通过阈值方法获得亚瑞利分辨率

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1、通过阈值方法获得亚瑞利分辨率摘要：在传统光学成像系统之中， 入射光通过一有限直径的小孔而发生的衍射会使空间分辨率受到瑞利极限的限制。我们已经证明了通过非结构性的激光束聚集扫面物体表面以及低于最高阈值条件maxN的阈值 N 的动态应用使空间分辨率突破了这个极限。实验结果表明亚瑞利分辨率提高的倍数为引言在理想的成像系统之中，成像光波的波长只会限制最小分辨的特征尺寸的大小。然而，当一束光通过一有限的孔径时，会发生波前修正，这个修正会传播到相面上，从而会生成一个畸变图像，这就是衍射。例如，一束激光聚集在物体表面上的形成光强模式在相面上生成的并不是一个点，而是由光束通过物体和相面之间的镜片的有限孔径而形

2、成的散射而生成的瑞利斑。这样一来物体上两个紧密排列的点的任何限制都回直接转移到限制一个扩展对象的图像的分辨率上。瑞利极限就是衡量两个物点的像的分辨能力，在1879 年，洛德 .瑞利提出两个物点所形成的两个爱里斑， 其中一个爱里斑的中心与另一个爱丽斑的第一级暗纹重合时，刚好能分辨出这两个物点的像。在相面最小的可区分间隔为00 . 6 1ADRMR, (1) 其中（ 1）式中的代表照明光的波长，0D 代表物面到导致产生衍射的小孔之间的距离，R 是小孔的半径， M 代表像的放大倍数，对于另外一个比较著名的判据就是斯派罗判据， 斯派罗判据认为， 当两个爱里斑之间的合光强刚好只出现上凸时为刚可分辨的极限

3、情况。 一个光学系统的空间分辨率能够突破这些极限会在诸多的领域具有广泛的应用，例如激光雷达和生物医学显微镜。前期工作许多对于获得较高分辨率的提议都是建立在非经典光的基础上，例如福克态或者路径纠缠态，这些态在N 光子符合测量中提供亚光波长衍射，相应的，通过成像的波长使其分辨率突破这些极限，曾证明了通过多光子计数阵列和后期处理使 N 阶分辨率的增强具有可能性，认为复杂的N 光子符合测量并不是获得增强分辨率的必要的因素， 虽然在原则上是可以实现的， 但是在前面所讲的操作步骤很难实现，因为创造一个必要的光子态是具有挑战性并且这个光子态相当敏感容易丢失。在几组采用传统照明光源基础上的调查方法采用了不切实

4、际的的量子态产生和操作去提高成像分辨率。 在对称替换位置上的结合处的测量时，真热光源的经典关联会产生一种亚波长双缝干涉模式，这个模式类似于由纠缠光源所产生的模式。相干光源（激光） 通过波矢关联和多普勒共振探测器进行多光子频率选择性探测可产生亚波长干涉模式。在一个成像系统之中， 利用量子增强技术和经典技术去获得亚波长分辨率的图像可以不受衍射极限的限制。然而，在光学成像系统之中， 通过有限元所产生的最小分辨尺寸要远远大于由像的波长所产生的限制。 有几种经典的方法被提议可以突破这些衍射极限。这些方法包括多光子探测技术，点对点照明光源，后期处理或者将其结合。Bently和 Boyd 描述了在 N 光子

5、吸收材料上利用光刻技术来模拟N 阶谐波的产生并被CCD 探测器进行光电检测，此种方法在原则上会突破瑞利极限使图像的分辨率得到极大的提升。在生物医学领域，Hell 提到利用 N 光子探测显微技术可以提高荧光分子的成像质量。在近期，通过光子数分辨探测器证明了N 光子探测会对一般强度成像的N 次幂产生影响，会使它的峰值和谷值更加突出，使其对比度得到提高。然而 ,这些作者也提到在传统的光源照明全物成像并不能突破斯派罗极限，并不会突出其图像特征。点对点照明物体采用共焦扫描显微镜是一种普通的生物成像方法，一个生物样本通过激光的聚集扫描可产生有荧光标记的生物标志物，一个小孔被放在相面上可限制到达探测器的光源

6、半径， 这种方法通过利用一走非爱里斑中心内的光学信息去提高成像的分辨率， 虽然这种方法可以提高图像的分辨率，但是仍然存在一些局限， 为了提高图像的分辨率， 到达相面上的光由于小孔的作用而大幅度减少，所以为了获得可接受的信噪比的图像则需要入射光的强度足够大，为了获得更好的实验结果， 我们需要让小孔的中心与爱里斑的中心精密匹配。因此小孔的中心要随着光波精确的移动， 这种方法在物面和相面之间距离很小的显微技术中是可行的，若物面和相面被很好地隔离开来，会发生散射， 那么此种方法是很难达到我们所想要的效果。通过对物体进行后期处理的先前知识可以提高成像的分辨率，Pertsinidi et al 这篇文章最

7、近证明了相邻的荧光分子会呈现出亚纳米分辨率的图像。通过利用每个分子的高度荧光对称模式以及伺服控制去稳定其成像系统，他们可以由此去确定 0.5nm 分辨率的质心位置。然而， 这个先前知识只能应用于特殊的领域当中。为了突破斯派罗衍射极限使其物体的任意扩展部分都可以成像，Giovnnetti文章提出通过结合点对点照明光源和N 光子探测可以极大提高成像的分辨率。他们技术中最显著的优点便是其扫描可以是完全无组织的扫描，只要扫描可以完全覆盖物体回波， 这种方法让我们很好避免所有的先前知识，这个理论最近在文章中得到了实验证明，利用了聚焦激光束和用于图像采集的SPAD阵列探测器。这个实验所采用的是低强度的照明

8、光源，每个像素点每秒所探测到的最大的平均光子数为 15，这个实验通过在使在每个像素的探测阵列的阈值N 大于 Nmax 使其成像的分辨率突破了亚斯派罗极限，在低强度入射光条件下， 散粒噪声很明显，以至于每个照亮区域的成千上万祯图像必须求平均值。在此实验中图像成像分辨率的提高与理论预测（）取得一致。2 聚焦照明光源以及阈值法理论在此文中，我们对Guerrieri 文章的结果进行扩展，对他们的实验聚集扫描和阈值法进行了修饰使其兼容于CCD 阵列探测器。我们可利用一标准成像装置去带以 SPAD阵列探测器，因为我们需要用到高强度的照明光源使其探测器收集到足够强的光强便并使足够强光强聚集在物面上便可以忽略

9、成泊松分布的散粒噪声，因此 CCD 便可复活照明区域所有有用信息，使图像取多桢平均变得不再重要。为了定量改善此实验技术，我们将艾丽斑近似为成高斯分布的形式，其峰值为 Nmax，这是一个一般近似，这个近似允许阈值作用为一个闭式表达式，完全是由实验装置所决定的， 并且发现了在点照明光源所成的像的中心区域的真实强度分布与高斯分布只存在着很细微的差别。因此，我们可将近中心区域的区域近似为高斯分布，那么便有（2）其中（ 2）式中的 x 是点照明光源所成的像波峰的距离， （?）我们从下面的步骤当中选出新的宽度值N，一个较小的N会提升后期处理图像的分辨率，但是它有一个由 CCD 像素尺寸大小所引起的一个下限

10、，然而，较小的N值会导致较长的图像采集时间， 这是因为需要大量精细的扫描才能生成完整的图像。因此的选择取决于依据分辨率和采集时间的图像测量的需求，对于一个给定的，方程 2 算出我们所需要的NN值，因此可以得到比率，在电脑的后期处理过程中我们可以通过这个比率得到我们所需要的宽度值，因此，对于一个给定的阈值，我们可以得到一个较小的半宽值，（ 3）只要这个值可以突破有CCD 探测器像素的大小和在物体上的聚焦照明光源的光束要所引起的分辨率极限，这个过程在图3（a）中，对于灰度物体，在不同相点上光强分布是不同的，对于每一个照明光的点将阈值 N 作为 Nmax 的一个函数（将比率值去代替N 的绝对值） ，

11、方便的记录这些点的光强的变化值。因此可利用动态阈值方法去保证灰度物体成像。3 实验3.1 实验装置图一便是我们上文所描述的亚瑞利成像装置图，照明光源为 532nm 的激光，聚焦在物体上的激光光束腰为20um。通过调整平面镜的角度对物面上的光斑进行人工的扫描， M 等于 1 的成像系统位于距离物面110cm 的位置上，包括一个有着衍射极限的聚焦透镜，一个中继透镜，一个CCD 阵列探测器。聚焦透镜的焦距为 25cm 可覆盖产生严格的衍射极限的半径为1mm 的小孔。扫描镜和物之间的距离mD 足够远保证在物面上有着亮度均匀的照明光。两个目标靶成像在传播过程中， 证明了对于透明与不透明物体成像和灰度物体

12、的成像的分辨率都会得到提高， 对于前一个成像我们用的是USAF 光学分辨率检验板第二组的第二部分作为目标靶，这个目标靶包括三个相互交替的111um长 555um 高的透光与不透光条纹，如图二所示，对于此实验的成像系统M=1，小孔的孔径大小为1mm，通过方程一我们可算出瑞利极限为357um。这个数值为是相面上的特征尺寸大小111um的 3.2 倍。对于灰度成像， 我们所用的是四个区域的 ISO-2155动态范围薄膜靶， 四个区域分别标注3，5，6，9 代表着 77.6%，40.4%，20.9%,和 1.56%的透射率。图 1 利用 CCD 探测器的亚瑞利成像装置图图 2(a) USAF 光学分辨

13、率检验板 :红色箭头所指的是第二组第二个元素，条纹宽度是 111um 。 （b）用于灰度成像的 ISO-2155 动态范围薄膜靶： 3，5，6 和 9四个区域指定透射率分别为77.6%,40.4%,20.9% 和 1.56%. 我们所用的是12 位输出的就CCD 阵列探测器（型号），起像素的面积为7.4*7.4 小于物的特征尺寸和物上照明光束腰，CCD 探测器的散粒噪声为每50us的曝光时间就有2 次的暗计数，我们确信在我们实验中是用的制造商的13 位转换效率规格。， 所有的程序用 C+进行编写，并且建立在有 Basler 建立的数据库上，像的行成经过以下几个步骤， 最初的图像会被记录并使其匹

14、配与高斯分布，记录其标准差，然后是设置我们所需要的宽度值N，在之前测量的物体所有零度值图像的区域都会被记录，当有一阵图像需要一单一的在特定照明区域的曝光时，大于或等于阈值的的像素保持他们的计数而其他像素设置成0 值。 然后储存的图像通过结合生成的桢中高于阈值条件像素的进行更新， 这个过程会被是扫描所覆盖所有的点进行重复，每次都会生成最后图像的某一点。3.2 实验测量方法和结果图 3 （a）描述的是物面上一个半径为20um 的光斑的衍射极限像上的阈值作用，在这个装置中， 并没有安置靶。黑色曲线描述的是通过衍射极限图像中心横截面的像素计数，其最大值为1050，注意到为21 e类高斯分布的爱里斑的半

15、宽长。大约为 20 个像素数，我们应用两个阈值，N=800（红虚线）和 1000（蓝虚线）所有像素低于阈值N 需设置为 0（每个像素的最初值） 。联系图 3a的每个阈值，两个垂线表示的是修饰过的点光源图像的全宽2N， 这个全宽由公式（3）可算出，如图 3（B）所示随着阈值增加到接近最大值使Nmax，我们可以看到点光源尺寸大小会急剧减小，另外，由于最初的点光源图像的峰是高度对称的，与原始图像相关的后期处理图像的中心值不会发生明显的转变。图 3(a)通过点光源衍射极限中心区域的横截面（黑色曲线），两个阈值代表的两个阈值， N=800（红） ，和 N=1000（蓝） 。 （b）半宽N作为图像（ a）

16、中阈值 N 的函数图。我们在 3.1 节所介绍的 USAF 光学分辨率检验板第一次成像如图2(a)所示，首先，图4（a）是利用经典，完全照射物体的照明光源，但是在图一的光学成像系统之中并没有一个半径为1mm 的小孔， 4（b）是在图一的实验装置中有着一个半径为 1mm的小孔。 照明光波发散出半径为3mm的光面？覆盖整个物面。 ？没有这个小孔，所成的像具有较好的分辨率，三个条纹的宽度为111um（15 个像素） ，有这个小孔，相面上的瑞利极限为357um（48 个像素） ，这个结果可通过方程一求出，这个值远远大于条纹的宽度，因此他们是不可分辨的。随后我们利用在 3.1节所描述的聚焦扫描和阈值应用对USAF 光学分辨率检验板进行第二次成像，图4（c）和图 4（d）分别为在低强度照明光和高强度照明光源的情况下利用聚焦扫描和阈值技术所获取的图像.我们的成像系统的21 e半宽值值为 20 个像素大小，我们选取N为 5 个像素大小的值，为了使得到N为 5 个像素大小的值（ 37um） ，利用方程三我们计算出需设置阈值 N=0939Nmax,在高强度的照明光源情况下，Nmax 为在一个曝光时间5