CN116819751A - 一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，在白光无透镜成像系统中无需使用额外元件以及复杂的算法，就可实现减弱共轭像以及提高单帧成像分辨率。包括：步骤一：利用光谱仪获得系统光源的光谱分布信息，并进行差分处理获得重构波长；步骤二：利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理；步骤三：利用角谱传播公式生成不同离焦面的光强图，并基于清晰度判别因子确定离焦距离范围；步骤四：基于数值差分，计算步骤三中获得的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果。本发明可以降低传统无透镜显微镜中光源谱宽的要求，有效降低系统的成本。在单帧图像采集情况下，提高了白光无透镜显微镜成像分辨率、减弱共轭像。

Description

一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法

技术领域

本发明涉及无透镜显微成像技术领域，特别是一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法。

背景技术

光学显微镜自16世纪末被发明以来，一直被用于微观观察，例如生物医学检测与分析、微观粒子的观测等。而随着半导体等科技技术的大力发展，逐步出现了相衬显显微镜、微分干涉显微镜、共聚焦显微镜等，这些显微镜极大地提高了人们对微观世界的认知，为疾病诊断、药物研发等提供了强有力的影响依据，成为现代临床医学、生物制药等不可或缺的重要工具。上述这些光学显微结果都有一个比较鲜明的特点，即“所见即所得”的成像模式，有个比较大的遗憾是，该模式会受制于硬件器件的发展瓶颈，其成像结果想进一步提升将会遇到阻碍。此外，随着显微成像系统功能与性能的不革新，整个成像系统也逐渐昂贵、笨重、复杂。因此在保证成像质量的前提下，出现了一种无透镜显微成像系统，其系统成本低、体积小、操作简便，可以为资源条件有限的地区提供快捷、廉价的即时诊断工具。

无透镜显微成像技术作为一种新型的大视场高分辨显微成像技术可用于突破分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾，在最近的十几年获得了快速的发展。整个系统能够实现成本低、体积小的一个关键在于“无透镜”。它抛弃了传统显微成像系统中昂贵的光学镜头，依靠样品本身内部吸收或折射率差异(可以引起相位差)进行无标记成像，这样还可以极大地简化样品的制备过程。在无透镜显微成像中，限制重构质量(如分辨率)的一个关键因素是成像系统中光源的相干性(包括时间相干性和空间相干性)。LED光源拥有更小的体积，但是其时间、空间相干性会相对激光光源较差一些，因此为了获得更高的成像结果，一般会牺牲一定的系统体积以及成本，采用激光作为系统光源，或者略微增加系统的复杂度，对LED的光源增加滤光片进行处理。此外，无透镜显微镜基本采用的同轴透射式结构，即经过物体调制后的物光与参考光共轴，再加上系统结构抛弃了透镜，因此采集的图像是非聚焦光强图像。传统方式，一般是利用角谱传播对采集到的图像进行反传播，从而获得物体在聚焦面上的光强图。由于普通的图像传感器只能记录光强信息，而丢失了物体的相位信息，因此，反传播后的图像存在共轭像，该像叠加在实际物体的像上。为了去除这些共轭像，即需要恢复物体的相位信息，Aydogan Ozcan等团队提出了多种用于去除共轭像(恢复相位)的方法，例如，多角度照明、多波长照明、多高度位移等方法来获得物体的多幅衍射图像，从而利用相应的算法实现物体的相位恢复。但是上面的这些方法实验过程中需要依赖精准的机械移动，如1弧秒精准旋转位移台等，或者可调多波长光源(需要依赖于高精度的波长可调谐激光器)，这些机械结构提高了系统的成本、降低了鲁棒性；算法上需要采集多幅光强图以及相应的迭代算法，从而显著地增加了重构的时间。所以如何只基于结构简易、实验操作简便的低成本无透镜显微成像系统(如基于白光光源的无透镜基本结构)，只利用简单算法实现无透镜去共轭成像成为了无透镜显微成像技术中必须克服的技术难题。

发明内容

为了解决目前无透镜显微成像中光源相干性要求较高、采集数据较多、算法相对较复杂的技术问题，而提出了一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法。

本发明的发明思想为：一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，首先构建函数用于拟合光源光谱分布，对拟合后的函数进行差分处理获得重构波长，然后利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理，以及基于清晰度判别因子确定离焦距离范围，最后计算该离焦距离范围内不同焦面上的光强差分分布，择优获得最终结果。

为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，包括以下步骤：

1、利用光谱仪获得系统白光光源的光谱分布信息，提出指定函数用于拟合，拟合后的函数进行差分处理获得重构波长；

2、利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理；

3、利用角谱传播公式生成不同离焦面的光强图，并基于清晰度判别因子确定离焦距离范围；

4、基于数值差分和预处理后的采集图像，计算步骤三中获得的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果。

优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：

1.1、利用光谱仪对白光光源进行测量，并导出波长及其对应的相对光强强度数据。

1.2、不同波长的光强强度是具有差异的，且已有的白光光源是非标准高斯分布，因此指定下面函数对相对光强强度数据进行拟合。

λ为光波波长，S(λ)为光谱的相对光强分布，a_i、b_i、σ_i为待拟合系数。i为标序，n为待拟合数据中极大值的数量的1-3倍。实际白光光源可能存在偏色，其本质是由多种基色混合叠加而成，因此n一般取值为大于1的正整数。

1.3、拟合得到的函数对λ求偏导记作S^′(λ)，并确定偏导后的分布S^′(λ)中最大值所对应的波长值，该值即为后续重构所需的波长λ_Rec。若求偏导后的分布S^′(λ)存在多个等值的最大值，即对应多个波长值，则选择一个作为重构波长。

优选的，所述步骤2具体包括以下过程如下：

考虑到待测物体为弱衍射物体，该步骤的具体过程为，直接采集到的光强图为I＝I(x_h,y_h)，(x_h,y_h)为成像传感器采集到的离散化图像的坐标，均为正整数。利用公式I_pro(x_h,y_h)＝I(x_h,y_h)-I_mean获得处理后的全息图像，其中，

X_wide和Y_heigh分别为成像传感器采集到的离散化图的横、纵的像素数，均为正整数。

优选的，所述步骤4具体包括以下步骤：

4.1、步骤3中确定的离焦距离范围为z₁～z_m(μm)，以step＝1μm为步长(这里步长根据实际需求可以取step＝0.1μm～10μm)，生成该离焦距离范围内不同距离处的光强图n＝floor[(z_m-z₁)/step]+1,floor代表向下取整；(具体说来，/>是z₁(μm)处生成的光强图，/>是z₁+floor[(z_m-z₁)/step]×step(μm)处生成的光强图。)

4.2、在z方向上对生成的光强图进行差分，即将相邻的光强分布相减，获得的分布图记作/>

4.3、在利用清晰度判别因子或先验知识，选择最优结果。

优选的，白光光源与待测样品的距离Z₁，待测样品与成像传感器的距离Z之间的比例满足以下条件：

其中，△s为白光光源直径，q为待测样品需要辨别的最小尺寸即待测最高分辨率。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)能够进一步降低现有无透镜显微成像系统光源时间相干性的要求，从而简化了系统复杂度降低了成本。(2)采用全息图减平均值法对白光下采集的单帧图像进行预处理，可以减弱重构后的共轭像，从而提高了无透镜差分成像的背景质量。(3)预确定重构距离范围，可以加快后续差分重构的速度。(4)在可靠的重构距离范围内进行差分处理，提高了低时空相干性下单帧重构的分辨率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分。

图1为本发明适用于的系统基本结构示意图。

图2为基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法的整体流程图。

图3为基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法的重构结果。图3(a)表示理论上应该重构出的高分辨率图；图3(b)表示的是白光光源分布拟合后曲线及该曲线差分后的分布曲线；图3(c)是仿真采集到的离焦图；图3(d)是对采集到的离焦图进行预处理后的图像。图3(d1)为基于角谱传播确定的重构距离范围曲线图；图3(d2)-图3(d4)为重构距离范围内不同面上的差分结果(该特例情况下图3(d3)z＝800μm是最终重构结果)。

图4由多种基色混合成的白光光源的实际分布曲线。

图5为特例情况下z＝800μm,基于传统方法(直接角谱传播)、不预处理的差分成像方法以及本发明的结果对比。图5(a)表示传统方法即直接角谱传播后的结果；图5(b)表示不进行预处理直接差分重构结果；图5(c)基于本发明的重构结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法是用于无透镜显微成像系统，该系统的基本结构为一般是由部分相干或者相干光源、样品、成像传感器三部分构成成像系统。基于本发明，其光源的时间相干性可以拓展为白光光源。白光光源作为无透镜显微镜的照明光源，其被直接安置在样品上方，并且光源的发光中心位置位于整个成像系统的光轴上。

结合图1，本发明用于的无透镜显微成像系统的白光光源距离样品的上表面距离Z₁一般在5～15cm之间，成像传感器与样品的距离Z一般在5μm～2mm之间，由于一般白光光源的空间相干性也差，所以较大的Z₁/Z可以实现空间相干性的提高，而无需添加任何光学元件(如小孔)。在此基础上，光源时间相干性将成为无透镜显微成像的限制。

基于本发明，可以在不增加额外元件的前提前，极大地降低整个无透镜成像系统各元件的参数要求。结合图2，本发明提出的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其步骤包括：

步骤一，利用光谱仪获得系统白光光源的光谱分布信息，提出指定函数用于拟合，拟合后的函数进行差分处理获得重构波长。

具体说来，首先利用光谱仪，对白光光源进行测量，将可以获得波长和归一化的相对光强的曲线数据。

其次分析曲线数据。结合图3(b)，这条曲线分布理论上是一个矩形函数，因此对该函数进行求偏导，将会得到两个冲击函数。因此该冲击函数对应两个波长，这两个波长任选其一都可作为后续重构的波长。结合图4，白光光源可能存在较大偏色，这就导致其导出的曲线分布是一个含有多个极值点且非标准函数分布。因此针对实际情况，需要构建一个待拟合函数用于实际情况的，本发明中，针对大部分白光光源的分布，构建了如下的拟合函数：

λ为光波波长，S(λ)为光谱的相对光强分布，a_i、b_i、σ_i为待拟合系数。i为标序，n为待拟合数据中极大值的数量；在实际实验中，为了更高的拟合精度，n一般取值为待拟合数据中极大值数量的3倍。

最后，将拟合得到的函数对λ求偏导记作S^′(λ)，并确定偏导后分布S^′(λ)中最大值所对应的波长值，该值即为后续步骤四中重构所需的波长λ_Rec。若求偏导后的分布S^′(λ)存在多个等值的最大值，即对应多个波长值，则选择一个作为重构波长λ_Rec。

步骤二，整个无透镜成像的过程可以看作是待测物体散射的光和未受调制直接通过样品的参考光产生干涉复振幅，携带了物光信息的光场将会传播一段距离，最终被传感器捕获，直接采集到的光强图为I＝I(x_h,y_h)，(x_h,y_h)为成像传感器采集到的离散化图像的坐标，均为正整数。假设I(x_h,y_h)＝[U(x_h,y_h)]²＝[U_R(x_h,y_h)+U_O(x_h,y_h)]²。U_o(x_h,y_h)与U_h(x_h,y_h)分别为即物光和参考光在成像传感器采集平面上的光场分布(即是复数)。而无透镜成像中重构的目的就是通过成像传感器直接采集的光强图像I＝I(x_h,y_h)(即复数的平方)恢复出物光的振幅、相位分布。复数平方后导致辐角信息丢失，因此为了减弱后续重构过程中该部分信息丢失了产生的共轭像，本发明中具体过程为：利用公式I_pr(x_h,y_h)＝I(x_h,y_h)-I_mean获得处理后的全息图像，其中，

X_wide和Y_heigh分别为成像传感器采集到的离散化图的横、纵的像素数，均为正整数。

步骤三，考虑到目前的图像传感器采集到的数据是离散化的，为了保持传播过程前后图像尺寸不变，本发明采用角谱传播作为反传播的基本方法，来获得各个平面上的重构信息，并基于Sobel判别因子，确定大致的重构距离。

具体过程为：首先，获得系统中空气中光自由传播的频域效应传递函数：

其次，结合图1，采集到的图像分布是携带了物光信息的光场传播了距离Z后采集到的信息，因此整个重构过程可以记为：

其中，H_-Z(f_x,f_y)为H(f_x,f_y)公式中Z值取负值，即采集到的图像向后传播距离Z，此外H_-z(f_x,f_y)中的λ取值一般为S(λ)>0所对应λ范围的中值。由于不知道物体到底向前传播了具体多少距离，因此，为了本发明中，Z根据实际系统搭建情况以及经验值给出一个大致范围，这里以为5μm～2mm为例。

最后，以5μm为步长(这里步长根据实际需求可以取1μm～15μm)，将Z的取值遍历上述举例的范围5μm～2Z，获得400不同的I_Rec(x_h,y_h)值。对这些不同的I_Rec(x_h,y_h)以Sobel函数为标准对其清晰度进行量化：

其中，*为卷积。

这样可以获得400不同的F_e值，这些F_e值与不同的离焦距离Z之间构成一条曲线，选取该曲线中最大值附近对应的Z的范围作为离焦距离范围z₁～z_m(μm)。

步骤四，对轴向光强进行差分，选取最优解作为最终的成像结果。

具体说来，首先根据步骤三中确定的离焦距离范围z₁～z_m(μm)，以step＝1μm为步长(这里步长根据实际需求可以取step＝0.1μm～10μm)，用预处理的单帧图像生成该离焦距离范围内不同距离处的光强图n＝floor[(z_m-z₁)/step]+1,floor代表向下取整。/>是z₁(μm)处生成的光强图，/>是z_n＝z₁+floor[(z_m-z₁)/step]×step(μm)处生成的光强图。以/>为特例，其具体生成过程可记为：

中λ取值为λ_Rec。

其次，获得n个离焦面上的后，在Z方向上对生成的光强图进行差分，即将/>相邻的光强分布相减，即/>可以在z₁～z_n范围内获得n-1幅差分分布图，可以记作/>最终利用清晰度判别因子或先验知识，结合图3(d2)-图3(d4)，可以最终选择Z＝800μm处为最优结果。

为了测试基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法。以图3(c)中仿真的直接采集到的离焦分辨率板为特例，采用不同的方法对其进行重构，并对结果进行对比，其重构出的成像结果如图5所示。图5(a)表示传统方法即直接角谱传播后的结果；图5(b)表示不进行预处理的差分成像结果(即没有步骤二的情形下的重构结果)；图5(c)基于本发明的重构结果。可以发现图5(b)和图5(c)都能比图5(a)提供更多的细节信息，即更高的重构分辨率，而基于本发明的重构结果图5(c)比图5(b)又能提供好的背景信息，而减少共轭像的影响，即具有良好的信噪比。

以上所述的参数仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得无透镜显微成像系统白光光源的光谱分布信息，并用函数拟合，拟合后的函数进行差分处理获得重构波长；所述无透镜显微成像系统包括自上而下设置的白光光源、待测样品、成像传感器，光源的发光中心位置位于整个成像系统的光轴上；

对成像传感器采集的单帧图像进行预处理，获得处理后的全息图像；

利用角谱传播公式基于原采集图像生成不同离焦面的光强图，并基于清晰度判别因子确定离焦距离范围；

基于数值差分处理和预处理后的采集图像，计算所获得的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果。

2.根据权利要求1所述的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于利用光谱仪获得系统白光光源的光谱分布信息，并提出指定函数用于拟合，然后进行差分处理获得重构波长，包括以下步骤：

利用光谱仪，对白光光源进行测量，并导出波长及其对应的相对光强强度数据；

用下面函数对相对光强强度数据进行拟合：

λ为光波波长，S(λ)为光谱的相对光强分布，a_i、b_i、σ_i为待拟合系数，i为标序，n为待拟合数据中极大值的数量的1-3倍；

拟合得到的函数对λ求偏导，并确定偏导后的分布中最大值所对应的波长值，该值即为后续重构所需的波长；若求偏导后的分布函数存在多个等值的最大值，对应多个波长值，则选择一个作为重构波长。

3.根据权利要求1所述的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理，具体过程为：成像传感器直接采集到的光强图为I＝I(x_h,y_h)，(x_h,y_h)为成像传感器采集到的离散化图像的坐标，均为正整数；利用公式I_pro(x_h,y_h)＝I(x_h,y_h)-I_mean获得处理后的全息图像，其中，

X_wide和Y_height分别为成像传感器采集到的离散化图的横、纵的像素数，均为正整数。

4.根据权利要求1所述的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于利用数值差分和预处理后的采集图像计算获得所选取的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果，包括以下步骤：

以step为步长，以λ_Rec为重构波长生成离焦距离范围z₁～z_m内不同距离处的光强图n＝floor[(z_m-z₁)/step]+1,floor代表向下取整；/>是z₁(μm)处生成的光强图，/>是z₁+floor[(z_m-z₁)/step]×step(μm)处生成的光强图；

在z方向上对生成的光强图进行差分，即将相邻的光强分布相减，获得的分布图记作/>

在利用清晰度判别因子或先验知识，选择最优结果。

5.根据权利要求1所述的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于，白光光源与待测样品的距离Z₁，待测样品与成像传感器的距离Z之间的比例满足以下条件：

其中，△s为白光光源直径，q为待测样品需要辨别的最小尺寸即待测最高分辨率。