一种时间分辨重叠关联成像术的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种时间分辨重叠关联成像术，是一种用于提供图像数据的方法。该方法利用采集的相关联衍射图像重构目标物体的区域的相关信息。该方法步骤包括：获取目标图像，直到采集足够的相关联图像；通过增强型重叠关联成像术迭代引擎(ePIE)获得目标对象对于时间平均的重构；以重构全部时间序列的目标对象及探针函数为目标，改变初始输入，通过增强型重叠关联成像术迭代引擎(ePIE)最终获得结果。对于现有技术中存在的包括重叠关联成像术(Ptychography)以及很多其他成像技术，都只能够重建静态的目标对象的信息问题本发明能够获得目标对象的时间分辨的重构。
【专利说明】一种时间分辨重叠关联成像术
【技术领域】
[0001] 本发明涉及重叠关联成像术领域，更具体地，涉及重构目标对象的方法，可从一组 相关联的图像重构生成目标对于时间的演化。
【背景技术】
[0002] 用于得出目标对象的空间信息的成像技术有多种，使用重叠关联成像术 (Ptychography)，可实现的分辨率是理论上的波长限制的许多倍，并且能够避免光学系统 中通常透镜引入的像差和不稳定性。传统扫描透射成像需要花费大量时间来完成图像，并 且仅能测量检测器处的总散射强度，而非相位信息，而重叠关联成像术（Ptychography)则 能够以很少的时间完成对图像的采集，较少系统不稳定性的影响，并使用迭代的方式还原 目标对象的若干信息。
[0003] 在国际申请专利W0 2005/106531中，公开了一种获取图像的方法和装 置，用于重构目标对象（下面有些地方称为样品）的相位信息，称之为重叠关联成 像术（Ptychography)。同时，W0 2005/106531中还公布了使用通过移动探针函数 (Probe Function)获得的图像对目标对象的重建方法，称为重叠关联成像术迭代引擎 (Ptychography Iteration Engine, PIE)。重叠关联成像术的具体方法是利用待测对象在 散焦（defocus)的条件下，由至少一个检测器检测由目标对象散射的在一定远处的强度。 用于形成这样的图像的方法称为重叠关联成像术。
[0004] 在国际申请专利W0 2010/064051中，公布了增强型重叠关联成像术迭代引擎 (enhanced Ptychography Iteration Engine, ePIE)。其特征在于可以未知探针函数（Probe Function)，而通过估算初始值，并在迭代中逐步计算出来。增强型重叠关联成像术迭代引 擎提供这样的技术，用一组衍射图案的测量，恢复所涉及区域的目标对象的若干特征。利用 已知或者未知的探针函数与探测所得的相关图像，通过每一次迭代，更新目标对象与探针 函数。
[0005] 在国际申请专利W0 2008/142360, W0 2012/038749中，公开了一种构造三维目标 对象区域的方法，该方法通过迭代过程确定目标对象内相应深度处目标对象的若干特征。 该方法与重叠关联成像术（Ptychography)享有相同的技术基础。
[0006] 但通常，包括重叠关联成像术（Ptychography)以及很多其他成像技术，都仅仅只 能够重建静态的目标对象的信息，不能对动态的目标对象的信息进行重建。
【发明内容】
[0007] 1.要解决的技术问题
[0008] 针对现有技术中存在的包括重叠关联成像术（Ptychography)以及很多其他成像 技术，都只能够重建静态的目标对象的信息问题，本发明提供了一种时间分辨重叠关联成 像术，它可以实现通过改进迭代方式，得到时间分辨的重构对象信息。
[0009] 2.技术方案
[0010] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0011] 一种时间分辨重叠关联成像术，其步骤如下：
[0012] (1):通过重叠关联成像术所表示的获取图像方法获取一组图像，并确定对应采集 时间点，同时记录下探针函数对应原点的位移；
[0013] (2):确定一组重构时间点和对应的重构时间区间；
[0014] (3):利用一种构造三维目标对象区域的方法完成对目标对象以及探针函数的重 构，结果作为后续步骤的初值；
[0015] (4):对于单个重构时间点进行目标对象以及探针函数的重构；
[0016] (5):重复步骤（4)，获得所有重构时间点的目标对象及探针函数的重构，组合得 到目标对象及探针函数对时间分辨的重构。
[0017] 优选地，所述的步骤（2)进一步包括以下步骤：
[0018] (2. 1)确定一组重构时间点{h，t2··· tM}，满足& < t2 <…< tM，以及一个时间 区间[_τ1, τ 2]，使在每一个重构时间点的对应时间区间内均存在两个或两个以上采集时 间点；
[0019] (2. 2)将满足条件trr e [tm_ τ 1，tm+ τ 2]的下标重新组合为一个集合，这一集合 所对应的图像将用于步骤（4)，其中1 < m < Μ。
[0020] 优选地，所述的步骤（4)进一步包括以下步骤：
[0021] 步骤（4. 1):将步骤（3)的结果，作为目标对象以及探针函数的初始条件；
[0022] 步骤（4.2):使用采集的图像中的一幅更新目标对象以及探针函数，并计算均方 根误差；
[0023] 步骤（4.3):重复步骤（4.2)，直到使用完所有的图像，并计算均方根误差对所用 图像的平均值；这些图像所需满足的条件在步骤（2.2)中给出；
[0024] 步骤（4. 4):重复步骤（4. 2)-(4. 3)，直到获得需要的目标对象以及探针函数的更 新。
[0025] 优选地，所述的步骤（4. 2)进一步包括以下步骤：
[0026] 步骤（4.2. 1):采用分层的方式，对目标对象进行切片分层，将三维的目标对象分 成S层的准二维目标对象，目标对象的第一层切片的前表面的波函数等于当前更新的探针 函数；
[0027] 步骤（4.2.2):利用现阶段重构的目标对象，获取波函数在所有目标对象切片前 表面以及后表面的波函数；
[0028] 步骤（4. 2. 3):利用图像的模量替换在探测平面的波函数的模量，并计算均方根 误差；
[0029] 步骤（4. 2. 4):利用步骤（3. 2. 2)获得的数据，使用一种构造三维目标对象区域的 方法更新算符，更新目标对象以及各切片前后表面的波函数；
[0030] 步骤（4. 2. 5):更新的探针函数等于目标对象在第一层切片的前表面的波函数。
[0031] 3.有益效果
[0032] 相比于现有技术，本发明的优点在于：
[0033] (1)相对于通常的重叠关联成像术（Ptychography)只能够重建静态的目标对象 的若干信息，本发明能够获得目标对象的时间分辨的重构；
[0034] (2)相比于传统扫描透射成像需要花费大量时间来完成图像，基于重叠关联成像 术（Ptychography)只需在较少的位置采集图像，从而能够在重构的样品信息中获得更高 的时间分辨率，并减少长时间辐照对目标对象的破坏，同时获得重构的若干信息，例如相 位。重叠关联成像术（Ptychography)在实现时，往往需要采取近百张图像，本方法将进一 步增加重叠关联成像术的时间分辨能力；
[0035] (3)现在的光学，X射线以及电子光学出现一种倾向，利用单发射技术，通常是使 用超快的脉冲信号源发射单个光子或是电子脉冲，然后从获取的图像中分析出想要的信 息。如果，要求提高这种技术的分辨能力，将其与重叠关联成像术相结合，那么采集近百张 图像所耗时间将与超快的时间分辨相违背。本发明可能提供解决两者结合的方法；
[0036] (4)对于快速连续变化的目标对象，原本的重叠关联成像术（Ptychography)在变 化区域可能带来过多的人工结构（Artifact)，而本方法相比原本的重叠关联成像术提高了 时间分辨，在一定程度上能够减少重构时人工结构（Artifact)的出现；
[0037] (5)本发明不仅可以对二维还可以对三维的图像进行时间上的重构，只需要少数 的成像时间对其进行重构。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1为图像重叠关联成像术为一层时实现方式示意图；
[0039] 图2为三维模式的重叠关联成像术实现方式示意图；
[0040] 图3为时间分辨中重构时间点选取示意图；
[0041] 图4为时间分辨中单个重构时间点的重构流程图。
[0042] 图中标号说明：
[0043] 1 :福射传播路径；2 :福射平移；3 :目标样品前表面；4 :目标样品后表面；5 :散焦； 6 :目标对象；7 :探测平面；8 :切片间距；9 :辐射真空传播区；10 :三维目标对象第二层切片 位置前表面；11 :三维目标对象第二层切片位置后表面；12 :目标对象最后切片后表面；13 : 目标对象后表面与探测平面位置；14 :采集时间点；15 :重构时间点周围较早的区间；16 : 重构时间点周围较晚的区间。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案做进一步地解释说明。实施 例中的数据采用matlab程序进行编程和计算。
[0045] 一种时间分辨重叠关联成像术，步骤如下：
[0046] (1):通重叠关联成像术所表示的获取图像方法获取一组R个图像
【权利要求】
1. 一种时间分辨重叠关联成像术，其步骤如下： (1) :通过重叠关联成像术所表示的获取图像方法获取一组图像，并确定对应采集时间 点，同时记录下探针函数对应原点的位移； (2) :确定一组重构时间点和对应的重构时间区间； (3) :利用一种构造三维目标对象区域的方法完成对目标对象以及探针函数的重构，结 果作为后续步骤的初值； (4) :对于单个重构时间点进行目标对象以及探针函数的重构； (5) :重复步骤（4)，获得所有重构时间点的目标对象及探针函数的重构，组合得到目 标对象及探针函数对时间分辨的重构。
2. 根据权利要求1所述的一种时间分辨重叠关联成像术，其特征在于，所述的步骤（2) 进一步包括以下步骤： (2. 1)确定一组重构时间点{tp t2. . . tM}，满足心< t2 < . . · < tM，以及一个时间区 间[_τ1, τ 2]，使在每一个重构时间点的对应时间区间内均存在两个或两个以上采集时间 占 . (2. 2)将满足条件e [tm_ τ 1，tm+ τ 2]的下标重新组合为一个集合,这一集合所对 应的图像将用于步骤（4)，其中1彡m彡Μ。
3. 根据权利要求1所述的一种时间分辨重叠关联成像术，其特征在于，所述的步骤（4) 进一步包括以下步骤： 步骤（4. 1):将步骤（3)的结果，作为目标对象以及探针函数的初始条件； 步骤（4.2):使用采集的图像中的一幅更新目标对象以及探针函数，并计算均方根误 差； 步骤（4.3):重复步骤（4. 2)，直到使用完所有的图像，并计算均方根误差对所用图像 的平均值；这些图像所需满足的条件在步骤（2. 2)中给出； 步骤（4.4):重复步骤（4. 2)-(4. 3)，直到获得需要的目标对象以及探针函数的更新。
4. 根据权利要求3所述的一种时间分辨重叠关联成像术，其特征在于，所述的步骤 (4.2)进一步包括以下步骤： 步骤（4.2. 1):采用分层的方式，对目标对象进行切片分层，将三维的目标对象分成S 层的准二维目标对象，目标对象的第一层切片的前表面的波函数等于当前更新的探针函 数； 步骤（4.2.2):利用现阶段重构的目标对象，获取波函数在所有目标对象切片前表面 以及后表面的波函数； 步骤（4. 2. 3):利用图像的模量替换在探测平面的波函数的模量，并计算均方根误差； 步骤（4. 2. 4):利用步骤（3. 2. 2)获得的数据，使用一种构造三维目标对象区域的方法 更新算符，更新目标对象以及各切片前后表面的波函数； 步骤（4.2.5):更新的探针函数等于目标对象在第一层切片的前表面的波函数。
【文档编号】G01N23/04GK104155320SQ201410419950
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】王鹏, 高斯 申请人:南京大学