CN111553971B - 基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置，其中，方法包括：搭建复数域成像光路；在光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；根据调制的照明图案和二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。根据本发明实施例的方法，每次成像仅需要二值化的幅度调制图案，即可达kHz级别的超快成像速度，提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。
Description
技术领域
本发明涉及计算摄像学技术领域，特别涉及一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置。
背景技术
复数域成像是光学测量中的一个重要课题。单色光由幅度和相位两部分构成，前者反映光的强弱，后者的延迟则和与之反应的样本的厚度、密度和折射率等物理和化学特性有关。在生物医学领域中，透明或半透明样本在强度图像中几乎不可见，研究其内部结构和细节需要依赖相位信息。然而，由于光波的振荡频率远高于探测器的光电转换频率，相关技术中的光学探测器无法测量光波相位，因此需要通过一定措施实现整个光场复数域信息的精确测量。
具体地，相关技术中的复数域成像方法可分为干涉法和衍射法。其中，干涉法利用物光和参考光的干涉记录光波信息，而后利用相应的再现方法重构完整光场。全息术作为最成熟的光波信息记录方法，为复数域成像提供了一种干涉手段。然而，干涉测量中参考光的使用对成像系统和环境的稳定性提出了严格的要求。衍射法采集样本衍射后得到的强度信息，并利用相位恢复算法通过计算由强度的观测值重建复数域信息，从而实现光场的精确重构。与干涉记录法相比，衍射法不需要物光和参考光的相干叠加，其重构精度侧重于算法的优越性。随着计算技术的迅速发展，衍射记录法已经在不影响成像精度的条件下克服了干涉测量法的大多数局限性，展现了巨大的应用潜力。
由强度恢复复数域信息的相位恢复问题是一个欠定问题，冗余信息或精确的约束可以为算法提供更好的收敛性确定性。为了精确重构完整的光场，已有研究借助空间光调制器，用一系列调制图案对入射光进行调制后记录具有不同成像条件的多个衍射图案，再将调制图案作为先验信息利用相位恢复算法进行重建。现有的空间光调制方法主要分为相位调制和幅度调制。对于相位调制，至少需要三张调制图案才能获得高质量的重建结果。而对于幅度调制，现有的方法普遍需要超过十张调制图案。在上述方法中，相位模式空间光调制的刷新频率相对较低，通常只有100Hz，而使用数字微镜器件(DMD)的二值化幅度调制可以达到22kHz的刷新频率，更加具有竞争力。
快速全视场复数域成像对于定性和定量分析细胞形态学、研究细胞功能和性状的变化、理解细胞的运作机制以及进行高速度、高通量的药学筛选和药物评价具有不可替代的价值。为了提供更加丰富的过程图像以及更加完整的细节信息，进一步减少幅度调制图案的数量，提高复数域成像速度，已成为亟待研究的重要需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，该方法可以提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。
本发明的另一个目的在于提出一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，包括以下步骤：搭建复数域成像光路；在所述光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在所述光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；根据调制的照明图案和所述二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，利用调制的照明图案和采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息，从而每次成像仅需要三张二值化的幅度调制图案，即可达kHz级别的超快成像速度，提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。
另外，根据本发明上述实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述在所述光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在所述光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强，包括：使用相干光源照射所述目标的全视场；利用计算机产生三张二值化幅度调制图案；将所述三张二值化幅度调制图案加载到所述空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光波进行三次调制，且通过所述二维探测器同步依次测量所述三张二值化幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述三张二值化幅度调制图案中的两张图像为互补图案，剩余的二值化幅度调制图案为随机图案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述搭建复数域成像光路，包括：将所述二维探测器放置在远场或透镜的焦平面上，以得到所述探测端所在平面的样本对应的光学傅里叶平面。
另外，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型表示为：
其中，
为第k个幅度调制图案，
为样本，⊙表示点积运算，
为二维傅里叶变换，
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶强度图案。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置，包括：搭建模块，用于搭建复数域成像光路；处理模块，用于在所述光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在所述光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；成像模块，用于根据调制的照明图案和所述二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置，利用调制的照明图案和采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息，从而每次成像仅需要二值化的幅度调制图案，即可达kHz级别的超快成像速度，提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。
另外，根据本发明上述实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理模块包括：照射单元，用于使用相干光源照射所述目标的全视场；生成单元，用于利用计算机产生三张二值化幅度调制图案；测量单元，用于将所述三张二值化幅度调制图案加载到所述空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光波进行三次调制，且通过所述二维探测器同步依次测量所述三张二值化幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述三张二值化幅度调制图案中的两张图像为互补图案，剩余的二值化幅度调制图案为随机图案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述搭建模块进一步用于将所述二维探测器放置在远场或透镜的焦平面上，以得到所述探测端所在平面的样本对应的光学傅里叶平面。
另外，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型表示为：
其中，
为第k个幅度调制图案，
为样本，⊙表示点积运算，
为二维傅里叶变换，
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶强度图案。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法的光路示意图；
图3为根据本发明一个实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法的幅度调制图案示意图；
图4为根据本发明一个实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法的仿真结果示意图；以及
图5为根据本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法。
图1是本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法的流程图。
如图1所示，该基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法包括以下步骤：
在步骤S101中，搭建复数域成像光路。
进一步地，在本发明的一个实施例中，搭建复数域成像光路，包括：将二维探测器放置在远场或透镜的焦平面上，以得到探测端所在平面的样本对应的光学傅里叶平面。
可以理解的是，首先搭建复数域成像光路。具体地，如图2所示，光源可以采用激光光源将相干光照明整个样本的全视场，空间光调制器可以采用DMD(Digital Micro-mirrorDevice，数字微镜器件)，调制既可以为主动式(空间光调制器放置在光源和样本之间)，也可以为被动式(空间光调制器放置样本和探测器之间)。在探测端可以采用的二维探测器为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机，相机放置在远场或透镜的焦平面上，用以记录幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强。
在步骤S102中，在光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强。
可以理解的是，在照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，而在探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制照明图案，且在光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强，包括：使用相干光源照射目标的全视场；利用计算机产生三张二值化幅度调制图案；将三张二值化幅度调制图案加载到空间光调制器上，以通过空间光调制器对观测样本所在平面的光波进行三次调制，且通过二维探测器同步依次测量三张二值化幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强。
可选地，在本发明的一个实施例中，三张二值化幅度调制图案中的两张图像为互补图案，剩余的二值化幅度调制图案为随机图案。即言，图案可以均为二值化0-1图案，图案的数目为三张，其中两张图案为互补，而另一张图案为随机。
以三张二值化幅度调制图案举例，步骤S102包括：
a)使用相干光照明整个样本的全视场。
b)利用计算机产生三张二值化幅度调制图案。
其中，本发明采用的三张二值化幅度调制图案P1,P2,P3中，其中两张图案为互补(P1+P2＝1)，而另一张图案P3为随机0-1图案，采用的三张二值化调制图案可以如图3所示。
c)将三张幅度调制图案加载到空间光调制器上，空间光调制器对样本所在平面的光波进行三次调制，二维探测器同步依次测量三张幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强。
另外，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型表示为：
其中，
为第k个幅度调制图案，
为样本，⊙表示点积运算，
为二维傅里叶变换，
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶强度图案。
即言，相机记录的图案为调制后的样本在光学傅里叶平面上的光强，其成像的数学模型可以为上述表示。
综上，在照明端采用激光等相干光源进行全视场照明，采用数字微镜器件(DMD)等空间光调制器进行调制，在探测端采用CCD、CMOS相机等二维探测器。在照明端，调制既可以为主动式(空间光调制器放置在光源和样本之间)，也可以为被动式(空间光调制器放置样本和探测器之间)。探测端所在平面为样本对应的光学傅里叶平面，可通过将探测器放置在远场或透镜的焦平面上获得。
在步骤S103中，根据调制的照明图案和二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
可以理解的是，最后根据幅度调制图案和二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
具体地，在本发明实施例中，样本的复数域信息的重建过程可以通过相位恢复算法实现，包括但不限于基于交替投影(AP)、基于Wirtinger Flow(WF)和基于半定规划(SDP)的方法。例如，为了从三张傅里叶强度图案Ik(k＝1,2,3)中重建样本O，本发明实施例可以采用交替投影方法中的重叠关联迭代引擎(PIE)算法。具体地，该重建过程首先随机初始化样本O的估计值Oestimated，并且包括以下步骤：
a)计算经过幅度调制后样本平面的波前ψk＝Pk⊙Oestimated。
b)计算幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的波前
c)用傅里叶强度的真实测量结果Ik对计算出的傅里叶平面波前进行幅度替换：
d)用傅里叶平面的波前更新样本平面的波前：
e)更新样本O：
其中，α为学习率。
f)将样本的重建结果Oupdated作为下一次迭代的输入值Oestimated，重复步骤a)-e)，对于三个傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，并且重复步骤a)-f)直至收敛。收敛条件为相邻两次迭代的重建结果Oestimated和oupdated之间的差异小于一个特定的阈值。
在本发明的一个具体实施例中，采用“Barbara”和“cameraman”两张图片分别作为样本的幅度和相位信息进行了仿真，进而二维探测器采集到的傅里叶强度的仿真结果与利用PIE算法的重建结果如图4所示，使用本发明实施例的方法重建得到的幅度和相位结果图和真实样本一致，有效验证了本发明实施例的有效性，并且仅需要三张二值化幅度调制图案，不但调制速度快，且通用性强。
根据本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，利用调制的照明图案和采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息，每次成像仅需要三张二值化的幅度调制图案，从而每次成像仅需要二值化的幅度调制图案，即可达kHz级别的超快成像速度，提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置。
图5是本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置的方框示意图。
如图5所示，该基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置10包括：搭建模块100、处理模块200和成像模块300。
具体地，搭建模块100，用于搭建复数域成像光路。
处理模块200，用于在光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强。
成像模块300，用于根据调制的照明图案和二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，处理模块200包括：照射单元、生成单元和测量单元。
其中，照射单元，用于使用相干光源照射目标的全视场。
生成单元，用于利用计算机产生三张二值化幅度调制图案。
测量单元，用于将三张二值化幅度调制图案加载到空间光调制器上，以通过空间光调制器对观测样本所在平面的光波进行三次调制，且通过二维探测器同步依次测量三张二值化幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强。
可选地，在本发明的一个实施例中，三张二值化幅度调制图案中的两张图像为互补图案，剩余的二值化幅度调制图案为随机图案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，搭建模块100进一步用于将二维探测器放置在远场或透镜的焦平面上，以得到探测端所在平面的样本对应的光学傅里叶平面。
另外，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型表示为：
其中，
为第k个幅度调制图案，
为样本，⊙表示点积运算，
为二维傅里叶变换，
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶强度图案。
需要说明的是，前述对基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例的基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置，利用调制的照明图案和采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息，每次成像仅需要三张二值化的幅度调制图案，从而每次成像仅需要二值化的幅度调制图案，即可达kHz级别的超快成像速度，提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建复数域成像光路，包括：将二维探测器放置在远场或透镜的焦平面上，以得到探测端所在平面的样本对应的光学傅里叶平面；
在所述光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在所述光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；其中，包括：
使用相干光源照射所述目标的全视场；
利用计算机产生三张二值化幅度调制图案；
将所述三张二值化幅度调制图案加载到所述空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光波进行三次调制，且通过所述二维探测器同步依次测量所述三张二值化幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强；
以及
根据调制的照明图案和所述二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三张二值化幅度调制图案中的两张图像为互补图案，剩余的二值化幅度调制图案为随机图案。
3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，成像的数学模型表示为：
其中，
为第k个幅度调制图案，
为样本，⊙表示点积运算，
为二维傅里叶变换，
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶强度图案。
4.一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置，其特征在于，包括：
搭建模块，用于搭建复数域成像光路；所述搭建模块进一步用于将二维探测器放置在远场或透镜的焦平面上，以得到探测端所在平面的样本对应的光学傅里叶平面；
处理模块，用于在所述光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在所述光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；其中，所述处理模块还用于：
照射单元，用于使用相干光源照射所述目标的全视场；
生成单元，用于利用计算机产生三张二值化幅度调制图案；
测量单元，用于将所述三张二值化幅度调制图案加载到所述空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光波进行三次调制，且通过所述二维探测器同步依次测量所述三张二值化幅度调制图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的光强；
以及
成像模块，用于根据调制的照明图案和所述二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述三张二值化幅度调制图案中的两张图像为互补图案，剩余的二值化幅度调制图案为随机图案。
6.根据权利要求4-5任一项所述的装置，其特征在于，成像的数学模型表示为：
其中，
为第k个幅度调制图案，
为样本，⊙表示点积运算，
为二维傅里叶变换，
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶强度图案。
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| CN202010291377.2A CN111553971B (zh) | 2020-04-14 | 2020-04-14 | 基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置 |
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