叠层相干衍射成像算法发展综述

随着同步辐射技术的发展和光源相干性的提升,叠层相干衍射成像(ptychography)得到快速发展.叠层相干衍射成像算法解决了传统相干衍射成像算法收敛速度较慢、容易陷入局部最优解和算法停滞等问题,具有成像视场大、算法鲁棒性强、对误差容忍性高、应用范围广等优点,正成为相干衍射成像领域的热点研究方向.本文首先介绍了叠层相干衍射成像算法提出的背景;然后详细总结了叠层相干衍射成像算法的发展脉络、主要的算法流程以及应用场景,并且介绍了叠层相干衍射成像与人工智能结合的新算法及应用潜力;最后介绍了叠层相干衍射成像算法具体的并行化实现及常用软件包.本文有助于建立叠层相干衍射成像领域算法本身、人工智能以及计算方法全局研究视角,对于促进叠层相干衍射成像方法学的系统发展具有重要的参考意义.     

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.     

可见光域多波长叠层衍射成像的实验研究

运用模拟实验和光学实验研究了叠层衍射成像中波长数量和噪声对复原结果的影响. 模拟结果表明, 在多波长叠层衍射成像中, 复原质量随波长数量的增加而不断提高并最终达到一定极限. 光学实验以不同样品进行实验验证, 进一步研究了增加波长与随之引入噪声及系统复杂度间的制约关系. 研究发现, 并非波长越多成像效果越好, 而可能存在一个最优的成像条件. 利用所建实验装置, 在双波长照明条件下取得了相对最优的成像效果. 本结论对提高叠层衍射成像的质量具有现实意义.     

基于叠层衍射成像的傅里叶叠层显微像差校正方法

傅里叶叠层显微成像技术通过拓展频谱的方法合成细节信息更为丰富的单帧图像,实现在大视场下重建高分辨率图像.然而,成像系统中普遍存在的各种像差往往导致成像模糊,重建图像分辨率下降.针对上述问题,提出一种基于叠层衍射成像的像差校正方法,在更新频谱和光瞳函数时,通过自适应选取频谱和光瞳函数当前值与最大值的最佳比例,提高了迭代重...     

厚样品三维叠层衍射成像的实验研究

叠层衍射成像是一种新兴的无透镜成像技术,目前限制这项技术发展的是光束透过样品时的乘法近似假设,这意味着在可见光域微米级分辨率下,叠层衍射成像的样品厚度不能超过数十微米.通过将样品沿轴多层切片的方式,在模拟实验和光学实验中均实现了对毫米量级厚样品的三维叠层衍射成像.模拟实验结果表明,单波长并不能很好地恢复三维厚样品,从而有必要引入多波长光束照明,随着波长数量的增加,三维厚样品的复原质量不断提高.光学实验使用两组不同厚度的样品进行实验验证,进一步研究了波长数量对复原结果的影响.随着波长数量增加,复原图像质量不断提高,证明了模拟实验的结论.利用所建光学实验装置,在三波长照明条件下取得了最好的成像与分离效果.同时针对实验中出现的叠影现象做出了合理的解释.研究结果对提高厚样品三维叠层衍射成像的质量具有现实意义.     

分数傅里叶域数字水印算法

基于离散分数傅里叶变换(DFRFT)快速算法发展了一种分数傅里叶谱域图像水印算法.该算法根据分数傅里叶变换谱具有空域和频域双域信息表达能力,分别对原始图像和所加水印信息进行不同级次的分数傅里叶变换,提取水印分数傅里叶谱的低频成分并直接将其叠加到原始图像的分数傅里叶谱中的对角像元上,然后再进行逆变换得到水印图像.在JPEG压缩、图像旋转及剪切等攻击方式下,对该水印算法进行了鲁棒性分析,数值实验表明该水印算法具有良好的抗攻击性和安全性.     

基于视觉显著图的数字水印算法

为了更加有效地解决数字水印不可见性的问题,提出了一种基于视觉显著图的水印方法。对Itti视觉计算注意模进行改进,提取图像视觉显著图;利用二级哈尔小波变换方法,根据图像视觉显著图,将水印信息嵌入到图像的低频域内;采用多组SIFT特征点匹配进行精确几何校正处理,提取水印信息。实验结果表明,含水印图像的PSNR达到80dB以上,提取水印NC值都在0.8以上。因此,数字水印方法具有极好的不可感知性,可以有效抵抗噪声、滤波和JPEG压缩等常规图像处理攻击,尤其是对任意角度的旋转攻击、缩放、平移等几何攻击具有极强的鲁棒性。     

基于光学菲涅耳衍射的"盲数字水印"技术

基于光学菲涅耳衍射,设计了一种新的“盲数字水印”计算方法。水印图像通过离散菲涅耳衍射变换成一复矩阵,将此复矩阵的实部和虚部分开,分别嵌入到宿主图像的不同位置中。通过将水印嵌入点的宿主图像的像素值更改为其近邻像素值的均值,而实现“盲水印”的提取。数值计算结果表明:该水印计算法对像素变换攻击具有很强的鲁棒性,如图像亮度、对比度和灰度曲线的调整;能抵抗JPEG有损压缩、剪切和噪声污染攻击;能抵抗对图像的重采样攻击,可从显示屏幕拷贝的图像中提取水印。由于该方法为使用者提供了灵活的水印嵌入方式和双重密钥的选取,以及提取水印不需要原始图像数据,因而使该方法具有很高的安全性和实用价值。     

电子叠层衍射成像技术的突破及应用

像差校正透射电子显微镜是材料微观结构和物态高分辨率表征最常用的工具之一,极大地推动了相关学科的发展。近年来,电子显微学领域一个新的突破是电子叠层衍射成像技术。它突破了常规成像技术分辨率的极限,实现了原子晶格振动决定的终极分辨率,并且能够实现纳米尺度电磁物态的高精度成像。文章主要简述了电子叠层衍射成像技术的发展历程、原理和最新进展,最后讨论其应用前景和未来展望。     

基于旋转相位编码与照明光束匹配的叠层衍射成像算法研究

在传统的叠层成像算法中引入一种旋转相位编码与照明光束相匹配.采用分块均匀分布的旋转相位调制器对衍射光进行调制,在探测面获得了相应的衍射图样.这种照明光束与相位匹配的方式有效地增加了解的约束条件,具有收敛速度快、抗噪声及抗位置偏差能力强等优点.与随机相位调制相比,本算法所引入的旋转相位调制器构造简单、使用便捷,因而在实时显微成像、超分辨成像等领域将具有更高的实用价值.     

A general phase retrieval algorithm based on a ptychographical iterative engine for coherent diffractive imaging

Coherent diffractive imaging (CDI) is a lensless imaging technique and can achieve a resolution beyond the Rayleigh or Abbe limit. The ptychographical iterative engine (PIE) is a CDI phase retrieval algorithm that uses multiple diffraction patterns obtained through the scan of a localized illumination on the specimen, which has been demonstrated successfully at optical and X-ray wavelengths. In this paper, a general PIE algorithm (gPIE) is presented and demonstrated with an He-Ne laser light diffraction dataset. This algorithm not only permits the removal of the accurate model of the illumination function in PIE, but also provides improved convergence speed and retrieval quality.     

基于相位恢复算法的单强度记录光学加密系统

在传统的双随机相位光学加密系统的基础上,提出一种新的单强度记录光学加密技术。在加密时,将原始图像置于4-f系统的输入平面上进行双随机相位光学加密,利用CCD等感光器件记录输出平面上的光强分布作为密文,该光学加密过程只需一次曝光,在解密时,利用相位恢复算法进行迭代计算就可以由密文恢复原始图像。由于解密过程采用数字方式,因此可以在解密过程中引入各种数字图像处理技术来抑制散斑噪声,进一步改善解密图像质量。通过一系列仿真实验,证明该光学加密系统可以实现对二值图像和灰度图像的光学加密,并且能够很好地抵御已知明文攻击、选择明文攻击等方法的攻击。理论分析和计算机仿真表明,该光学加密技术系统结构简单,实现方便,并且不易受到各种攻击,安全性较高。     

三维混合域重建算法在太赫兹全息成像中的应用

提出了一种三维混合域重建算法,该算法在垂直方位向采用空间波数域匹配滤波,结合距离水平方位域后向投影技术完成目标三维重建。与三维波数域算法相比,该算法不仅避免了复杂的三维Stolt插值,还继承了后向投影技术便于处理运动补偿的优点。相比传统的三维时域后向投影算法,该算法通过在垂直方位向的波数域处理,运算量显著减少。通过对0.2 THz波段仿真和实验数据的重建,验证了算法的正确性和有效性。     

三维混合域重建算法在太赫兹全息成像中的应用

提出了一种三维混合域重建算法,该算法在垂直方位向采用空间波数域匹配滤波,结合距离水平方位域后向投影技术完成目标三维重建。与三维波数域算法相比,该算法不仅避免了复杂的三维Stolt插值,还继承了后向投影技术便于处理运动补偿的优点。相比传统的三维时域后向投影算法,该算法通过在垂直方位向的波数域处理,运算量显著减少。通过对0.2 THz波段仿真和实验数据的重建,验证了算法的正确性和有效性。     

基于级联分数傅里叶变换系统的数字水印技术

提出一种基于分数傅里叶变换和随机相位编码的光学加密数字水印技术,可成为一种信息隐藏及保护的有效方案.该数字水印技术对于噪音叠加和常见的图像处理操作具有较强的稳健性.该技术根据光学级联分数傅里叶变换系统,利用两个随机相位分布函数对水印信息编码并经过迭代分数傅里叶变换嵌入到变换域的载体图像中.在水印检测和提取过程中,两个相位分布函数作为密钥.随机相位编码技术的引入,进一步提高了数字水印系统的密钥空间.增强了系统的安全性.该数字水印技术基于光学分数傅里叶变换原理,可以利用光学变换系统方便地实现.     

基于光时分复用技术的高速成像系统

提出了一种基于光时分复用技术的高速成像系统。飞秒激光器中心波长1557 nm,脉冲宽度90 fs,对USAF-1951分辨率板线性扫描成像,扫描频率为38.88 MHz。在连续时间序列编码放大显微成像技术的基础上,运用光时分复用技术,复制光脉冲信号并携带检测物体相同的空间信息。原光脉冲和复制光脉冲以相同的采样率分别采样,通过相应的数据处理将两次采样数据整合在一起还原图像。实验结果表明,与传统的超快成像方法相比,成像系统利用10 GHz的数字采样设备可以达到20 GHz的采样率,采样点数是传统超快成像方法的两倍。该方法有效克服了成像系统采样率不足的问题,提高了成像系统的空间分辨率。与此同时,该系统算法复杂程度不高,有利于进一步促进超高速成像技术的发展。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

基于正则粒子重采样算法的红外成像消噪处理

 针对红外成像消噪的粒子滤波退化问题,提出正则粒子重采样算法。该算法从粒子群重采样获得粒子云(xjk,nj)mj=1,解决了粒子多样性消失的问题并克服粒子匮乏的现象;接着又通过添加辅助粒子v,将下一时刻观测值权值大的粒子进行标识,使粒子权值ωik∝p(xk｜yik-1)p(xk｜μik-1)更加稳定;给出了运动物体的红外成像消噪模型。实验仿真表明：正则粒子重采样算法通过添加辅助粒子使红外成像消噪效果好,成像清晰度在95%以上。