CN107145052B - 基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，包括步骤：搭建成像系统；利用所述成像系统获取一样品的全息图；对所述全息图做数字差值获得插值全息图；通过处理所述插值全息图，获得一第一像面处的光场分布；对所述第一像面处的光场分布进行一定次数迭代，获得所述样品所在平面所对应的一样品面的最终光场分布，并将其作为输出结果。本发明的一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，能够有效提高成像分辨率并能有效消除相位信息缺失产生的孪生像，具有分辨率高、有效性强、操作便捷和适应性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及全息成像领域，尤其涉及一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法。
背景技术
显微成像技术被广泛应用于生物医学、医疗健康、病理等众多重要领域，是现代检疫检测与科学研究不可或缺的工具，是人们通往微观世界大门的钥匙。一直以来，在微米级成像区，显微成像技术的载体都是传统的光学显微镜，传统光学显微镜是几何光学的重要应用，是利用若干透镜的组合实现光学放大，基本结构包括显微物镜，目镜，光源以及载物台。简单的结构以及高质量的成像效果使得传统显微镜在生产生活中占据重要的位置。二十世纪光学理论和相关技术的飞速发展并未给显微镜的基本结构带来冲击，而新的要求在生产实践中不断产生，传统显微镜的不足逐渐凸显。作为基于透镜的成像系统，透镜的固有缺陷成为提高其成像质量的一大瓶颈，如何更有效地消除透镜的像差一直都是光学设计的重点。一个有效的做法是通过多个透镜的组合来消除自身的固有像差。透镜的组合使得显微镜的造价成本急剧上升，例如一个高端的显微物镜价格可以达到几千美元；与此同时，自身重量也会快速增加，与现代便携式的观念背道而驰。传统显微镜的另一个缺点就是成像视场小，视场和放大率不能兼顾，在高倍率成像条件下，所观察的视场将变得非常小，不利于进行多目标观测。
全息成像是一种全新的成像技术。该成像方法不仅能记录更多的信息(强度和相位)，而且是一种无透镜成像技术，这使得成像光路更紧凑，利于集成。数字全息成像作为全息成像的主流发展方向之一，具有方法简单、成像速度快、鲁棒性强等优点，但也存在分辨率不足的问题。同轴全息作为结构最简单的一种结构，其分辨率主要由两部分决定：成像系统的数字孔径(NumericalAperture,NA)以及成像元件(CMOS/CCD)的像素大小。当在较短距离内传播时，对光波传播描述最为精确的标量计算方法是角谱传播理论(AngularSpectrummethod)，数字全息重建时，角谱传播理论得到的物面和像面采样间隔是一致的。数字记录时成像元件的像素尺寸决定了记录采样时对全息图的采样间隔，也决定了所能重建最大空间频率。如果光源波长λ＝473nm，传播距离z＝5mm，CMOS像元尺寸Δ＝2.2μm，像素数N＝1000，由Rayleigh(瑞利)衍射限制的分辨率为R≈0.7μm，而Nyquist频率(尼奎斯特频率)限制的分辨率为4.4μm，因此对于紧凑型数学全息成像系统，成像元件的像元尺寸是最终的限制因素。
目前，克服像素大小对分辨率限制的方法基本都是基于图像亚像素分辨率算法。具体做法是利用亚像素分辨率算法合成多张低分辨率的图像组合成一幅高分辨率图像，其原理是利用亚像素分辨率算法得到这些低分辨率图片的相对亚像素位移，通过算法得到高分辨率合成图像。
综上所述，现有的提高数字同轴全息重构分辨率的方法存在的主要问题是：(1)需要通过多张图像合成，极大降低了成像效率；(2)亚像素分辨率算法是样品相关的，对不同样品所得到的结果误差相差较大。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，能够有效提高系统的成像分辨率并能有效消除相位信息缺失产生的孪生像，具有分辨率高、有效性强、操作便捷和适应性强的优点。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，包括步骤：
S1：搭建一成像系统；
S2：利用所述成像系统获取一样品的全息图；
S3：对所述全息图做数字差值获得插值全息图；
S4：通过处理所述插值全息图，获得一第一像面处的光场分布；
S5：对所述第一像面处的光场分布进行一定次数迭代，获得所述样品所在平面所对应的一样品面的最终光场分布，并将其作为输出结果。
优选地，所述成像系统包括：一光源、一载物台、一成像器件、一透明平行平板和至少一样品；所述样品设置于所述载物台上，所述光源设置于所述样品的正上方，所述成像器件采集所述样品经所述光源照射产生的全息图。
优选地，所述S2步骤进一步包括步骤：
S21：通过所述成像器件获取所述样品的一第一全息图；
S22：将所述透明平行平板插入所述样品与所述成像器件之间以增加所述样品和所述成像器件之间的光程，且所述透明平行平板与所述样品所在平面平行；
S23：通过所述成像器件获取所述样品的一第二全息图。
优选地，所述S3步骤中：对所述第一全息图做数字差值获得一第一插值全息图，对所述第二全息图做数字差值获得一第二插值全息图；
所述S4步骤中：通过在所述样品面、所述第一插值全息图所对应的第一像面以及所述第二全息图所对应的第二像相面之间做相位迭代，获得所述第一像面处的光场分布；进一步包括步骤：
S41：根据角谱理论和所述第一插值全息图计算得到所述样品面的光场分布并传播得到所述第二像面处的光场分布；
S42：利用所述第二插值全息图的光场幅值替代所述第二像面处的光场分布的振幅，并将更新后的所述第二像面处的光场分布传播到所述样品面，获得所述样品面的光场分布；
S43：将所述样品面的光场分布传播到所述第一像面处，得到所述第一像面处的光场分布。
优选地，所述角谱传播理论的表达式为：
其中，U2(x,y)为所述样品所在平面的光场分布，所述U1(x,y)为所述第一全息图的光场分布；λ为波长；fx为光波空间频率的x轴分量，fy为光波空间频率的y轴分量，|U2(x,y)|为光场幅值，为相位。
优选地，所述S42中根据公式(2)将所述第二插值全息图的光场幅值代入所述公式(1)中：
其中，|Uc(x,y)|为光场幅值，Ic为所述第二插值全息图的光场强度。
优选地，所述成像系统包括：一光源、一朗奇光栅、一载物台、一成像器件和至少一样品；所述样品设置于所述载物台上，所述光源设置于所述样品的正上方，所述朗奇光栅设置于所述光源和所述样品之间，所述光源通过所述朗奇光栅对所述样品照射后产生的投影落在所述成像器件上；所述朗奇光栅与所述平面的距离为二分之一的泰伯距离，所述朗奇光栅的周期为d。
优选地，所述S3步骤中：
对所述成像器件采集的所述全息图进行插值，并进行强度调制，得到调制后的所述插值全息图。
优选地，所述S4步骤包括步骤：
S41：根据角谱理论和所述插值全息图计算得到所述样品面的光场分布；
S42：利用所述朗奇光栅，对所述样品面的光场分布进行约束，包括步骤：将所述朗奇光栅不透光的部分所对应的光场数据设为零，而将所述朗奇光栅透光的部分所对应的光场数据保持不变，将更新后的所述样品面的光场分布传播到所述插值全息图所对应的一像面，获得所述像面处的光场分布；
S43：将所述像面处的光场分布的振幅用所述插值全息图的强度的均方根替代，得到所述第一像面处的光场分布。
优选地，所述对所述成像器件采集的所述全息图进行插值，并进行强度调制，得到调制后的所述插值全息图步骤中，根据一公式(3)对所述插值全息图进行强度调制：
U＝U0·Ghi-res/Glow-res (3)；
其中，U0为光场分布，U为调制后的光场分布，Ghi-res为所述光源通过一高分辨率光栅传播到所述成像器件的幅值分布，Glow-res为所述光源通过相对于所述高分辨率光栅而言的一低分辨率光栅传播到所述成像器件的幅值分布。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
成像系统结构简单，且不需要透镜，样品适应能力强。利用角谱理论、数字插值和相位迭代相结合的方法有效提高了成像分辨率，且无需通过多张图像合成，提高了成像的效率，
附图说明
图1为本发明实施例一的基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法的流程图；
图2为本发明实施例二的基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图1～图2，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例一的本发明提供一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，包括步骤：
S1：搭建成像系统。
其中，成像系统包括：一光源、一载物台、一成像器件、一透明平行平板和一样品；样品设置于载物台上，光源设置于样品的正上方，光源对样品照射后产生的投影落在成像器件上。本实施例中，使用的光源波长为473nm，载物台和成像器件之间的距离为5mm。成像器件采用CMOS图像传感器。成像过程不需要透镜，样品适应能力强，可以为仅含的强度信息的一般样品，如USAF 1951分辨率板或者聚氯乙烯微球；亦可为包含相位信息的生物样品，如藻类，细胞，细菌等。
S2：利用成像系统获取一样品的第一全息图和第二全息图。
具体地，S2步骤进一步包括步骤：
S21：通过成像器件获取样品的第一全息图；
S22：将透明平行平板插入样品与成像器件之间以增加样品和成像器件之间的光程，且透明平行平板与样品所在平面平行；
S23：通过成像器件获取样品的第二全息图。
S3：对第一全息图做数字差值获得一第一插值全息图，对第二全息图做数字差值获得一第二插值全息图；当前迭代次数为1。
S4：通过在样品面、第一插值全息图所对应的第一像面以及第二全息图所对应的第二像相面之间做相位迭代，获得第一像面处的光场分布；进一步包括步骤：
S41：根据角谱理论和第一插值全息图计算得到样品面的光场分布并传播得到第二像面处的光场分布；
S42：利用第二插值全息图的光场幅值替代第二像面处的光场分布的振幅，并将更新后的第二像面处的光场分布传播到样品面，获得样品面的光场分布；
其中，角谱传播理论的表达式为：
其中，U2(x,y)为样品所在平面的光场分布，U1(x,y)为第一全息图的光场分布；λ为波长；fx为光波空间频率的x轴分量，fy为光波空间频率的y轴分量，|U2(x,y)|为光场幅值，为相位。
S42中根据公式(2)将第二插值全息图的光场幅值代入公式(1)中：
其中，|Uc(x,y)|为光场幅值，Ic为第二插值全息图的光场强度。
S43：将样品面的光场分布传播到第一像面处，并利用第一插值全息图的振幅替代该光场的幅值，得到第一像面处的光场分布。
S5：对第一像面处的光场分布进行一定次数迭代，本实施例中采用15次，获得样品所在平面所对应的一样品面的最终光场分布，并将其作为输出结果。
本步骤中，判断当前迭代次数是否大于15，如未大于15，当前迭代次数加1并返回步骤S41，如当前迭代次数大于15，获得当前样品所在平面所对应的一样品面的最终光场分布，并将其作为输出结果。
请参阅图2，本发明实施例二的本发明提供一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，其步骤与实施例一的技术特征基本相同，其区别在于：成像系统包括：一光源、一朗奇光栅、一载物台、一成像器件和一样品；样品设置于载物台上，光源设置于样品的正上方，朗奇光栅设置于光源和样品之间，光源通过朗奇光栅对样品照射后产生的投影落在成像器件上；朗奇光栅与平面的距离为二分之一的泰伯距离，朗奇光栅的光栅周期为d。
S2中利用成像系统获取一样品的全息图；
所述S3步骤中：对成像器件采集的全息图进行插值，并进行强度调制，得到调制后的插值全息图；
S4步骤包括步骤：
S41：根据角谱理论和插值全息图计算得到样品面的光场分布；
S42：利用朗奇光栅，对样品面的光场分布进行约束，包括步骤：将朗奇光栅不透光的部分所对应的光场数据设为零，而将朗奇光栅透光的部分所对应的光场数据保持不变，将更新后的样品面的光场分布传播到插值全息图所对应的一像面，获得像面处的光场分布；
S43：将像面处的光场分布的振幅用插值全息图的强度的均方根替代，得到像面处的光场分布。
对成像器件采集的全息图进行插值，并进行强度调制，得到调制后的插
值全息图步骤中，根据一公式(3)对插值全息图进行强度调制：
U＝U0·Ghi-res/Glow-res (3)；
其中，U0为光场分布，U为调制后的光场分布，Ghi-res为光源通过一高分辨率光栅传播到成像器件的幅值分布，Glow-res为光源通过相对于高分辨率光栅而言的一低分辨率光栅传播到成像器件的幅值分布。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，包括步骤：
S1：搭建一成像系统；
S2：利用所述成像系统获取一样品的全息图；
S3：对所述全息图做数字差值获得插值全息图；
S4：通过处理所述插值全息图，获得一第一像面处的光场分布；
S5：对所述第一像面处的光场分布进行一定次数迭代，获得所述样品所在平面所对应的一样品面的最终光场分布，并将其作为输出结果；
所述成像系统包括：一光源、一载物台、一成像器件、一透明平行平板和至少一样品；所述样品设置于所述载物台上，所述光源设置于所述样品的正上方，所述成像器件采集所述样品经所述光源照射产生的全息图；
所述S2步骤进一步包括步骤：
S21：通过所述成像器件获取所述样品的一第一全息图；
S22：将所述透明平行平板插入所述样品与所述成像器件之间以增加所述样品和所述成像器件之间的光程，且所述透明平行平板与所述样品所在平面平行；
S23：通过所述成像器件获取所述样品的一第二全息图。
2.根据权利要求1所述的基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，其特征在于，所述S3步骤中：对所述第一全息图做数字差值获得一第一插值全息图，对所述第二全息图做数字差值获得一第二插值全息图；
所述S4步骤中：通过在所述样品面、所述第一插值全息图所对应的第一像面以及所述第二全息图所对应的第二像相面之间做相位迭代，获得所述第一像面处的光场分布；进一步包括步骤：
S41：根据角谱理论和所述第一插值全息图计算得到所述样品面的光场分布并传播得到所述第二像面处的光场分布；
S42：利用所述第二插值全息图的光场幅值替代所述第二像面处的光场分布的振幅，并将更新后的所述第二像面处的光场分布传播到所述样品面，获得所述样品面的光场分布；
S43：将所述样品面的光场分布传播到所述第一像面处，得到所述第一像面处的光场分布。
3.根据权利要求2所述的基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，其特征在于，所述角谱传播理论的表达式为：
其中，U2(x,y)为所述样品所在平面的光场分布，所述U1(x,y)为所述第一全息图的光场分布；λ为波长；fx为光波空间频率的x轴分量，fy为光波空间频率的y轴分量，|U2(x,y)|为光场幅值，为相位。
4.根据权利要求3所述的基于数字插值和相位迭代的全息显微成像方法，其特征在于，所述S42中根据公式(2)将所述第二插值全息图的光场幅值代入所述公式(1)中：
其中，|Uc(x,y)|为光场幅值，Ic为所述第二插值全息图的光场强度。
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| CN106442412A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-02-22 | 上海交通大学 | 超分辨率算法的多层同轴全息显微成像系统和成像方法 |
-
2017
- 2017-05-24 CN CN201710371165.3A patent/CN107145052B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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