像仿真和实验,最终两种叠层成像系统均成功恢复出样品和探针光束的复振幅分布,且系统的纵向分辨率达到了λ/8,景深为33.33λ。全文工作围绕具有“焦距”的无衍射波束产生与其在叠层成像中的应用进行研究。结果表明,透镜-轴棱锥级联结构与椭圆轴棱锥结构产生的无衍射光束起点距器件有一定距离,将其引入太赫兹叠层成像系统后能够扩大成像系统的景深。此外,本文设计的椭圆轴棱锥为折射型元件,因此在工艺技术允许的条件下,可将其扩展至其他光学波段。

关键词：结构化波束无衍射波束太赫兹成像叠层成像景深

适用于数值孔径和像素尺寸受限的高分辨率叠层成像方法

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适用于数值孔径和像素尺寸受限的高分辨率叠层成像方法

作者：张静怡江苏科技大学

学位级别：硕士

叠层成像(ptychography)是新近发展的一种无透镜成像方法,其无需复杂的光学系统,成像分辨率不受光学透镜的限制。叠层成像具有视场大、无像差、成像范围可扩展、工作距离长等优点,已广泛应用于可见光成像、X射线和电子束成像等方面的研... 详细信息

叠层成像(ptychography)是新近发展的一种无透镜成像方法,其无需复杂的光学系统,成像分辨率不受光学透镜的限制。叠层成像具有视场大、无像差、成像范围可扩展、工作距离长等优点,已广泛应用于可见光成像、X射线和电子束成像等方面的研究。但叠层成像的成像分辨率受电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)数值孔径和像素尺寸限制,数值孔径有限时易在采集的光斑接近CCD靶面边缘时丢失部分高频信息;此外,当像素尺寸较大时也会丢失部分细节高频信息,上述两种状态下高频信息的丢失均会降低成像分辨率。本文以同时解决叠层成像分辨率受数值孔径和像素尺寸限制为研究核心,具体研究内容如下:一、基于外推法和插值法的高分辨率叠层成像方法:首先,利用采集的衍射图像间的冗余性和联系性,将高阶衍射信息通过迭代外推到CCD孔径之外,可补充CCD边界外的高阶衍射信息,解决数值孔径受限问题;之后,将外推法的重建物与插值方法结合,通过像素插值减小迭代计算的采样间隔,扩展外推法重建物的像素数量,可解决像素尺寸受限问题,该方法重建标准分辨率板的图像分辨率可达143.7lp/mm。二、基于生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)的高分辨率叠层成像方法:为大幅提高重建高分辨率图像的效率,将多权重损失函数GAN引入叠层成像。首先,采用模拟的扩展叠层成像方法(extended ptychographical iterative engine,e PIE)建立多权重损失函数GAN训练所需的数据对,在网络训练过程中,采用多权重损失函数更新优化生成器和判别器,此处多权重损失函数为均方误差(mean square error,MSE)损失、特征图损失和对抗损失的加权和。利用外推法补充因CCD靶面有限、致数值孔径受限丢失的高阶衍射信息后,将所得重建图像输入训练好的生成网络重建,即可扩充重建图像像素数目,减小图像像素尺寸,快速解决叠层成像分辨率受CCD像素尺寸限制问题,提高成像分辨率和重建效率。该方法重建标准分辨率板的图像分辨率可达161.3lp/mm,且与外推后插值的重建方法相比,重建效率可提升1.1倍,与单次迭代同时使用插值与外推法比,重建效率可提升3.75倍。三、无样本训练的高分辨率叠层成像方法:将卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)与无样本训练模式引入叠层成像。将外推法重建的图像作为网络训练的高分辨率图像I,外推法结合合并像素方法重建的图像作为低分辨率图像I,成对输入随机初始化的卷积神经网络中,网络通过迭代学习两张图像之间的映射关系,迭代完成后得到图像的超分辨率模型,将I输入所得超分辨率模型重建,可解决叠层成像分辨率受CCD像素尺寸限制问题,提高叠层成像分辨率。

关键词：叠层成像高分辨率外推法生成对抗网络无样本训练

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并行化叠层成像算法研究

物理学报 2016年第15期65卷 88-96页

作者：肖俊李登宇王雅丽史祎诗中国科学院大学北京100049

叠层成像是定量相位恢复技术的重要研究方向,它通过照明探针的交叠式扫描,使用叠层迭代相位恢复算法对待测样品进行恢复,但成像效率与成像质量之间的矛盾等问题己成为其瓶颈之一本文从叠层成像迭代恢复算法的基本原理入手,提出了基于CPU... 详细信息

叠层成像是定量相位恢复技术的重要研究方向,它通过照明探针的交叠式扫描,使用叠层迭代相位恢复算法对待测样品进行恢复,但成像效率与成像质量之间的矛盾等问题己成为其瓶颈之一本文从叠层成像迭代恢复算法的基本原理入手,提出了基于CPU和GPU的两种分块复振幅重建并行算法,并通过模拟实验研究了不同待测样品尺寸、不同分块、不同孔径数目对并行加速效果的影响模拟实验结果表明:两种并行算法可正确地恢复出样品的复振幅信息,并且显著提升了重建速度,使得重建耗时比传统叠层成像算法有了数量级的下降,在一定程度上解决了成像效率与成像质量之间的矛盾,有望实现准实时成像,为叠层成像在相关领域更广泛的应用提供了一定的技术指导,实验结果同时表明:在最优分块时,并行重建加速比与样品的大小有关,样品越大,加速效果越明显;同一个样品在不同分块下重建会得到不同的加速比,这与硬件设备密切相关,而成像中孔径的数目不会对并行加速比产生明显的影响.

关键词：叠层成像相位恢复并行计算

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