CN107655405A - 利用自聚焦迭代算法消除物体与ccd间轴向距离误差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，步骤如下：根据菲涅尔衍射理论建立了轴向距离误差模型，通过复原物体振幅的清晰度测量计算出轴向距离。即在叠层成像过程中，使用菲涅耳衍射积分将重建的图像传播到轴向距离不同的平面并计算每一平面处的Tamura系数即为清晰度评价指标，Tamura系数为极大值点时产生最清晰的复原图像。将该处对应的轴向距离用作下一次迭代的新轴向距离，重复该过程直到轴向距离收敛，进而得到准确的轴向距离。本发明对于叠层成像过程中轴向距离误差纠正结果好，运算速度快，图像复原分辨率高。可运用于生物显微、光学测试等领域。
Description
技术领域
本发明属于光学算法领域，具体涉及一种利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法。
背景技术
叠层成像技术(PIE)是一种克服传统相干衍射成像技术(CDI)对复原样品要求高，成像视场受限大，无法复原稍微复杂的样品等缺点的无透镜成像技术。叠层成像技术具有收敛速度快、视场大、可靠性高等一系列突出优点，已经在可见光、X射线和电子束成像中获得了成功并在高分辨成像领域产生较大的影响。由PIE改进的ePIE可照明光和物体的分布函数都未知的情况下，仅用物体的远场衍射斑同时重建物体和照明光的分布，提高了重建像精度。然而在PIE和ePIE的复原过程中，物平面到记录平面的轴向距离难以精确测量，轴向距离误差会导致复原图像的模糊和变形，因此校正轴向距离误差对于提高复原图像的分辨率具有关键意义。
基于图像质量的模拟退火算法和自适应系统校正方法可以用于校正PIE和ePIE轴向距离误差，并获得最佳重建，但这些方法较为复杂，处理时间长。通过改变探针面积，旋转照明相位成像和单次拍摄PIE进行定位的方法在校正轴向距离误差的过程中会使重构图像模糊并降低其分辨率。
CN 106324853 A提出了《一种可见光域双物距叠层成像方法》，通过双物距相位复原算法，在物面和记录面同时添加约束条件，使得成像收敛速度远远高于传统叠层成像。然而并没有解决轴向距离对重构图像的影响问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，纠正结果好、运算速度快、图像复原分辨率高。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，包括以下步骤：
步骤一、构建叠层成像光路模型：
共光轴依次设置氦氖激光器、可变光阑、透镜、待测物和CCD，氦氖激光器发出的激光经扩束准直后由可变光阑调节光斑大小，经可变光阑后的光由透镜汇聚成发散球面波，即照明光，照射到待测物表面，待测物由夹持器与转接件固定在二维电动位移台上，通过二维电动位移台实现待测物重叠扫描位移；透射过待测物的光场经过衍射传输后形成相干衍射图，CCD被固定在待测物后方接收衍射图。
步骤二、对照明光函数Pi(x，y)和待测物函数Oi(x，y)进行初始猜测，并将未校正的初始轴向距离设为初始值d。
步骤三、在轴向距离为初始值d下，对照明光函数Pi(x，y)和待测物函数Oi(x，y)经叠层成像算法进行复原，得到复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数Or(x，y)。
步骤四、在待校正的初始轴向距离d的左右范围内设置轴向移动区间[dl，du]，dl到du的步数设置为ns，每步轴向移动距离为Δd；令步骤三中复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数Or(x，y)在设置的轴向距离区间[dl，du]角谱衍射传输，计算每次传输后的Tamura系数，Tamura系数的计算公式为：σ(|O(x，y)|)表示重建对象的灰度级的标准差，m(|O(x，y)|)表示重建对象的灰度级的平均值，norm表示归一化函数。
步骤五、根据步骤四中记录的每次轴向移动距离对应的Tamura系数，得到Tamura系数的极大值点并获取该极大值点对应的轴向移动距离dp，并根据dc＝dp+d，得到校正之后的轴向距离dc。
步骤六、判断该次校正所移动的轴向移动距离dp是否小于设定阈值ε：如果否，返回步骤二，进行下一次轴向距离校正的迭代，并设置下次迭代过程的初始参数；如果是，结束迭代，得到校正之后的轴向距离dc和复原后的待测物函数Or(x，y)。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明对于叠层成像过程中的轴向距离误差在算法中实现了自动校正，提高了复原物的分辨率。
(2)相比于其他误差消除方法，本发明对照明光函数、待测物函数与轴向距离d三个变量的更新是同步进行，可以在同一次迭代中分别进行更新。
(3)操作方便，光路紧凑，算法清晰，并且运算速度快。
附图说明
图1为本发明利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法的流程图。
图2为本发明的叠层成像光路示意图。
图3为本发明叠层扫描记录衍射斑的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1、图2和图3，本发明提出了一种利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，在叠层成像过程中，待测物平面和CCD靶面之间的轴向距离误差会引入离散性误差，具体方法步骤如下：
步骤一、构建叠层成像光路模型：
共光轴依次设置氦氖激光器、可变光阑1、透镜2、待测物3和CCD4，氦氖激光器发出的激光经扩束准直后由可变光阑1调节光斑大小，经可变光阑1后的光由透镜2汇聚成发散球面波，即照明光，照射到待测物3表面，待测物3由夹持器与转接件固定在二维电动位移台上，通过二维电动位移台实现待测物重叠扫描位移；透射过待测物3的光场经过衍射传输后形成相干衍射图，CCD4被固定在待测物3后方接收衍射图。
步骤二、对照明光函数Pi(x，y)和待测物函数Oi(x，y)进行初始猜测，并将未校正的初始轴向距离设为初始值d。
步骤三、在轴向距离为初始值d下，对照明光函数Pi(x，y)和待测物函数Oi(x，y)经叠层成像算法进行复原，得到复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数Or(x，y)，复原过程如下：
照明光经待测物3后的出射光场，得到在第j个扫描位置的复振幅分布为：
将出射光场复振幅传输到CCD4靶面上，获得对应的衍射光强分布其中u＝(ξ，η)为CCD平面笛卡尔坐标系。用α2d表示待测物3与CCD 4之间的实际轴向距离，其中α2表示轴向距离误差的拉伸因子。m表示在叠层成像算法复原过程中的第m次迭代。通过菲涅尔衍射得到轴向距离为α2d时的数值传播：
其中λ表示工作波长，k＝2π/λ。用CCD 4实际采集到的衍射光强替换变换得到的复振幅分布的振幅，这要求的振幅应等于实际轴向距离处的记录振幅。因此可将上式转换为：
其中，x′＝x/α，y′＝y/α，
将修正的衍射场从CCD 4的靶面逆传输至待测物3的平面其中r′＝(x′，y′)是待测物3的平面处的实际坐标矢量，应用重叠约束以在待测物3的平面上同时更新待测物函数和照明光函数：
其中a和b在[0,2]内取值，b小于a，因为照明光函数将比物函数更新的更快。对下一个扫描位置sj+1重复上述迭代复原过程。如果达到最后一个扫描位置，则进行第一个位置的扫描，即初始位置(如图3所示)。当CCD 4检测到的波前和测量值之间的幅度差异足够小时，迭代过程结束，得到在轴向距离为初始值d下经叠层成像算法复原得到复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数Or(x，y)。
步骤四、在待校正的初始轴向距离d的左右范围内设置轴向移动区间[dl，du],dl到du的步数设置为ns，每步轴向移动距离为Δd。令步骤三中复原得到的照明光函数Pr(x，y)和待测物函数Or(x，y)在设置的轴向距离区间[dl，du]角谱衍射传输，计算每次传输后的Tamura系数。Tamura系数的计算公式为：σ(|O(x，y)|)表示重建对象的灰度级的标准差，m(|O(x，y)|)表示重建对象的灰度级的平均值，norm表示归一化函数。
步骤五、根据步骤四中记录的每次轴向移动距离对应的Tamura系数，得到Tamura系数的极大值点并获取该极大值点对应的轴向移动距离dp，并根据dc＝dp+d，得到校正之后的轴向距离dc。
步骤六、判断该次校正所移动的轴向距离dp是否小于设定阈值ε：如果否，转入步骤二进行下一次轴向距离校正的迭代，并设置下次迭代过程的初始参数；如果是，结束迭代，得到校正之后的轴向距离dc和复原后的待测物函数Or(x，y)。
综上所述，本发明公开了一种在叠层成像过程中利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法。在叠层成像过程中，待测物3的平面和CCD 4靶面之间的轴向距离误差会引入离散性误差。本发明根据菲涅尔衍射理论建立了轴向距离误差模型，通过复原物体振幅的清晰度测量计算出轴向距离。本发明对于叠层成像过程中轴向距离误差纠正结果好，运算速度快，图像复原分辨率高。可运用于生物显微、光学测试等领域。
Claims (5)
1.一种利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、构建叠层成像光路模型：
共光轴依次设置氦氖激光器、可变光阑(1)、透镜(2)、待测物(3)和CCD(4)，氦氖激光器发出的激光经扩束准直后由可变光阑(1)调节光斑大小，经可变光阑(1)后的光由透镜(2)汇聚成发散球面波，即照明光，照射到待测物(3)表面，待测物(3)由夹持器与转接件固定在二维电动位移台上，通过二维电动位移台实现待测物重叠扫描位移；透射过待测物(3)的光场经过衍射传输后形成相干衍射图，CCD(4)被固定在待测物(3)后方接收衍射图；
步骤二、对照明光函数Pi(x，y)和待测物函数Oi(x，y)进行初始猜测，并将未校正的初始轴向距离设为初始值d；
步骤三、在轴向距离为初始值d下，对照明光函数Pi(x，y)和待测物函数Oi(x，y)经叠层成像算法进行复原，得到复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数Or(x，y)；
步骤四、在待校正的初始轴向距离d的左右范围内设置轴向移动区间[dl，du]，dl到du的步数设置为ns，每步轴向移动距离为Δd；令步骤三中复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数Or(x，y)在设置的轴向距离区间[dl，du]角谱衍射传输，计算每次传输后的Tamura系数，Tamura系数的计算公式为：σ(|O(x，y)|)表示重建对象的灰度级的标准差，m(|O(x，y)|)表示重建对象的灰度级的平均值，norm表示归一化函数；
步骤五、根据步骤四中记录的每次轴向移动距离对应的Tamura系数，得到Tamura系数的极大值点并获取该极大值点对应的轴向移动距离dp，并根据dc＝dp+d，得到校正之后的轴向距离dc；
步骤六、判断该次校正所移动的轴向移动距离dp是否小于设定阈值ε：如果否，返回步骤二，进行下一次轴向距离校正的迭代，并设置下次迭代过程的初始参数；如果是，结束迭代，得到校正之后的轴向距离dc和复原后的待测物函数Or(x，y)。
2.根据权利要求1所述的利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，其特征在于：上述步骤一中，使用叠层扫描的方式对衍射斑进行记录，即：使待测物相对于照明光在垂直于光轴的平面上逐行逐列移动，每次移动保证相邻扫描位置有一定重叠率，记录每次扫描的衍射光强，相邻区域的重叠率高于60％。
3.根据权利要求1所述的利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，其特征在于，上述步骤3中，复原过程如下：
照明光经待测物(3)后的出射光场，在第j个扫描位置的复振幅分布为：
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将出射光场复振幅传输到CCD(4)靶面上，获得对应的衍射光强分布其中u＝(ξ，η)，u为CCD(4)的平面笛卡尔坐标系，用α2d表示待测物(3)与CCD(4)之间的实际轴向距离，其中α2表示轴向距离误差的拉伸因子，m表示在叠层成像算法复原过程中的第m次迭代，通过菲涅尔衍射得到轴向距离为α2d时的数值传播：
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其中λ表示工作波长，k＝2π/λ；用CCD(4)实际采集到的衍射光强替换变换得到的复振幅分布的振幅，这要求的振幅应等于实际轴向距离处的记录振幅，因此可将上式转换为：
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其中，x′＝x/α，y′＝x/α，
将修正的衍射场从CCD(4)的靶面逆传输至待测物(3)的平面其中r′＝(x′，y′)是待测物(3)的平面处的实际坐标矢量，应用重叠约束以在待测物(3)的平面上同时更新待测物函数和照明光函数：
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其中a和b在[0,2]内取值，b小于a，因为照明光函数将比物函数更新的更快；
对下一个扫描位置sj+1重复上述迭代复原过程；如果达到最后一个扫描位置，则进行第一个位置的扫描；当CCD(4)检测到的波前和测量值之间的幅度差异足够小时，迭代过程结束，得到在轴向距离为初始值d下经叠层成像算法复原得到复原后的照明光函数Pr(x，y)和复原后的待测物函数or(x，y)。
4.根据权利要求1所述的利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，其特征在于：上述步骤四中，轴向移动区间[dl，du]的设置要根据Tamura系数的极大值点位置，如果Tamura系数在区间内是单调增函数，则要增加右区间的du的值；如果Tamura系数在区间内是单调减函数，则要减小左区间的dl的值。
5.根据权利要求1所述的利用自聚焦迭代算法消除物体与CCD间轴向距离误差的方法，其特征在于：上述步骤六中，当不满足设定阈值ε时，进行下一次轴向距离校正的迭代初始参数方法为：d＝dc。
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