[發(fā)明專利]一種新型亞像素分辨率衍射成像方法

有效

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• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112288633B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設計）人: 石保順;高亞婷;劉柯訊
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G06T3/40
• 分類號: G06T3/40;G06T5/00
• 代理公司: 石家莊眾志華清知識產權事務所(特殊普通合伙) 13123
• 代理人: 張明月

本發(fā)明涉及一種新型亞像素分辨率衍射成像方法，屬于成像技術領域，具體步驟包括光路布置、單次照明、數據采集、測量數據傳至終端并構建優(yōu)化模型、利用衍射強度圖樣重建圖像、高斯噪聲濾波和判斷是否可以終止算法。本發(fā)明依據相干光照明成像的原理，設計了基于高分辨率空間光調制器的數據采集系統，與現有光學系統相比，本發(fā)明材料及制備工藝簡單，能夠利用較低分辨率相機重建出比相機分辨率明顯高的物體圖像，成本低，效果好。

技術領域

本發(fā)明涉及一種新型亞像素分辨率衍射成像方法，屬于成像技術領域。

背景技術

衍射成像是指利用包含高度不完備信息的衍射強度圖樣重建原始圖像，它以無透鏡、簡便、有效的優(yōu)點成為了高精確測量、記錄和重建二維和三維物體的關鍵技術。傳統衍射成像方法的成像分辨率通常是像素級的，即重建圖像的像素大小Δ_o等于衍射強度圖樣像素大小Δ_s。衍射強度圖樣的分辨率受衍射極限限制，故傳統方法的成像分辨率難以超越衍射極限分辨率。衍射強度圖樣的像素大小是固定的，但Δ_o是可計算的，可達到Δ_o＜Δ_s。亞像素分辨率(sub-pixel resolution)又稱像素超分辨率(pixel super-resolution)衍射成像是指通過觀測到的低分辨率衍射強度圖樣重建高分辨率圖像，亞像素分辨率衍射成像技術是突破衍射極限分辨率的重要手段。

現有亞像素分辨率衍射成像方法可分為以下幾大類：傳統像素分辨率衍射成像方法、基于亞像素間距(sub-pixel-pitch)平移的方法、基于多波長的波長掃描方法、基于多距離衍射成像的方法、基于稀疏性的方法和基于深度神經網絡的方法。理論上，傳統像素分辨率衍射成像算法可通過調整非線性采樣算子或建立合適的優(yōu)化模型用于亞像素分辨率衍射成像。基于亞像素間距平移、多波長、多距離的方法大都通過構建光學系統記錄多幅衍射強度圖樣以進行亞像素分辨率衍射成像，但并未考慮圖像的先驗知識，成像質量和成像分辨率較低。基于稀疏性的方法利用稀疏先驗進行亞像素分辨率衍射成像。基于稀疏性的成像方法改善了成像質量，但現有基于稀疏性的方法大都利用圖像在空域、梯度域下的稀疏性進行圖像重建，成像質量、成像時間仍有提升空間。在單次觀測情況下，對噪聲敏感、分辨率低是限制現有衍射成像算法應用于實際高分辨率成像系統的技術瓶頸。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種新型亞像素分辨率衍射成像方法，是一種基于高分辨率空間光調制器及高斯噪聲濾波器的亞像素分辨率衍射成像方法，主要用于解決傳統衍射成像方法設備復雜、分辨率低的問題。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種新型亞像素分辨率衍射成像方法，包括以下步驟：

A、光路布置：將相干光源、物體、高分辨率空間光調制器和相機由前到后依次放置進行光路布置，所述高分辨率空間光調制器放置于物體后1-2mm處，所述相機放置于遠場區(qū)域；

B、單次照明：采用相干光源作為成像光源，對物體進行單次照明；

C、數據采集：攜帶物體的光波通過高分辨率空間光調制器進行調制，在遠場區(qū)域內通過相機采集光波信息，獲得低分辨率衍射強度圖樣；

D、測量數據傳至終端并構建優(yōu)化模型：將步驟C獲得的低分辨率衍射強度圖樣傳送至主控計算機以圖像形式保存，并利用該低分辨率衍射強度圖樣構建亞像素分辨率衍射成像優(yōu)化模型；

E、利用優(yōu)化模型重建圖像：利用步驟D得到的優(yōu)化模型，結合非凸優(yōu)化的內點鄰近算法框架中的梯度下降方法獲得估計圖像；

F、高斯噪聲濾波：利用高斯噪聲濾波器對步驟E得到的估計圖像進行濾波處理；

G、判斷是否可以終止算法：滿足終止條件時終止算法，輸出最終重建的高分辨率圖像；不滿足終止條件返回步驟E繼續(xù)迭代。