【技术实现步骤摘要】
本申请属于叠层衍射成像领域，更具体地，涉及一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法及系统。
技术介绍
1、在光学成像技术中，光场的相位包含了如三维形貌与折射率分布等重要信息，光照射在相位样品上，其振幅几乎不变，但相位变化很大；而由于现有探测器的频率远低于光的频率，相位信息常出现丢失。
2、相关技术中，相干衍射成像技术是一种早期用于解决相位问题的无透镜计算成像方法，通过频域衍射强度信息迭代求解待测样品的复振幅分布；但该技术仅通过单幅衍射图样重构待测样品信息，收敛性能较差，具有较大局限性。为此，后续研究产生了叠层衍射成像技术，其使用迭代算法从一系列具有空域重叠关联的衍射图案中重建样品的复振幅分布，正迅速发展成为一种光学相位恢复主流技术。但传统的叠层衍射成像技术的图像重构质量较低、噪声鲁棒性较差，在探针重叠率降低、衍射数据集较少(即稀疏采样)的情况下难以收敛。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本申请了一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法及系统，旨在解决成像技术中图像重构质量较低、噪声鲁棒性较差，在探针重叠率降低、衍射数据集较少(即稀疏采样)的情况下难以收敛的问题。
2、为实现上述目的，本申请第一方面提供的一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法采用如下的技术方案：
3、一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，包括：
4、s1：采集衍射光场信息，对数据进行初始化，所述数据包括：照明探针的复振幅分布、待测样品的复振幅
5、s2：在每个扫描位置处，根据最新获得的数据构建非线性最小二乘模型和约束条件，然后转化为增广拉格朗日函数；
6、s3：应用交替乘子法并引入近端正则项、松弛项和动量项，求解所述增广拉格朗日函数，以此获得迭代更新算法；
7、s4：应用迭代更新算法进行迭代求解获得更新的数据，以此获得更新的模拟衍射光强；
8、s5：计算更新后所有扫描位置的模拟衍射光强与采集衍射光强的均方根误差，在均方根误差小于预设阈值时，输出待测样品和照明探针的迭代重构结果，否则，转入步骤s2。
9、作为进一步优选的，所述步骤s2中，与衍射光强有关的非线性最小二乘模型和相应约束条件为：
10、
11、
12、其中，p为未知照明探针复振幅分布；o为待测样品复振幅分布；zj为引入的辅助变量；下标j表示在第j个扫描位置处，j为采集的衍射场总数，表示两个向量元素点乘；i为采集的衍射光强信息；ε为引入的极小值；为光场自由空间的传播模型；π1(p)和π2(o)分别为照明探针和待测样品的幅值投影约束；sj()表示提取在第j个扫描位置处的局部样品。
13、作为进一步优选的，步骤s2中的所述增广拉格朗日函数为：
14、
15、其中，p为未知照明探针复振幅分布；o为待测样品复振幅分布；zj为引入的辅助变量，下标j表示在第j个扫描位置处，z是所有位置处的zj的集合，其他同理；表示两个向量元素点乘；i为采集的衍射光强信息；ε为引入的极小值；为光场自由空间的传播模型；π1(p)和π2(o)分别为照明探针和待测样品的幅值投影约束；sj()表示提取在第j个扫描位置处的局部样品，β为惩罚参数，β＞0；re()表示取复值元素的实部；<>表示内积运算，λj为引入的对偶变量。
16、作为进一步优选的，所述步骤s3中，引入近端正则项、松弛项和动量项后，在第j个扫描位置处的迭代求解方法如下：
17、
18、
19、
20、
21、
22、
23、其中，p为未知照明探针复振幅分布；o为待测样品复振幅分布；zj为引入的辅助变量，下标j表示在第j个扫描位置处，z是所有位置处的zj的集合，其他同理；λj为引入的对偶变量；arg min表示求解使函数值最小时变量的取值；m1和m2为预处理矩阵，α1和α2为近端正则项的惩罚参数，α3为松弛参数，γ为动量参数，且α1、α2、α3、γ＞0；上标k表示第k次迭代。
24、作为进一步优选的，在所述步骤s4中获得的所述迭代更新算法如下：
25、
26、
27、
28、
29、
30、
31、其中，p为未知照明探针复振幅分布；o为待测样品复振幅分布；zj为引入的辅助变量，下标j表示在第j个扫描位置处，z是所有位置处的zj的集合，其他同理；λj为引入的对偶变量；m1和m2为预处理矩阵；表示两个向量元素点乘；α1和α2为近端正则项的惩罚参数，α3为松弛参数，γ为动量参数，且α1、α2、α3、γ＞0；上标k表示第k次迭代；β为惩罚参数；π1()和π2()为照明探针和待测样品的幅值投影约束；sj()表示提取在第j个扫描位置处的局部样品；为光场自由空间的传播模型；表示在第j个扫描位置处将变量用0填充到整个样品矩阵的尺寸，bj为zj的幅值；表示进行共轭运算。
32、作为进一步优选的，所述步骤s5中的所述均方根误差为：
33、
34、其中，为光场自由空间的传播模型；p为未知照明探针复振幅分布；o为待测样品复振幅分布；下标j表示在第j个扫描位置处；表示两个向量元素点乘；i为采集的衍射光强信息；sj()表示提取在第j个扫描位置处的局部样品。
35、本申请第二方面提供的一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像系统采用如下的技术方案：
36、一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像系统，包括光路模块以及成像模块，所述光路模块用于生成照明探针，并记录照明探针与待测样品相互作用后的出射光的衍射光场数据；所述成像装置用于通过第一方面所述的方法，根据所述出射光的衍射光场强度信息获得成像结果。
37、作为进一步优选的，所述光路模块沿光路上依次包括光源、光学聚焦器、移动装置、探测器；
38、所述光源用于提供入射光束；
39、所述光学聚焦器用于对入射光束进行聚焦，形成照明探针；
40、所述移动装置用于带动待测样品移动；
41、所述探测器用于记录照明探针与待测样品相互作用后的出射光的衍射光场数据。
42、作为进一步优选的，所述光路模块还包括设置在所述光源与所述光学聚焦器之间的扩束器和光阑，所述扩束器用于扩大光源所提供的入射光束的直径，所述光阑用于限制扩大后的入射光束的范围。
43、作为进一步优选的，所述成像模块包括处理器和存储器；
44、所述存储器用于存储计算机程序或指令；
45、所述处理器用于执行存储器中的计算机程序或指令，使得权利要求1至6中任一项所述的方法被执行。
46、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
47、1.通本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述步骤S2中，与衍射光强有关的非线性最小二乘模型和相应约束条件为：
3.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，步骤S2中的所述增广拉格朗日函数为：
4.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述步骤S3中，引入近端正则项、松弛项和动量项后，在第j个扫描位置处的迭代求解方法如下：
5.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，在所述步骤S4中获得的所述迭代更新算法如下：
6.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述步骤S5中的所述均方根误差为：
7.一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像系统，其特征在于，包括光路模块以及成像模块，所述光路模块用于生成照明探针，并记录照明探针与待测样品相互作用后的出射光的衍射光场数据；所述成像装置用于
8.如权利要求7所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像系统，其特征在于，所述光路模块沿光路上依次包括光源、光学聚焦器、移动装置、探测器；
9.如权利要求8所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像系统，其特征在于，所述光路模块还包括设置在所述光源与所述光学聚焦器之间的扩束器和光阑，所述扩束器用于扩大光源所提供的入射光束的直径，所述光阑用于限制扩大后的入射光束的范围。
10.如权利要求7所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像系统，其特征在于，所述成像模块包括处理器和存储器；
...【技术特征摘要】
1.一种基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述步骤s2中，与衍射光强有关的非线性最小二乘模型和相应约束条件为：
3.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，步骤s2中的所述增广拉格朗日函数为：
4.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述步骤s3中，引入近端正则项、松弛项和动量项后，在第j个扫描位置处的迭代求解方法如下：
5.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，在所述步骤s4中获得的所述迭代更新算法如下：
6.如权利要求1所述的基于加速扩展交替乘子法的叠层衍射成像方法，其特征在于，所述步骤s5中的所述均方根误差为：
【专利技术属性】
技术研发人员：谷洪刚，杜锦祥，刘力，刘世元，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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