CN105759440A - 基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，主要解决现有同类技术工艺复杂、成像分辨率低的问题。其技术方案是：1.对采集到的原始图像进行图像亮度均一化处理和傅立叶变换操作，获得对应的频谱；2.通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同的相位值，组成3×3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和?1级频谱成像信息，得到四组结构光照明的频率分量，并对其进行频率拼接，得到扩展频谱；3.在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体；4.根据该立方体和扩展频谱重建观测目标图像。本发明具有成像分辨率高的优点，可用于光学超分辨率成像。

Description

基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法

本发明是201410320944.7专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于成像技术领域，特别涉及一种光学成像方法，可用于光学超分辨率成像。

背景技术

传统光学成像的分辨率受衍射极限限制，在可见光范围内难以测量小于200nm的距离，因此突破光学系统衍射极限成像的研究极其迫切。

目前，围绕近场和远场超衍射极限成像的研究，已取得令人瞩目的进展。近场超衍射极限成像方法主要采用纳米探针、等离子超级材料以及负折射率材料制备的完美透镜等对倏逝波进行探测，其分辨率不受瑞利判据的限制。但由于纳米探针、等离子超级材料、负折射率材料的制备需满足很苛刻的条件，工艺极其复杂，且技术还不够成熟，导致其扫描探针易对样品造成损伤，且不利于对活体组织进行观测。

而远场超衍射极限成像方法，如受激发射损耗显微技术、随机光学重建显微技术和光敏定位显微技术等，它们通过探测受激荧光分子的荧光信号分布获取样品的空间信息，可探测样品内部，目前可达20～50nm，而极限条件下可达5.8nm的分辨率。但由于其达到的空间分辨率是以严重牺牲时间分辨率为代价的，导致成像过程复杂、耗时长，难以实现实时观测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，以精简材料制备工艺、简化成像过程、提高成像分辨率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术思路是：采用结构光作为成像光源，照明观测目标，借助随机散射介质得到图像，并将其传输至主控计算机中，通过计算成像方法重建出最终的观测目标，获得高质量的超分辨率图像。

二.基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统，包括光学子装置和超衍射极限成像装置，其中：

所述光学子装置，包括光源、两个孔径光阑、扩束器、空间光调制器、四个透镜、λ/4波片、三个反射镜和挡光板；光源发射的光束依次经过第一孔径光阑、扩束器、第一反射镜后照明到空间光调制器上，产生0级光、+1级光和-1级光，这三级光通过第一透镜被平行分开，经λ/4波片得到圆偏振光，再依次通过第二反射镜和第二透镜、第二光阑和第三透镜进行扩束，并借助挡光板挡掉中间的0级光，保留+1级光和-1级光，再经第三反射镜后通过第四透镜，使得+1级光和-1级光在焦平面上发生干涉，产生结构光以照亮观测目标；

所述超衍射极限成像装置，包括三个透镜、第三孔径光阑、随机散射介质、CCD相机；经照亮的观测目标依次经过第五透镜、第三孔径光阑和第六透镜减小整个光束的直径，使光束在随机散射介质中发生强散射，再经第七透镜进行光束能量会聚后，由CCD相机接收图像。

三.基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，包括如下步骤：

(1)对CCD相机采集到的原始图像进行图像亮度均一化处理，以消除由光源波动对图像亮度的影响；

(2)对图像亮度均一化处理后的图像进行傅立叶变换操作，获得对应的频谱；

(3)通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同的相位值，组成3×3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信息；

(4)由四个方向上分离出的0级、+1级和-1级频谱成像信息的重叠区域，得到四组结构光照明的频率分量k_i，i∈{0°,45°,90°,135°}；

(5)利用余弦函数的傅里叶变换特性，将得到的四组结构光照明的频率分量k_i进行频率拼接，得到扩展频谱k₀±k_i，其中k₀为原始频率分量；

(6)利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m；

(7)根据结构光照明扩展的频谱k₀±k_i和随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m，通过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明依据超衍射极限成像和结构光照明成像的原理，设计了基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统，与现有光学系统相比，材料制备工艺简单，系统结构易实现，成像分辨率明显提高。

2)本发明利用角谱理论，设计基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，与现有成像方法相比，既滤掉了杂散光又保留了观测目标的高频信息，且有效的缩减了成像时间，提高了成像分辨率。

附图说明

图1是本发明基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统的结构图；

图2是本发明基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法的实现流程图；

图3是本发明中频谱成像信息分离的示意图；

图4是本发明中频谱扩展的示意图；

图5是本发明中获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明结构光照明下的随机散射光学超衍射极限成像系统的设置，以及成像方法的实现步骤。

参见图1，本发明的成像系统，包括光学子装置和超衍射极限成像装置两部分。其中：

所述光学子装置，包括光源1、两个孔径光阑、扩束器3、空间光调制器4、四个透镜、λ/4波片6、三个反射镜和挡光板12。其中，光源1采用可见光波段的激光器，激光器发射的光束经第一孔径光阑2滤除光束中的杂散光，经扩束器3扩束，通过第一反射镜7控制光束在空间光调制器4上的入射方向，其分别为0°、45°、90°和135°四个方向，即在每个方向上分别产生0级光、+1级光和-1级光；这三级光被第一透镜5平行分开，经λ/4波片6得到具有更好偏振特性的圆偏振光；该圆偏振光通过第二反射镜8改变光路方向，经由第二透镜9、第二光阑10和第三透镜11组成的扩束透镜组进行扩束，再经挡光板12挡掉中间的0级光，保留+1级光和-1级光；借助第三反射镜13改变光路中保留的+1级光和-1级光的传播方向，再通过第四透镜14，在其焦平面上发生干涉，产生结构光以照亮观测目标。

所述超衍射极限成像装置，包括三个透镜、第三孔径光阑17、随机散射介质19、CCD相机21，其中随机散射介质19的厚度选为10～20μm，以减小其对光的吸收并增强其对光的散射。经照亮的观测目标经由第五透镜16、第三孔径光阑17和第六透镜18组成的逆向扩束透镜组，以滤除光路中的杂散光并减小整个光束的直径，然后使光束通过随机散射介质19，并在其内部发生强散射，经强散射后的输出光束经第七透镜20进行能量会聚，最后由CCD相机21接收图像。

参见图2，本发明的成像方法，其实现步骤如下：

步骤1，采集原始图像并进行图像亮度均一化处理。

1a)通过CCD相机采集原始图像T(r)，并上传到主控计算机；

1b)主控计算机根据图像亮度均一化原理，用原始图像的模值|T(r)|除以原始图像T(r)，得到亮度均一化的图像以消除由光源波动对图像亮度的影响，并将其保存在主控计算机中。

步骤2，获取亮度均一化图像的频谱，即对亮度均一化的图像D(r)进行傅里叶变换，得到该亮度均一化图像的频谱其中，表示傅里叶变换操作。

步骤3，分离出0°、45°、90°和135°每个方向上0级、+1级和-1级频谱成像信息。

参见图3，本步骤的实现如下：

3a)通过主控计算机控制空间光调制器分别在0°、45°、90°和135°每个方向上任意输入三个不同的相位值φ_j，j∈{1,2,3}；

3b)将三个不同的相位值φ_j代入结构光照明强度表达式，得到结构光在0°、45°、90°和135°每个方向上光强度表达式如下：

I(r)＝I₀[1+cos(k_i·r)+φ_j]， <1>

其中，I₀为光源的光强度，k_i为不同方向结构光照明的频率分量，i∈{0°,45°,90°,135°}，r为空间坐标；

3c)根据结构光在0°、45°、90°和135°每个方向上光强度I(r)和整个光学系统的点扩散函数PSF(r)，得到整个光学系统模型的数学表达式：

$D\left(r\right)=\&lsqb;O\left(r\right)\&CenterDot;I\left(r\right)\&rsqb;\&CircleTimes;PSF\left(r\right)---<2>$

其中，O(r)代表观测目标图像，D(r)代表亮度均一化后的图像，PSF(r)表示整个光学系统的点扩散函数；

3d)对公式<2>进行傅立叶变换，得到整个光学系统频率域内的数学表达式：

$D\left(k\right)=I_0\&lsqb;S\left(k_0\right)+0.5S(k_0+k_i)e^{-{\mathrm{i\&phi;}}_j}+0.5S(k_0-k_i)e^{{\mathrm{i\&phi;}}_j}\&rsqb;OTF\left(k\right)---<3>$

其中，D(k)为亮度均一化图像的频谱，OTF(k)表示整个光学系统的光学传递函数，S(k₀)、S(k₀+k_i)、S(k₀-k_i)分别为0级、+1级、-1级频谱成像信息；

3e)通过主控计算机控制空间光调制器输入的三个不同的相位φ_j，j∈{1,2,3}，代入公式<3>，组成3×3线性方程组：

$\left\{\begin{array}{c}D\left(k\right)=I_0\&lsqb;S\left(k_0\right)+0.5S(k_0+k_i)e^{-{\mathrm{i\&phi;}}_1}+0.5S(k_0-k_i)e^{{\mathrm{i\&phi;}}_1}\&rsqb;OTF\left(k\right)\\ D\left(k\right)=I_0\&lsqb;S\left(k_0\right)+0.5S(k_0+k_i)e^{-{\mathrm{i\&phi;}}_2}+0.5S(k_0-k_i)e^{{\mathrm{i\&phi;}}_2}\&rsqb;OTF\left(k\right)\\ D\left(k\right)=I_0\&lsqb;S\left(k_0\right)+0.5S(k_0+k_i)e^{-{\mathrm{i\&phi;}}_3}+0.5S(k_0-k_i)e^{{\mathrm{i\&phi;}}_3}\&rsqb;OTF\left(k\right)\end{array}\right.$

求解该方程组，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信息，即S(k₀)、S(k₀+k_i)、S(k₀-k_i)。

步骤4，由结构光在0°、45°、90°和135°这四个方向上分别分离出的0级、+1级和-1级频谱成像信息S(k₀)、S(k₀+k_i)、S(k₀-k_i)的重叠区域，得到四组结构光照明的频率分量k_i，i∈{0°,45°,90°,135°}。

步骤5，利用余弦函数的傅里叶变换特性，将得到的四组结构光照明的频率分量k_i进行频率拼接，得到扩展频谱k₀±k_i，使得结构光照明获得的图像中包含更多的高频信息，从而有助于分辨率的提高，其中，k₀为原始频率分量，扩展后的频谱如图4所示。

步骤6，获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m；

参见图5，本步骤的实现如下：

6a)根据角谱理论，得到经过观测目标的入射平面波场为:

$E_o(x,y)=\underset{k_x,k_y}{\&Sigma;}{A}_o(k_x,k_y)e^{i(k_{x}x+k_{y}y)}---<4>$

其中，k_x和k_y分别代表光波在x轴和y轴方向的波矢量分量，且与入射光和光轴之间的夹角θ_x、θ_y有关，即k_x/2π＝sinθ_x/λ，k_y/2π＝sinθ_y/λ，A_o(k_x,k_y)称为角谱，表示各平面波分量的复振幅；

6b)根据公式<4>中入射光与x轴之间的夹角θ_x、与y轴之间的夹角θ_y，将不同角度(θ_x,θ_y)的激光光束依次照射于随机散射介质的同一位置，分别记录各角度入射光照射时，在像面上产生的散斑场E_m(x,y,k_x,k_y)即为随机散射介质传输矩阵；

6c)将不同角度入射光照射时，像面上产生的不同的散斑场E_m(x,y,k_x,k_y)叠加在一起就构成了随机介质传输矩阵数据立方体E_m。

步骤7，重建观测目标图像。

7a)将结构光照明扩展的频谱k₀±k_i进行傅里叶逆变换，得到空间域内的散斑场E_s(x,y)，该散斑场中包含有更多的观测目标高频信息；

7b)将空域内的散斑场E_s(x,y)，用角谱和随机散射介质传输矩阵表示为：

$E_s(x,y)=\underset{k_x,k_y}{\&Sigma;}{A}_o(k_x,k_y)E_m(x,y,k_x,k_y)---<5>$

其中，A_o(k_x,k_y)为角谱，E_m(x,y,k_x,k_y)为随机散射介质传输矩阵；

7c)将步骤7a)得到的空域内的散斑场E_s(x,y)和步骤6b)得到的随机散射介质传输矩阵E_m(x,y,k_x,k_y)，代入公式<5>解出角谱A_o(k_x,k_y)；

7d)将得到的角谱A_o(k_x,k_y)代入入射平面波场式解出经过观测目标的入射平面波场E_o(x,y)；

7e)对经过观测目标的入射平面波场E_o(x,y)取绝对值后平方，获得最终重建的观测目标图像T：

T＝|E_o(x,y)|²。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，包括以下步骤：

(1)对CCD相机采集到的原始图像进行图像亮度均一化处理，以消除由光源波动对图像亮度的影响；

(2)对图像亮度均一化处理后的图像进行傅立叶变换操作，获得对应的频谱；

(3)通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同的相位值，组成3×3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信息；

(4)由四个方向上分离出的0级、+1级和-1级频谱成像信息的重叠区域，得到四组结构光照明的频率分量k_i，i∈{0°,45°,90°,135°}；

(5)利用余弦函数的傅里叶变换特性，将得到的四组结构光照明的频率分量k_i进行频率拼接，得到扩展频谱k₀±k_i，其中k₀为原始频率分量；

(6)利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m；

(7)根据结构光照明扩展的频谱k₀±k_i和随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m，通过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像。

2.根据权利要求1所述的基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，其中步骤(3)所述的通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同的相位值，组成3×3线性方程组并求解，按如下步骤进行：

6a)通过主控计算机控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上任意输入三个不同的相位值φ_j，j∈{1,2,3}；

6b)将三个不同的相位值φ_j代入结构光照明强度表达式，得到结构光在0°、45°、90°和135°每个方向上光强度表达式如下：

I(r)＝I₀[1+cos(k_i·r)+φ_j] <1>

其中，I₀为光源的光强度，k_i为不同方向结构光照明的频率分量，i∈{0°,45°,90°,135°}，r为空间坐标；

6c)根据结构光在0°、45°、90°和135°每个方向上光强度I(r)和整个光学系统的点扩散函数PSF(r)，得到整个光学系统所成图像D(r)的数学表达式：

$D\left(r\right)=\&lsqb;O\left(r\right)\&CenterDot;I\left(r\right)\&rsqb;\&CircleTimes;PSF\left(r\right)---<2>$

其中，O(r)代表观测目标图像，D(r)代表整个光学系统所成的图像，PSF(r)表示整个光学系统的点扩散函数；

6d)对公式<2>进行傅立叶变换，得到整个光学系统所成图像在频率域内的数学表达式：

$D\left(k\right)=I_0\&lsqb;S\left(k_0\right)+0.5S(k_0+k_i)e^{-{\mathrm{i\&phi;}}_j}+0.5S(k_0-k_i)e^{{\mathrm{i\&phi;}}_j}\&rsqb;OTF\left(k\right)---<3>$

其中，D(k)为频率域内整个光学系统所成的图像，OTF(k)表示整个光学系统的光学传递函数，S(k₀)、S(k₀+k_i)、S(k₀-k_i)分别为0级、+1级、-1级频谱成像信息；

6e)通过控制空间光调制器输入的三个不同的相位φ_j，j∈{1,2,3}，代入公式<3>，组成3×3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信息，即S(k₀)、S(k₀+k_i)、S(k₀-k_i)。

3.根据权利要求1所述的基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，其中步骤(6)所述的利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m，按如下步骤进行：

7a)根据角谱理论可知，得到经过观测目标的入射平面波场为:

$E_o(x,y)=\underset{k_x,k_y}{\&Sigma;}{A}_o(k_x,k_y)e^{i(k_{x}x+k_{y}y)}---<4>$

其中，k_x和k_y分别代表光波在x轴和y轴方向的波矢量分量，且与入射光和光轴之间的夹角θ_x、θ_y有关，即k_x/2π＝sinθ_x/λ，k_y/2π＝sinθ_y/λ，A_o(k_x,k_y)称为角谱，表示各平面波分量的复振幅；

7b)根据公式<4>中入射光与光轴之间的夹角θ_x、θ_y，将不同角度(θ_x,θ_y)的激光光束依次照射于随机散射介质的同一位置，分别记录各角度入射光照射时，像面上产生的散斑场E_m(x,y,k_x,k_y)即为随机散射介质传输矩阵；

7c)将不同角度入射光照射时，像面上产生的不同的散斑场E_m(x,y,k_x,k_y)叠加在一起就构成了随机介质传输矩阵数据立方体E_m。

4.根据权利要求1所述的一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，其中步骤(7)所述的根据结构光照明扩展的频谱k₀±k_i和随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m，通过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像，按如下步骤进行：

8a)将结构光照明扩展的频谱k₀±k_i进行傅里叶逆变换，得到空间域内的散斑场E_s(x,y)，该散斑场中包含有更多的观测目标高频信息；

8b)将空域内的散斑场E_s(x,y)，用角谱和随机散射介质传输矩阵表示为：

$E_s(x,y)=\underset{k_x,k_y}{\&Sigma;}{A}_o(k_x,k_y)E_m(x,y,k_x,k_y)---<5>$

其中，A_o(k_x,k_y)为角谱，E_m(x,y,k_x,k_y)为随机散射介质传输矩阵；

8c)将步骤8a)得到的空域内的散斑场E_s(x,y)和步骤7b)得到的随机散射介质传输矩阵E_m(x,y,k_x,k_y)，代入公式<5>，进行反解，获得角谱A_o(k_x,k_y)；

8d)将得到的角谱A_o(k_x,k_y)代入入射平面波场式：解出经过观测目标的入射平面波场E_o(x,y)；

8e)对经过观测目标的入射平面波场E_o(x,y)取绝对值后平方，获得最终重建的观测目标图像T：

T＝|E_o(x,y)|²。