CN111556257A - 基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法及装置 - Google Patents

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CN111556257A CN202010304574.3A CN202010304574A CN111556257A CN 111556257 A CN111556257 A CN 111556257A CN 202010304574 A CN202010304574 A CN 202010304574A CN 111556257 A CN111556257 A CN 111556257A
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Abstract

本发明公开了一种基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法及装置，其中，方法包括：搭建复数域成像光路；对样本光场进行多次调制；通过复数域成像光路进行相干衍射成像，并将复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像；根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建观测样本的复数域信息。根据本申请的成像方法，可以基于窄动态范围采集和自适应相位恢复实现复数域成像的目的，不但缩短单次测量的曝光时间，而且降低测量造成的光热损伤，有效保证成像的可靠性和准确性。

Description

基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法及装置
技术领域
本发明涉及计算摄像学技术领域，特别涉及一种基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法及装置。
背景技术
光场的复振幅函数可以由幅度和相位两部分进行表示，前者可以由探测器直接记录，后者则由于现有的探测器无法跟随光波的振荡频率，无法被直接测量。诸如生物切片和透明晶体之类的弱散射样本仅对入射光的相位产生影响，而其强度图像因其弱散射保持均匀。在这种情况下，复数域信息的获取对于样本结构的研究至关重要。复数域成像作为一种探测与样本相互作用的光的强度与相位的技术，是光学测量与成像领域中的一个重要课题，在生物和材料科学等领域有着广泛的应用价值。
相干衍射成像是一种具有巨大应用潜力的复数域成像方法，其使用迭代相位恢复算法代替了复杂的成像光学器件，由样本衍射后得到的强度信息重建缺失的相位，从而同时提供定量的幅度和相位信息。相干衍射成像中常用的交替投影算法通过在两个平面中迭代使用投影和约束来搜索解决方案。为了提供更好的算法收敛确定性，现有的研究通常加入冗余信息或精确的约束，较为通用的方法即借助空间光调制器对入射光进行多次调制，再将照明图案作为先验信息进行重建。
相干衍射问题通常可表述为从样本的傅里叶强度数据中恢复复数域信息。傅里叶域信号从中心到边缘迅速衰减，中心位置的信号强度通常比边缘高107倍，采集完整的傅里叶域信号要求探测器具有极高的动态范围。相关技术中，现有的CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机的动态范围仅可达到104数量级，需要借助一定手段才能在窄动态范围内记录完整的衍射图案。目前应用最广泛的衍射图案记录方法为超动态范围多次曝光法，即使用短曝光时间记录傅里叶域中心位置的低频信息，长曝光时间记录边缘位置的高频信息，再通过一定方法合成完整的衍射图案。然而，多次曝光增加了成像时间。相对于多次曝光，基于单次曝光的方法需要遮挡中心位置的信号或使探测器保持饱和，在重建过程中利用算法重建丢失的低频信息，但该方法同样需要较长的曝光时间才能记录高频衍射强度。
对于诸如观测活细胞动态过程的生物医学研究，为了在长时间进行连续成像，降低光热损伤成为了一个不可或缺的条件。因此，如何缩短单次测量的曝光时间，降低测量造成的光热损伤，已成为亟待研究的重要需求之一。
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窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法，该方法可以缩短单次测量的曝光时间的同时，降低测量造成的光热损伤。
本发明的另一个目的在于提出一种基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于窄动态范围采集和自适应交替投影的成像方法，包括以下步骤：搭建复数域成像光路；对样本光场进行多次调制；通过所述复数域成像光路进行相干衍射成像，并将所述复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像；根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建所述观测样本的复数域信息。
本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法，可以利用相机单次曝光采集的傅里叶光强图像即可重建视觉上高质量的样本复数域信息，无需记录微弱的高频信息，而且曝光时间短、光路简单和通用性强，降低对探测器动态范围的要求，并且可以在较短的曝光时间内获得视觉上高质量的重建结果，实现了缩短单次测量的曝光时间的同时，降低测量造成的光热损伤的目的，有效保证成像的可靠性和准确性。
另外，根据本发明上述实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的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，所述对样本光场进行多次调制，包括：生成多张照明图案，将所述多张照明图案加载到空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光场进行调制。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多张照明图案包括随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案和哈达玛图案中的一种或多种。
可选地，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型为：
Figure BDA0002455294180000021
其中，
Figure BDA0002455294180000022
为第k个照明图案，
Figure BDA0002455294180000023
为样本，⊙表示点积运算，
Figure BDA0002455294180000024
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure BDA0002455294180000026
为四舍五入取整，
Figure BDA0002455294180000025
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
另外，在本发明的一个实施例中，所述利用自适应相位恢复算法重建所述观测样本的复数域信息，包括：根据预设噪声阈值将所述多张傅里叶光强图像分割为真实信号区域和噪声信号区域；以随机值初始化样本的估计值得到样本估计值；用任一张照明图案和所述样本估计值相乘得到幅度调制后样本平面的波前；获取所述任一张照明图案照射所述观测样本时对应的光学傅里叶平面的波前；根据傅里叶强度的真实测量结果对所述傅里叶平面的波前进行约束，在所述真实信号区域内用所述真实测量结果替换所述傅里叶平面的波前的幅度，且在所述噪声区域内保持傅里叶平面波前不变；通过逆傅里叶变换更新所述观测样本平面的波前，并更新所述观测样本；将样本的重建结果作为下一次迭代的样本估计值，以对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，直至满足收敛条件。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置，包括：搭建模块，用于搭建复数域成像光路；采集模块，用于对样本光场进行多次调制，通过所述复数域成像光路进行相干衍射成像，并将所述复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像；以及成像模块，用于根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建所述观测样本的复数域信息。
本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置，可以利用相机单次曝光采集的傅里叶光强图像即可重建视觉上高质量的样本复数域信息，无需记录微弱的高频信息，而且曝光时间短、光路简单和通用性强，降低对探测器动态范围的要求，并且可以在较短的曝光时间内获得视觉上高质量的重建结果，实现了缩短单次测量的曝光时间的同时，降低测量造成的光热损伤的目的，有效保证成像的可靠性和准确性。
另外，根据本发明上述实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的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，所述采集模块包括：生成单元，用于生成多张照明图案，将所述多张照明图案加载到空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光场进行调制。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多张照明图案包括随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案和哈达玛图案中的一种或多种。
可选地，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型为：
Figure BDA0002455294180000031
其中，
Figure BDA0002455294180000032
为第k个照明图案，
Figure BDA0002455294180000033
为样本，⊙表示点积运算，
Figure BDA0002455294180000034
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure BDA0002455294180000035
为四舍五入取整，
Figure BDA0002455294180000036
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
另外，在本发明的一个实施例中，所述成像模块具体用于根据预设噪声阈值将所述多张傅里叶光强图像分割为真实信号区域和噪声信号区域，以随机值初始化样本的估计值得到样本估计值，用任一张照明图案和所述样本估计值相乘得到幅度调制后样本平面的波前，获取所述任一张照明图案照射所述观测样本时对应的光学傅里叶平面的波前，根据傅里叶强度的真实测量结果对所述傅里叶平面的波前进行约束，在所述真实信号区域内用所述真实测量结果替换所述傅里叶平面的波前的幅度，且在所述噪声区域内保持傅里叶平面波前不变，通过逆傅里叶变换更新所述观测样本平面的波前，并更新所述观测样本，将样本的重建结果作为下一次迭代的样本估计值，以对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，直至满足收敛条件。
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窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法的光路示意图；
图3为根据本发明一个实施例的照明图案示意图；
图4为根据本发明一个实施例的重建结果与相机位数的关系的仿真结果示意图；
图5为根据本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的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窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法。
图1是本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法的流程图。
如图1所示，该基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法包括以下步骤：
在步骤S101中，搭建复数域成像光路。
如图2所示，首先搭建复数域成像光路。具体地，光路可以基于相干衍射成像框架，光源采用激光等相干光源，空间光调制器可以采用DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜器件)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)、LCOS(Liguid Crystal onSilicon，硅上液晶或片上液晶)等器件，二维探测器采用CCD、CMOS相机等探测器。空间光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)。探测器所在平面为样本对应的光学傅里叶平面，可通过将相机放置在远场或透镜的焦平面上获得。
在步骤S102中，对样本光场进行多次调制。
可以理解的是，利用计算机产生一系列照明图案，将照明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调制。
可选地，在本发明的一个实施例中，多张照明图案包括随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案和哈达玛图案中的一种或多种。
可以理解的是，如图2所示，空间光调制可以包括幅度调制和相位调制，其中，照明图案包括但不限于随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案、哈达玛图案等随机图案，可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置。
在步骤S103中，通过复数域成像光路进行相干衍射成像，并将复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像。
可以理解的是，进行相干衍射成像，将二维探测器保持在恰好不饱和状态的预设状态下，并相应地采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过复数域成像光路进行相干衍射成像，并将复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像，包括：将二维探测器保持在预设状态，同步采集每张照明图案照射观测样本时对应的光学傅里叶平面的窄动态范围光强图像。
可以理解的是，将二维探测器保持在恰好不饱和状态，同步采集各照明图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的窄动态范围光强图像。
在步骤S104中，根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建观测样本的复数域信息。
即言，根据二维探测器采集到的相应傅里叶光强图像和计算机产生的照明图案，利用自适应相位恢复算法重建样本的复数域信息。
可选地，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型为：
Figure BDA0002455294180000051
其中，
Figure BDA0002455294180000052
为第k个照明图案，
Figure BDA0002455294180000053
为样本，⊙表示点积运算，
Figure BDA0002455294180000054
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure BDA0002455294180000061
为四舍五入取整，
Figure BDA0002455294180000062
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
具体地，在采集过程中，相机处于恰好不饱和状态，记录的图像为经过调制的样本在光学傅里叶平面上窄动态范围光强，其成像的数学模型可以表示为：
Figure BDA0002455294180000063
其中，
Figure BDA0002455294180000064
为第k个照明图案，
Figure BDA0002455294180000065
为样本，⊙表示点积运算，
Figure BDA0002455294180000066
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure BDA0002455294180000067
为四舍五入取整，
Figure BDA0002455294180000068
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
另外，在本发明的一个实施例中，利用基于自适应相位恢复算法重建观测样本的复数域信息，包括：根据预设噪声阈值将多张傅里叶光强图像分割为真实信号区域和噪声信号区域；以随机值初始化样本的估计值得到样本估计值；用任一张照明图案和样本估计值相乘得到幅度调制后样本平面的波前；获取任一张照明图案照射观测样本时对应的光学傅里叶平面的波前；根据傅里叶强度的真实测量结果对傅里叶平面的波前进行约束，在真实信号区域内用真实测量结果替换傅里叶平面的波前的幅度，且在噪声区域内保持傅里叶平面波前不变；通过逆傅里叶变换更新观测样本平面的波前，并更新观测样本；将样本的重建结果作为下一次迭代的样本估计值，以对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，直至满足收敛条件。
具体而言，本发明实施例包括：
步骤S1：设定噪声阈值，根据阈值将采集到的K张窄动态范围傅里叶光强图像分别分割为真实信号区域Sk和噪声区域S′k。
步骤S2：以随机值初始化样本O的估计值得到Oestimated。
步骤S3：用一个照明图案Pk和样本估计值相乘，计算经过幅度调制后样本平面的波前ψk＝Pk⊙Oestimated。
步骤S4：计算照明图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的波前
Figure BDA0002455294180000069
步骤5：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约束，在真实信号区域S内用Ik替换傅里叶平面波前φk的幅度，在噪声区域S’内保持傅里叶平面波前不变：
Figure BDA00024552941800000610
步骤S6：通过逆傅里叶变换更新样本平面的波前：
Figure BDA00024552941800000611
步骤S7：更新样本O：
Figure BDA0002455294180000071
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c)-g)，对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，并且重复步骤c)-h)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。
综上，在本发明的实施例中，采集图像时二维探测器保持在恰好不饱和状态，无需使用超动态范围多次曝光技术记录微弱的高频信息，能够在较短的曝光时间内获得视觉上高质量的重建结果，从而能够降低对探测器动态范围的要求。该方法包括：搭建复数域成像光路；对样本光场进行多次调制；进行相干衍射成像，将二维探测器保持在恰好不饱和状态，并相应地采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像；根据二维探测器采集到的相应傅里叶光强图像和计算机产生的照明图案，利用自适应相位恢复算法重建样本的复数域信息。
下面以一个具体实施例对本发明实施例的方法进行详细赘述，
步骤S1：搭建复数域成像光路。
基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的复数域成像系统的光路示意图如图1所示。该光路基于相干衍射成像框架。具体地，在本发明的一个实施例中，光源采用激光光源，空间光调制器采用数字微镜器件(DMD)，空间光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)。二维探测器采用16位CMOS相机，相机放置在远场或透镜的焦平面上，用以采集各照明图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的窄动态范围光强图像。
步骤S2：对样本光场进行多次调制，进一步包括：
利用计算机产生一系列照明图案，将照明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场进行调制
在本发明实施例中，空间光调制可以为幅度调制和相位调制，照明图案包括但不限于随机灰度图案、随机二值化图案、正弦图案、哈达玛图案等随机图案。上述照明图案的示意图如图3所示。具体地，在本发明的一个实施例中，所用的空间光调制为幅度调制，照明图案采用随机二值化图案。
步骤S3：进行相干衍射成像，将二维探测器保持在恰好不饱和状态，并相应地采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像，进一步包括：
将二维探测器保持在恰好不饱和状态，同步采集各照明图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的窄动态范围光强图像
在本发明的实施例中，相机记录的图案为调制后的样本在光学傅里叶平面上的窄动态范围光强图像，其成像的数学模型可以表示为：
Figure BDA0002455294180000081
其中，
Figure BDA0002455294180000082
为第k个照明图案，
Figure BDA0002455294180000083
为样本，⊙表示点积运算，
Figure BDA0002455294180000084
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure BDA0002455294180000085
为四舍五入取整，
Figure BDA0002455294180000086
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像，采集到的图像的灰度值为[0，2m-1]范围内的整数。
步骤S4：根据二维探测器采集到的相应傅里叶光强图像和计算机产生的照明图案，利用自适应相位恢复算法重建样本的复数域信息。
本发明实施例的样本的自适应相位恢复算法可以实现复数域信息的重建。具体地，为了从K张窄动态范围傅里叶光强图像Ik中重建样本O，重建过程包括以下步骤：
a)设定噪声阈值，根据阈值将采集到的K张窄动态范围傅里叶光强图像分别分割为真实信号区域Sk和噪声区域S′k。
b)以随机值初始化样本O的估计值得到Oestimated。
c)用一个照明图案Pk和样本估计值相乘，计算经过幅度调制后样本平面的波前ψk＝Pk⊙Oestimated。
d)计算照明图案照射样本时对应的光学傅里叶平面的波前
Figure BDA0002455294180000087
e)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约束，在真实信号区域S内用Ik替换傅里叶平面波前φk的幅度，在噪声区域S’内保持傅里叶平面波前不变：
Figure BDA0002455294180000088
f)通过逆傅里叶变换更新样本平面的波前：
Figure BDA0002455294180000089
g)更新样本O：
Figure BDA00024552941800000810
h)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c)-g)，对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，并且重复步骤c)-h)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。
为了验证方法的有效性，本发明实施例采用“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。如图4所示，所用相机位数分别为16，15，14，13，12位。由仿真结果分析可得，相机位数较多时，采集图像保留的傅里叶域信息更多，重建质量更高。商业相机采集的傅里叶域窄动态范围图像已经可以用于重建视觉上高质量的样本复数域信息。
根据本发明实施例提出的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法，可以利用相机单次曝光采集的傅里叶光强图像即可重建视觉上高质量的样本复数域信息，无需记录微弱的高频信息，而且曝光时间短、光路简单和通用性强，降低对探测器动态范围的要求，并且可以在较短的曝光时间内获得视觉上高质量的重建结果，实现了缩短单次测量的曝光时间的同时，降低测量造成的光热损伤的目的，有效保证成像的可靠性和准确性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置。
图5是本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置的方框示意图。
如图5所示，该基于窄动态范围采集和自适应交替投影的成像装置10包括：搭建模块100、采集模块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。
采集模块200，用于对样本光场进行多次调制，通过复数域成像光路进行相干衍射成像，并将复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集对应光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像。
成像模块300，用于根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建观测样本的复数域信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，采集模块200包括：生成单元和采集单元。
其中，生成单元，用于生成多张照明图案，将多张照明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场进行调制。
可选地，在本发明的一个实施例中，多张照明图案可以包括随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案和哈达玛图案中的一种或多种。
可选地，在本发明的一个实施例中，成像的数学模型可以为：
Figure BDA0002455294180000091
其中，
Figure BDA0002455294180000092
为第k个照明图案，
Figure BDA0002455294180000093
为样本，⊙表示点积运算，
Figure BDA0002455294180000094
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure BDA0002455294180000096
为四舍五入取整，
Figure BDA0002455294180000095
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
另外，在本发明的一个实施例中，成像模块300具体用于根据预设噪声阈值将多张傅里叶光强图像分割为真实信号区域和噪声信号区域，以随机值初始化样本的估计值得到样本估计值，用任一张照明图案和样本估计值相乘得到幅度调制后样本平面的波前，获取任一张照明图案照射观测样本时对应的光学傅里叶平面的波前，根据傅里叶强度的真实测量结果对傅里叶平面的波前进行约束，在真实信号区域内用真实测量结果替换傅里叶平面的波前的幅度，且在噪声区域内保持傅里叶平面波前不变，通过逆傅里叶变换更新观测样本平面的波前，并更新观测样本，将样本的重建结果作为下一次迭代的样本估计值，以对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，直至满足收敛条件。
需要说明的是，前述对基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例的基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置，可以利用相机单次曝光采集的傅里叶光强图像即可重建视觉上高质量的样本复数域信息，无需记录微弱的高频信息，而且曝光时间短、光路简单和通用性强，降低对探测器动态范围的要求，并且可以在较短的曝光时间内获得视觉上高质量的重建结果，实现了缩短单次测量的曝光时间的同时，降低测量造成的光热损伤的目的，有效保证成像的可靠性和准确性。
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N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。
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，“N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。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。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 (10)

1.一种基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建复数域成像光路；
对样本光场进行多次调制；
通过所述复数域成像光路进行相干衍射成像，并将所述复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像；以及
根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建所述观测样本的复数域信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对样本光场进行多次调制，包括：
生成多张照明图案，将所述多张照明图案加载到空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光场进行调制。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多张照明图案包括随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案和哈达玛图案中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，成像的数学模型为：
Figure FDA0002455294170000011
其中，
Figure FDA0002455294170000012
为第k个照明图案，
Figure FDA0002455294170000013
为样本，⊙表示点积运算，
Figure FDA0002455294170000014
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure FDA0002455294170000015
为四舍五入取整，
Figure FDA0002455294170000016
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用自适应相位恢复算法重建所述观测样本的复数域信息，包括：
根据预设噪声阈值将所述多张傅里叶强度图像分割为真实信号区域和噪声信号区域；
以随机值初始化样本的估计值得到样本估计值；
用任一张照明图案和所述样本估计值相乘得到幅度调制后样本平面的波前；
获取所述任一张照明图案照射所述观测样本时对应的光学傅里叶平面的波前；
根据傅里叶强度的真实测量结果对所述傅里叶平面的波前进行约束，在所述真实信号区域内用所述真实测量结果替换所述傅里叶平面的波前的幅度，且在所述噪声区域内保持傅里叶平面波前不变；
通过逆傅里叶变换更新所述观测样本平面的波前，并更新所述观测样本；
将样本的重建结果作为下一次迭代的样本估计值，以对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，直至满足收敛条件。
6.一种基于窄动态范围采集和自适应相位恢复的成像装置，其特征在于，包括：
搭建模块，用于搭建复数域成像光路；
采集模块，用于对样本光场进行多次调制，通过所述复数域成像光路进行相干衍射成像，并将所述复数域成像光路的二维探测器保持在预设状态，并采集光学傅里叶平面的多张窄动态范围光强图像；以及
成像模块，用于根据采集到的多张窄动态范围光强图像，利用自适应相位恢复算法重建所述观测样本的复数域信息。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括：
生成单元，用于生成多张照明图案，将所述多张照明图案加载到空间光调制器上，以通过所述空间光调制器对所述观测样本所在平面的光场进行调制。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述多张照明图案包括随机二值化图案、随机灰度图案、正弦图案和哈达玛图案中的一种或多种。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，成像的数学模型为：
Figure FDA0002455294170000021
其中，
Figure FDA0002455294170000022
为第k个照明图案，
Figure FDA0002455294170000023
为样本，⊙表示点积运算，
Figure FDA0002455294170000024
为二维傅里叶变换，m为相机位数，
Figure FDA0002455294170000025
为四舍五入取整，
Figure FDA0002455294170000026
为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述成像模块具体用于根据预设噪声阈值将所述多张傅里叶光强图像分割为真实信号区域和噪声信号区域，以随机值初始化样本的估计值得到样本估计值，用任一张照明图案和所述样本估计值相乘得到幅度调制后样本平面的波前，获取所述任一张照明图案照射所述观测样本时对应的光学傅里叶平面的波前，根据傅里叶强度的真实测量结果对所述傅里叶平面的波前进行约束，在所述真实信号区域内用所述真实测量结果替换所述傅里叶平面的波前的幅度，且在所述噪声区域内保持傅里叶平面波前不变，通过逆傅里叶变换更新所述观测样本平面的波前，并更新所述观测样本，将样本的重建结果作为下一次迭代的样本估计值，以对于K个窄动态范围傅里叶强度采集结果依次进行样本的更新，直至满足收敛条件。
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