CN104159094B - 一种改善光学扫描全息层析成像效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善光学扫描全息层析成像效果的方法，属于光学层析成像领域，可以实时地解决传统光学扫描技术中重建的截面图像伴有较大的离焦噪声的缺陷。本发明利用光学加密技术中的随机相位编码技术，将传统光学扫描全息系统中的某一路光瞳函数换成随机型相位光瞳函数，把离焦层图像的重建等效为在错误解密秘钥情况下的解密，这样重建的截面图像上叠加的离焦层图像是统计独立的高斯白噪声，从而大大减小了离焦噪声对聚焦层图像的影响。同时还可以通过设计一个高斯型滤波器来滤除离焦噪声，以此来提高系统的纵向分辨率。另外，采用本发明方法的系统其光学传递函数的带宽更宽，所重建的截面图像横向分辨率更高。

Description

一种改善光学扫描全息层析成像效果的方法

技术领域

本发明属于光学层析成像领域，具体说是一种光学扫描全息层析成像方法。

背景技术

传统的光学层析成像技术主要采用的是逐层多次扫描记录方式，因此要花费很多时间在不同轴向位置层面的扫描上。Poon提出了一种非常规的数字全息术——光学扫描全息术(T.-C.Poon,“Scanningholographyandtwo-dimensionalimageprocessingbyacousto-optictwo-pupilsynthesis,”J.Opt.Soc.Am.A2,621–627,1985)。该技术在采集速度方面具有很大优势，仅用单次二维光学外差扫描就可以获取到整个三维物体的数据信息，通过这些数据可以重建不同轴向位置的截面图像。从已有的研究可以看出，光学扫描全息技术是目前最具潜力的层析技术之一，有望成为荧光显微层析成像的主流技术。

图1为Poon等人所提出的传统光学扫描全息成像系统原理图，通过将两路光波叠加形成的衍射图样（菲涅尔波带板）来扫描三维物体。理论分析表明，该扫描记录过程可等效为扫描光场与被扫描物体光透过率函数的卷积运算过程，系统的输出是复数全息图的形式。在该系统中，三维物体截面图像的重建是通过所记录的全息图与聚焦层的脉冲响应的共轭相卷积得到的，这样处理会导致离焦层截面图像以模糊图像的形式（离焦噪声）叠加在重建的聚焦层截面图像上，从而使得该系统的纵向分辨率较低。由于这类模糊图像与所对应的离焦层图像存在一定的关系，不同的离焦层表现的离焦噪声不一样，因此没有确定的规律，不具有统计特性。目前这类噪声都是通过后处理方式来滤除，即通过先验知识进行预测，然后建立噪声模型进行滤除。这些方法都比较复杂，计算工作量大且效果有限。

发明内容

为了减小传统光学扫描全息系统中离焦噪声对聚焦层图像的干扰，改善层析效果，提高系统的分辨率，本发明提出了一种可以改善光学扫描全息层析成像效果的方法。

本发明的结构原理图和传统光学扫描全息系统的一样，不同的只是光瞳函数的选取。在本发明中，将传统光学扫描全息系统中的光瞳函数换成了随机型相位光瞳函数，利用随机型相位光瞳函数可以把离焦层图像转换成高斯噪声形式，并且可以通过设计一个高斯型滤波器来滤除这些离焦噪声，以提高系统的纵向分辨率。由于该系统是非相干成像系统，系统的光学传递函数是光瞳函数的互相关，因此，采用本发明方法的系统，其光学传递函数的带宽更宽，所重建的截面图像横向分辨率更高。

本发明所述的改善光学扫描全息层析成像效果的方法包括以下步骤：

(1)将待测三维物体置于距离透镜L1后焦平面z的位置处，记录编码阶段的复数全息图；

(2)将一点元物体（针孔）置于距离透镜L1后焦平面z_d的位置处，同时还要按一定规则调整光瞳函数，记录解码阶段的复数全息图；

(3)通过将编码阶段和解码阶段所记录的全息图和在计算机上做卷积运算，可以得到重建截面图像信息。

其中，上述步骤(1)的具体实现过程如下：

(1a)频率为的光束通过分光镜后分成两路光波，其中一路经过声光移频器调制，使得两路光波呈现频率差，接着这两路光波分别通过编码光瞳和，两个光瞳均放置在透镜L1的前焦平面上；

(1b)两路光波经合束镜合束后，再通过透镜L1汇聚到x-y型两轴电动旋转台上的反射镜，通过运动控制器来控制光束对三维物体进行逐点扫描。通过理论分析可知，该扫描过程可等效于卷积运算的过程，且光电探测器输出的电流信号就是扫描光场与物体透射率函数卷积的结果。其中，系统的光学传递函数可表示为

(1)

式中的“*”表示复共轭，为波数，为透镜L1的焦距，和为空间频率，z为待测三维物体到透镜L1后焦平面的距离；

(1c)输出电流包含了直流成分和频率为的交流成分，经过中心频率为的带通滤波器（BPF），滤除直流成分及高频干扰成分后，得到外差交流信号；

(1d)分两路分别与相互正交的两路单频信号和混频，通过低通滤波器（LPF）提取出同相分量和正交分量，并作为复数全息图的实部和虚部分别存储到计算机上，最终在计算机中构建的复数全息图为，该复数全息图记录了被扫描三维物体的相位信息，可表示为

(2)

式中的“”和“”分别表示傅里叶及逆傅里叶运算符，为三维物体某层截面图像到透镜L1后焦平面的距离，表示的是各层截面图像的透过率函数；编码阶段采用的是光瞳函数为和的光瞳，其中是在区间[0,1]上服从均匀概率分布的随机变量；将各参量分别代入(1)、(2)式，则可以得到编码阶段计算机记录的复数全息图为

(3)

其中表示的傅里叶变换。

所述步骤(2)的具体实现如下：

(2a)调整系统的光瞳函数，令，而则根据Gerchberg-Saxton相位迭代恢复算法确定，然后重复上述编码阶段步骤，只是将三维物体更换为一个点元物体（针孔），并记录所扫描点元物体相应的全息图，称为解码阶段的复数全息图：

(4)

式中表示点元物体所在位置，表示的是的傅里叶变换；的取值范围对应于上述编码阶段所扫描三维物体的各层截面所在位置，以便通过改变的取值来重建三维物体的各层截面图像。

在实际应用中，为了尽量满足实时性的要求，可以事先得到所有可能取值处对应的解码阶段复数全息图，即通过不断改变点物的摆放位置，重复上述步骤得到(4)式，来记录不同轴向位置处的解码复数全息图，并保存到计算机中。

通过将编码阶段和解码阶段所记录的全息图和在计算机上做卷积运算，可以得到重建截面图像信息

(5)

对于的截面层（称为聚焦层），如果光瞳函数满足下面条件：

(6)

则该层截面图像将能完全再现；而对于的那些截面层（称为离焦层），这些离焦层图像以随机散斑的形式出现在聚焦层，并且随着的增大，离焦层图像变成分布较均匀的背景噪声；越大，离焦层图像对聚焦层图像的干扰越小，最终越容易被滤除。

与传统的光学扫描全息技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)重建的离焦层图像以高斯随机噪声的形式叠加在聚焦层图像上，噪声分布均匀而且幅值较小；相较于传统的光学扫描全息系统，本发明重建图像上所叠加的离焦噪声对聚焦层图像的观看影响要小得多；

(2)离焦噪声满足高斯概率分布函数，可以通过设计高斯型滤波器把这种离焦噪声滤除掉，以此提高系统的纵向分辨率，并且不需要对离焦图像具备先验知识；

(3)可以提高系统的带宽，压缩系统的点扩散函数，提高重建截面图像的横向分辨率；

(4)这是一种预处理方法，可以实时检测形态变化，如果应用于临床医学，对于病变组织器官的诊断是非常有用的。

附图说明

附图1为本发明方法系统原理图。

附图2为本发明—实施例的待测三维物体模型。

附图3为本发明—实施例中扫描光场分布。

附图4为本发明—实施例中采用不同方法在不同轴向位置处获得的重建截面图像。

上述附图中的图示标号为：

1分光镜，2声光移频器，3反射镜，4光瞳，5合束镜，6透镜，7x-y型两轴电动旋转台，8三维物体，9光电探测器，10带通滤波器，11模拟乘法器，12低通滤波器，13计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，对本发明的一个具体实施例进行描述。

本实施例中使用输出功率约为20mW的固体激光器作为光源，光波长为，透镜L1的焦距，光瞳大小为，如图2所示的简单三维物体模型的三幅截面图像大小均为，其中层的截面图像距离透镜L1后焦平面的距离为，相邻截面图像的距离为。

整个图像重建过程可按如下步骤实现：

(1)记录编码阶段的复数全息图

在这个阶段，选用空间光调制器的出射面作为其中一个光瞳函数，将其摆放在图1中所示的透镜L1前焦平面上，通过计算机读入确定分布的光瞳函数值图像到空间光调制器上，并经相位调制功能改变输出光的相位分布。通常是把一幅像元数为256×256，且灰度值在0~255范围内均匀随机分布的图像作为空间光调制器的输入图像，空间光调制器的相位调制范围为0~2π，因此当一束均匀光波经该空间光调制器输出后，得到的将是一束在输出面上相位随机分布的光波，即此时的空间光调制器等效为一个相位在0~2π随机分布的随机型光瞳函数，其中表示在区间[0,1]上服从均匀概率分布的随机变量。另一个光瞳函数则等效为，经过两个光瞳后的两路光波叠加后形成的光场强度是随机分布的，扫描光场分布如图3所示。扫描过程必须与数据采集过程保持同步，即每扫描一个点，计算机则对应记录该点的信息，扫描点数也为256×256个点。通过三维物体的透射光，经过光电接收器接收、转换为电流信号，并通过放大、滤波、采样等处理后得到三维物体的数字全息图信息，计算机记录的是256×256大小的复数矩阵。

(2)记录解码阶段的复数全息图

首先将编码阶段的光瞳函数替换成，根据(6)式的约束条件采用Gerchberg-Saxton相位迭代恢复算法确定，并且将待测物体替换成一点元物体（针孔）放置在轴向位置z₁处，即取，重复步骤(1)，可得到z₁处的解码复数矩全息图矩阵。将点元物体放置在轴向位置z₂和z₃处，重复上述步骤可依次获得z₂和z₃处的解码复数全息图矩阵、。

为了尽量满足实时性的要求，可以事先确定对应于所有z_d取值的解码复数全息图矩阵，即通过不断改变点物的摆放位置，来记录不同轴向位置处的解码复数全息图，然后保存到计算机中。这里要重建的截面图像有三层，所以需要对应的三层截面图像所在位置处的解码全息图，将三层解码全息图矩阵、、保存在计算机中待进一步处理。

(3)三维物体截面图像的数字重建

将编码阶段记录的复数全息图矩阵分别与解码全息图矩阵、、在计算机上做卷积运算，可依次得到z₁、z₂和z₃处大小仍是256×256的重建图像矩阵、、。

如图4所示分别展示了待测物体的实际截面图像以及采用传统光学扫描全息方法和本发明方法进行截面图像重建的对比效果图。其中，图4(a)、(b)、(c)分别为待测物体在z₁、z₂和z₃的实际截面图像，三幅图像的条纹粗细不一样，说明这三幅图像所含的频率成分不一样。其中z₂层截面图像包含的条纹最细，z₁层的次之，z₃层的最粗。图4(d)、(f)、(h)展示的是传统光学扫描全息系统的聚焦层图像，从图4(d)、(f)、(h)中可以看出，聚焦层图像虽然可以清晰地重建出来，但离焦层图像也以模糊图像的形式叠加在聚焦层上。这类离焦噪声与所对应的离焦层图像存在一定的关系，没有确定的统计规律，只能通过先验知识进行预测，然后建立相应的噪声模型进行滤除。而从图4(f)中还可以看到，不仅存在离焦模糊图像，而且聚焦层图像由于受到系统截止频率的限制而丢失高频细节信息。而图4(e)、(g)、(i)所展示的本发明方法不仅可以清晰地重现聚焦层图像，从观看效果来讲，能够较好地减弱离焦层图像的干扰影响。由此可见，采用本发明方法的系统不仅可以提高系统的纵向分辨率，还可以提高各层截面图像的横向分辨率。

Claims (2)

1.一种改善光学扫描全息层析成像效果的方法，其特征在于包括以下编码阶段、解码阶段和图像重建三个步骤：

(1)编码阶段；将待测三维物体置于距离透镜L1后焦平面一定距离，其各层截面的空间坐标用(x，y，z_i)表示，i为组成三维物体的截面层数。然后按下述具体方法记录编码阶段的复数全息图H_c(x,y,z_i)：

(1a)频率为ω₀的光束通过分光镜后分成两路光波，其中一路经过声光移频器调制，使得两路光波呈现频率差Δν，接着这两路光波分别通过编码光瞳p_1c(x,y)和p_2c(x,y)，两个光瞳均放置在透镜L1的前焦平面上；

(1b)两路光波经合束镜合束后，再通过透镜L1汇聚到x-y型两轴电动旋转台上的反射镜，通过运动控制器来控制光束对三维物体进行逐点扫描，通过理论分析可知，该扫描过程可等效于卷积运算的过程，且光电探测器输出的电流信号就是扫描光场与物体透射率函数卷积的结果，其中，系统的光学传递函数可表示为

式中的“*”表示复共轭，k₀为波数，f为透镜L1的焦距，k_x和k_y为空间频率，z为待测三维物体到透镜L1后焦平面的距离；

(1c)输出电流i(x,y)包含了直流成分和频率为Δν的交流成分，经过中心频率为Δν的带通滤波器(BPF)，滤除直流成分及高频干扰成分后，得到外差交流信号i_Δ(x,y)；

(1d)i_Δ(x,y)分两路分别与相互正交的两路单频信号cos(Δνt)和sin(Δνt)混频，通过低通滤波器(LPF)提取出同相分量i_c(x,y)和正交分量i_s(x,y)，并作为复数全息图的实部和虚部分别存储到计算机上，最终在计算机中构建的复数全息图为H(x,y)＝i_c(x,y)+ji_s(x,y)，该复数全息图记录了被扫描三维物体的相位信息，可表示为

H(x,y,z_i)＝F^-1{F[I(x,y；z_i)]×OTF_Δ(k_x,k_y；z_i)}(2)

式中的“F”和“F^-1”分别表示傅里叶及逆傅里叶运算符，z_i为三维物体某层截面图像到透镜L1后焦平面的距离，I(x,y；z_i)表示的是各层截面图像的透过率函数；编码阶段采用的是光瞳函数为p_1c(x,y)＝exp[j2πr(x,y)]和p_2c(x,y)＝1的光瞳，其中r(x,y)是在区间[0,1]上服从均匀概率分布的随机变量；将各参量分别代入(1)、(2)式，则可以得到编码阶段计算机记录的复数全息图为

其中P_1c表示的是p_1c的傅里叶变换；

(2)解码阶段；将一点元物体(针孔)置于距离透镜L1后焦平面z_d的位置处，同时还要按一定规则调整光瞳函数，然后按下述具体方法记录解码阶段的复数全息图H_d(x,y,z_d)：

(2a)调整系统的光瞳函数，令p_1d(x,y)＝1，而p_2d(x,y)则根据Gerchberg-Saxton相位迭代恢复算法确定，然后重复上述编码阶段步骤，只是将三维物体更换为一个点元物体(针孔)，并记录所扫描点元物体相应的全息图，称为解码阶段的复数全息图H_d(x,y,z_d)：

式中z_d表示点元物体所在位置，P_2d表示的是p_2d的傅里叶变换；z_d的取值范围对应于上述编码阶段所扫描三维物体的各层截面所在位置，以便通过改变z_d的取值重建三维物体的各层截面图像；

(3)图像重建；通过将编码阶段和解码阶段所记录的全息图H_c(x,y,z_i)和H_d(x,y,z_d)在计算机上做卷积，并按照下述公式进行运算，可以得到重建的截面图像信息

对于z_i＝z_d的截面层(称为聚焦层)，如果光瞳函数满足下面条件：

(C为常数)(6)

则该层的截面图像将能完全再现；而对于z_i≠z_d的那些截面层(称为离焦层)，这些离焦层图像以随机散斑的形式呈现在聚焦层，并且随着|z_d-z_i|的增大，离焦层图像变成分布较均匀的背景噪声；|z_d-z_i|越大，离焦层图像对聚焦层图像的干扰越小，最终越容易被滤除。

2.根据权利要求1所述的一种改善光学扫描全息层析成像效果的方法，其特征在于，所述的步骤(2)可以预先完成，即在实际应用中，为了尽量满足实时性的要求，可以事先得到所有z_d可能取值处对应的解码阶段复数全息图，即通过不断改变点物的摆放位置，重复上述步骤得到(4)式，来记录不同轴向位置处的解码复数全息图，并保存到计算机中。