CN116909116A - 厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统及方法，涉及显微成像技术领域，系统包括：光源、两个设有多个台阶结构的透明平板、水平移动机构、载物平台、图像探测器和计算机；光源发射的光束经过两个透明平板后照射至所述载物平台和载物平台的被测样品上；图像探测器用于探测透明平板每次移动后的全息图像；计算机用于接收全息图像序列，并应用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像。整个成像系统极大地简化了传统无透镜片上全息超分辨率成像系统，降低了整个成像系统的成本，并且通过凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法处理亚像素位移全息图，提高了像素超分辨无透镜片上全息相位成像的精度。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像技术领域，特别是涉及一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上全息显微成像系统及成像方法。
背景技术
近年以来，随着计算机技术以及图像传感器芯片制造工艺的快速发展，涌现出了一系列新型的计算显微成像技术。无透镜片上全息显微成像技术是非常具有前景性的一种计算成像技术。无透镜片上全息显微镜不含任何光学透镜元件，被测样品紧贴放置在图像传感器上方。它采用相干或部分相干光源照明被测样品，直透光场和样品的衍射光场在图像传感器表面形成同轴全息图；全息图被记录后，采用数值计算的方式重建被测样品的光场，最终可以同时获取被测样品的强度和定量相位显微像。相较于传统的显微镜，无透镜片上全息显微镜不仅可以对透明样品进行定量相位成像，还能同时兼顾大视场和高分辨率，能够在较大的视野范围内对多个生物样品同时进行高分辨率追踪观测。此外，由于无透镜片上全息显微镜不采用传统的光学成像系统，具有成本低，结构紧凑，便于携带等优点，因此有望成为新一代POCT医疗诊断工具。
但是，由于无透镜片上全息显微镜不使用光学透镜系统，所以其成像分辨率受图像传感器像素尺寸所制约。现有图像传感器例如CMOS传感器的像素尺寸大约在1～2μm。根据采样定理，无透镜片上全息显微镜的极限分辨尺寸为传感器像素尺寸的2倍。为了能够突破传感器像素尺寸的限制，通常采用像素超分辨技术来提高系统的分辨率。像素超分辨技术可以从亚像素位移的低分辨率图像序列中重建出高分辨率图像。为了能够获得亚像素位移的图像序列，需要精确移动图像传感器或者样品，这需要极高精度的机械位移装置。移动光源和移动样品或图像传感器的效果是等价的。虽然移动光源的系统结构对机械位移平台的精度要求大大降低，但是系统仍然对机械位移装置的精度有一定要求。也有学者提出采用光纤阵列来获得亚像素位移的图像而不涉及机械移动的方法，但是需要精确对准定位直径为微米级别的光纤阵列，不仅增加了系统的复杂度还增加了系统的成本。此外，还有利用改变波长、照明角度、掩模版、旋转相机平面、旋转平行玻璃板等方法提升系统分辨率，但是这些方法或者需要高精度的可调谐激光器或者需要额外复杂精密的机械装置如精准旋转位移台等，增加了系统成本，不利于无透镜片上全息显微镜的应用。
另一方面，在基于亚像素位移的像素超分辨无透镜片上全息显微成像中，亚像素位移全息图的融合算法对成像分辨率起着关键性的作用。目前常用的像素超分辨融合算法主要包括凸集投影合算法和交替投影算法两类。凸集投影算法只对采集的全息图的强度分布进行融合，没有考虑全息图的特殊性，它不仅记录了强度信息，还记录了光波场的相位信息。因此，使用凸集投影算法在处理亚像素位移全息图融合时，会使得重构的相位发生偏差，从而影响重建分辨率的提高。此外，该算法对初始值非常敏感，初始值的好坏在某种程度上对重建结果的影响特别大；同时，凸集投影算法重建的解是一个不唯一的集合，多解问题无法避免；而且，凸集投影算法迭代计算非常耗时，计算时间成本高。交替投影算法类似于G-S相位恢复算法，通过物面和全息面之间的反复传播投影，并且在全息面上融合不同全息图之间的信息，最终重建高分辨复振幅信息。由于交替投影算法充分考虑了全息图同时记录物光波场振幅和相位信息的特点，某种意义上认为可以更好的融合全息图，但是该算法在像素超分辨率融合时，融合的质量受初始值质量、图像配准的准确度以及图像噪声的影响很大。初始值质量越好，交替投影重建的质量就越好，而且也可以有效减少迭代次数。而当迭代次数增多时，图像的噪声以及图像配准误差对于重建的质量影响也会增大。所以提升初始值的质量可以有效减少迭代次数，减少误差的影响，有效提升像素超分辨率重建的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统及方法，可降低系统成本，并且还能提高成像精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统，所述系统包括：光源、两个正交倾斜放置的透明平板、水平移动机构、载物平台、图像探测器和计算机；每一透明平板上设有多个台阶结构；所述台阶结构为透明材料构成的结构；所述水平移动机构用于控制两个所述透明平板进行水平移动；
所述光源发射的光束经过两个所述透明平板后照射至所述载物平台和所述载物平台的被测样品上；所述图像探测器用于探测经过所述样品的光束形成的全息图像序列并输出至所述计算机；所述全息图像序列包括每次以厘米级平移量移动任一所述透明平板后拍摄的全息图像；当任一所述透明平板移动一个台阶长度的平移量后，对应获得的所述全息图像的位移量为亚像素位移量；一个台阶的长度为厘米级长度；
所述计算机，用于接收所述全息图像序列，并应用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像；所述像素超分辨率融合算法为凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法；所述交替投影算法的初始值为所述凸集投影算法融合重建得到的高分辨率融合全息图通过单帧相位恢复计算得到。
本发明还提供一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上全息显微成像方法，所述方法包括：
获取图像探测器采集的全息图像序列；
对所述全息图像序列各全息图像进行图像配准，得到每帧所述全息图的位移量；
对配准后的各所述全息图像采用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像；所述像素超分辨率融合算法为凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法；所述交替投影算法的初始值由所述凸集投影算法融合重建得到的高分辨率融合全息图通过单帧相位恢复计算得到。
可选的，对所述全息图像序列各全息图像进行图像配准，得到每帧所述全息图的位移量，具体包括：
以第一帧全息图像为基准图像，以其他帧全息图像分别为待配准图像；
对所述基准图像和每一所述待配准图像分别进行傅里叶变换，得到基准图像的频谱和待配准图像的频谱；
计算所述基准图像和每一所述待配准图像之间的归一化互功率谱；
将每一所述归一化互功率谱嵌入到N倍大小的零矩阵中，得到预处理后的互功率谱，并对所述预处理后的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数；
确定所述互相关函数的峰值位置，根据所述峰值位置的坐标确定所述基准图像和每一所述待配准图像之间的位移量。
可选的，对配准后的各所述全息图像采用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像，具体包括：
对配准后的各所述全息图像利用所述凸集投影算法进行图像融合，得到所述高分辨率融合全息图；
对所述高分辨率融合全息图应用单帧相位恢复算法得出初始的物面高分辨率复振幅信息；
以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，对各配准后的各所述全息图像应用所述交替投影算法得出所述高分辨率重建图像。
可选的，对配准后的各所述全息图像利用所述凸集投影算法进行图像融合，得到所述高分辨率融合全息图，具体包括：
利用双三次插值对第一帧所述全息图像进行上采样，得到初始高分辨率图像；
对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化，得到第m帧退化后的图像；m＝1,2,3...，M；M为全息图像总帧数；
将第m帧所述退化后的图像和实际探测得到的第m帧所述全息图像进行比较，获得残差值；
根据所述残差值修正第m帧所述初始高分辨率图像，得到第m帧修正图像；当m<M时，第m帧所述修正图像为第m+1帧所述初始高分辨率图像；
令m＝m+1，返回步骤“对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化”，直至遍历所有实际探测得到的所述全息图像，得到第M帧所述修正图像；
判断当前融合迭代次数是否等于第一预设迭代次数，得到第一判断结果；每计算出一次第M帧所述修正图像则完成一次融合迭代；
若所述第一判断结果为否，则令m＝1，令第M帧所述修正图像为第1帧所述初始高分辨率图像，返回步骤“对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化”；
若所述第一判断结果为是，则当前第M帧所述修正图像为所述高分辨率融合全息图。
可选的，以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，对各配准后的各所述全息图像应用所述交替投影算法得出所述高分辨率重建图像，具体包括：
以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，通过角谱衍射算法将所述初始的物面高分辨率复振幅信息传播到全息面，得到全息面的复振幅信息Um；
对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im；
对所述强度图Im进行模糊降采样后，根据第m帧所述全息图像与第一帧所述全息图像的位移量，将模糊降采样后的强度图Im'移到第m帧所述全息图位置，再向上采样得到强度图Ir m；m＝1,2,3…M；M为全息图像总帧数；
将所述强度图和第m帧上采样全息图像进行相除处理，得到相除结果；
对所述相除结果应用第m帧所述全息图像与第一帧所述全息图像的位移量进行反向位移，得到反向位移后的相除结果；
根据所述反向位移后的相除结果与所述复振幅信息Um得到复振幅信息Um'；
根据所述复振幅信息Um和所述复振幅信息Um'更新所述复振幅信息Um，得到更新后的复振幅信息
利用角谱衍射算法将所述更新后的复振幅信息反向传播回物面得到物面复振幅分布，将所述物面复振幅分布通过角谱衍射算法传播到全息面，得到全息面的复振幅信息Um+1；
令m＝m+1，返回步骤“对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im”，直至遍历所有帧的所述全息图像；
判断当前完整迭代次数是否为第二预设迭代次数；若所述第二判断结果为否，则令m＝1，，U1＝UM+1，其中，全息面复振幅标号为累计，全息图标号从1开始，令全息面的复振幅信息UM为全息面的复振幅信息U1，返回步骤“对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im”；当遍历所有帧的所述全息图像时为一次完整的迭代过程；
若所述第一判断结果为是，则得到所述物面高分辨率重建的复振幅信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统及方法，基于传统无透镜片上显微术，将两个具有台阶结构的透明平板正交倾斜放置在光源和被测样品之间，通过水平移动这两个透明平板，可实现亚像素位移无透镜片上同轴全息图的获取。整个成像系统极大地简化了传统无透镜超分辨率成像系统，抛弃了原有的高精度位移台(或者高精度旋转台)，降低了整个成像系统的成本，能够在大步长、低精度的硬件条件下，实现光源的微米级别位移和图像的亚像素位移。并且通过凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法处理亚像素位移全息图，能够提高像素超分辨无透镜相位成像的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统结构图；
图2为本发明实施例一提供的透明平板的台阶结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上全息显微成像方法流程图；
图4为本发明实施例二提供的像素超分辨无透镜片上全息显微成像系统的成像性能测试结果图；
图5为本发明实施例二提供的重构出的相位超分辨成像结果。
符号说明：
1—光源；2—透明平板；3—载物平台；4—图像探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统及方法，本发明基于传统无透镜片上显微术，将两个设有台阶结构的玻璃平板正交倾斜放置在光源和被测样品之间，通过水平移动这两个设有台阶的玻璃平板，可实现亚像素位移无透镜片上同轴全息图的获取。并且通过凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法处理亚像素位移全息图，最终获得精度更高的像素超分辨无透镜相位成像。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统，所述系统包括：光源1(光纤耦合的LED照明光源、两个正交倾斜放置的透明平板2、水平移动机构(包括两个低精度低成本水平移动机构)、载物平台3、图像探测器4(面阵CMOS探测器)和计算机；每一透明平板2上设有多个台阶结构；所述台阶结构为透明材料构成的结构；所述水平移动机构用于控制两个所述透明平板2进行水平移动。
所述光源1发射的光束经过两个所述透明平板2后照射至所述载物平台3和所述载物平台3的被测样品上；所述图像探测器4用于探测经过所述样品的光束形成的全息图序列并输出至所述计算机；所述全息图像序列包括每次以一个台阶长度(厘米级)的平移量移动任一所述透明平板2后拍摄的全息图像；当任一所述透明平板2移动一个台阶长度(厘米级)平移量后，对应获得的所述全息图像的像素位移量为亚像素位移量。
光源1放置在系统上方作为系统的照明光源1，光源1照射放置在载物平台3上的被测样品，在照射样品后，其中一部分发生衍射，另一部分直接透射穿过样品继续传播；衍射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉，形成干涉图像，即同轴全息图。
所述计算机，用于接收所述全息图像序列，并应用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像；所述像素超分辨率融合算法为凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法；所述交替投影算法的初始值为所述凸集投影算法融合重建得到的高分辨率融合全息图通过单帧全息图相位恢复计算得到。
其中，光源1距离载物平台3在10-15cm，载物平台3距离图像探测器4在0.5mm-1mm。两个透明平板2倾斜正交放置在光源1和载物平台3之间。倾斜角度约为10°-20°左右，玻璃台阶可由4-5个台阶构成，通过两个水平方向的位移平台控制台阶的位移，可以获取16-25张亚像素位移的全息图像。
其中玻璃台阶结构如附图1所示。玻璃台阶结构的一种特例，如图2所示，透明平板2上由5个生物载玻片叠加构成5个台阶，每个生物载玻片厚度为1mm左右，载玻片横向间隔为1.5cm，如图2所示。通过水平移动这两个正交的透明平板2，可以采集25个亚像素位移全息图，每个透明平板2上有5个台阶，固定其中一个透明平板2而移动另一个透明平板2，并且每次移动一个台阶，则得到了5×5矩阵形式的全息图像序列。
如图2，当光源1以倾斜角度入射到其中一个厚度的平行玻璃层时因折射出射光会发生水平偏移，偏移的水平距离与入射角度以及平行玻璃层的厚度关系如式(1)所示：
其中，l为出射光的水平偏移距离，θ为入射角，d为平行玻璃层的厚度，n为玻璃的折射率，当入射角恒定时，出射光的水平偏移距离与平行玻璃层的厚度成正比。通过控制位移平台让玻璃台阶发生水平位移时，光源1就会依次以一个恒定的角度入射到不同厚度的平行玻璃层，而出射光的水平偏移距离也会因玻璃层厚度的改变而改变，从而实现了光源1的等效微位移。可以获取到一系列亚像素位移同轴全息图。
在无透镜片上全息显微镜系统中，获取亚像素位移图像序列的方法本质上包括移动被测样品，移动图像探测器4以及移动光源1等。其中，由于被测样品非常靠近图像探测器4，所以移动被测样品和移动图像探测器4对机械移动装置的要求是等价的，它们的位移量都要小于COMS传感器的像素尺寸，即位移的步长要达到亚微米级别。移动光源1则对移动精度的要求低的多，根据无透镜片上全息显微镜的几何结构，其中光源1的位移量与全息图的位移量的关系如式(2)所示：
其中，z2是被测样品到图像探测器4之间的距离，z1是光源1到被测样品之间的距离，n1是空气的折射率，n2是COMS传感器感光单元前方保护玻璃的折射率。假如z2＝0.75mm，z1＝15cm，n1＝1，n2＝1.5，那么Shologram/Ssource≈1/300，如果拍摄的全息图位移0.3μm，则光源1的位移约90μm。因此，移动光源1的系统结构对机械位移平台的精度要求大大降低。但是尽管如此，系统仍然对机械位移装置的精度有一定要求。
由于玻璃的折射率大于空气，所以当光源1倾斜照射玻璃平板时会发生两次折射，该折射会使得光源1发生等效的横向偏移，如公式(1)。当入射角一定时，横向偏移量只与玻璃台阶的厚度成正比，与玻璃台阶的长度无关，所以可以通过设置玻璃台阶的长度以实现大步长(玻璃台阶水平位移的步长由玻璃台阶的长度决定)小位移(每帧的像素位移量由玻璃台阶的倾斜角和每个台阶的厚度决定)。
与现有亚像素位移像素超分辨无透镜片上系统相比，其显著优点：与现有的获取亚像素位移图像的方案相比，该成像系统对亚像素机械位移装置的精度几乎没有要求(厘米级位移量)，可以采用价格低廉的低精度机械位移装置，不仅降低了整个成像系统的成本，也加强了系统的抗噪能力。以图2为例，假设一个台阶的厚度为1mm，水平方向上长度为1.48cm，玻璃的折射率为1.5，当光源1以倾斜台阶10°入射时，平移一个台阶相当于使光源1发生59μm的位移，从而使全息图发生亚像素平移。这个1.48cm的位移步长却可以实现全息图的亚像素位移，因此大大降低了对机械位移平台的精度要求。此外，该玻璃台阶倾斜放置的角度，台阶的长度以及台阶的厚度可以根据实际需要来设置，即系统参数的设置非常自由。
从上述分析可知，该系统对外界噪声的鲁棒性很高。因为一个台阶的横向尺寸在厘米量级，所以只要位移平台的横向偏移量不是太大，就不会影响光源1的偏移量。如果位移平台因振动使得倾斜角发生微小的变化，比如倾斜角发生了5°的偏转，入射角从10°变为15°，对于系统来说，5°的偏转已经是一个比较大的误差了。但是此时光源1的位移步长从59微米变为90微米，也还能保证图像是亚像素位移。因此一般情况下，对光源1偏移量的影响也不大，多数图像的位移量基本保持在一个像素以内。因此，提出的亚像素位移像素超分辨系统不仅对位移平台精度要求低，而且对外界震动具有很好的抗干扰性。
本实施例中，将两个具有玻璃台阶结构的透明平板2正交放置在光源1和载物平台3之间，可以控制两个方向上图像的亚像素位移。整个成像系统极大地简化了传统无透镜超分辨率成像系统，抛弃了原有的高精度位移台(或者高精度旋转台)，降低了整个成像系统的成本，能够在大步长、低精度的硬件条件下，实现光源1的微米级别位移和图像的亚像素位移。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种基于实施例1提供的厘米级平移的无透镜片上全息显微成像系统实现的像素超分辨全息显微成像方法，所述方法包括：
Q1：获取图像探测器4采集的全息图像序列。
部分相干或者相干光作为光源1，经过透明平板2，照射样品后在图像探测器4器上成像，透明平板2每平移一个台阶，照明光源1就水平位移一个距离，通过水平移动机构使得光源1倾斜通过不同厚度的平行玻璃台阶，光源1每通过一个厚度的台阶，图像探测器4就采集一幅亚像素位移全息图像。
Q2：对所述全息图像序列各全息图像进行图像配准，得到每帧所述全息图的位移量。
帧间全息图亚像素位移量计算：利用亚像素级图像配准算法对拍摄得到的全息图进行图像配准，获取每张全息图之间的位移量。亚像素级相位相关算法采用快速傅里叶算法将两张图像变换到频域内，并在频域内补0后计算两张全息图像的互相关，并寻找互相关的峰值的位置确定两张全息图之间的亚像素级别的位移量。
具体的，步骤Q2具体包括：
Q21：以第一帧全息图像为基准图像f1(x,y)，以其他帧全息图像分别为待配准图像，记为f2(x,y)。
Q22：对所述基准图像f1(x,y)和每一所述待配准图像f2(x,y)分别进行傅里叶变换，得到基准图像的频谱F1(u，v)和待配准图像的频谱F2(u，v)。
Q23：计算所述基准图像和每一所述待配准图像之间的归一化互功率谱。
两幅图像之间的归一化互功率谱为：
Q24：将每一所述归一化互功率谱Q(u,v)嵌入到N倍大小的的零矩阵中，得到预处理后的互功率谱，并对所述预处理后的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数。
即，将Q(u,v)嵌入到一个N倍于Q(u,v)的零矩阵中得到Qup(u',v')，例如如果想要得到1/20像素的精度，则将Q(u,v)嵌入到20倍Q(u,v)大小的0矩阵中，对Qup(u',v')作逆傅里叶变换可得一个经过上采样后的互相关函数：
qup(x,y)＝δ(x-Nx0,y-Ny0) (4)
Q25：确定所述互相关函数qup(x,y)的峰值位置，根据所述峰值位置的坐标确定所述基准图像和每一所述待配准图像之间的位移量。
找到qup(x,y)的峰值的位置，该位置的坐标对应N倍的位移量(Nx0,Ny0)，对该坐标除以N就可以获得1/N像素精度的位移量(x0,y0)。
Q3：对配准后的各所述全息图像采用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像；所述像素超分辨率融合算法为凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法；所述交替投影算法的初始值为所述凸集投影算法融合重建得到的高分辨率融合全息图通过单帧相位恢复计算得到。
其中，步骤Q3具体包括：
Q31：对配准后的各所述全息图像利用所述凸集投影算法进行图像融合，得到所述高分辨率融合全息图。
其中，获取高分辨率复振幅分布初始值：(1)通过凸集投影算法(POCS)将拍摄得到的亚像素位移的全息图像序列融合成一幅高分辨率全息图；(2)将融合得到的高分辨全息图采用单帧相位恢复技术获取高分辨物面复振幅初始值。
具体的，Q步骤31具体包括：
Q311：利用双三次插值对第一帧所述全息图像进行上采样，得到初始高分辨率图像S1。
Q312：对第m帧所述初始高分辨率图像Sm进行模拟退化，得到第m帧退化后的图像Lm；m＝1,2,3...，M；M为全息图像总帧数。
第m帧所述图像退化函数为，h为退化函数：
Lm＝h×Sm (5)
Q313：将第m帧所述退化后的图像Lm和实际探测得到的第m帧所述全息图像Hm进行比较，得到残差值。
Q314：根据所述残差值修正第m帧所述初始高分辨率图像Sm，得到第m帧修正图像；当m<M时，第m帧所述修正图像为第m+1帧所述初始高分辨率图像Sm+1。
Sm+1＝Sm+G(Hm-Lm) (6)
其中，G为修正因子，在POCS算法中修正因子即投影算子。
Q315：令m＝m+1，返回步骤“对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化”，直至遍历所有实际探测得到的所述全息图像，得到第M帧所述修正图像SM+1。
Q316：判断当前融合迭代次数是否等于第一预设迭代次数，得到第一判断结果；每计算出一次第M帧所述修正图像SM+1则完成一次融合迭代。
若所述第一判断结果为否，则令m＝1，令第M帧所述修正图像SM+1为第1帧所述初始高分辨率图像，返回步骤“对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化”。
若所述第一判断结果为是，则当前第M帧所述修正图像SM+1为所述高分辨率融合全息图。
Q32：对所述高分辨率融合全息图应用单帧相位恢复算法得出初始的物面高分辨率复振幅信息。
Q33：以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，对各配准后的各所述全息图像应用所述交替投影算法得出所述高分辨率重建图像。
其中，交替投影迭代更新高分辨率复振幅分布：首先将初始的高分辨率物面复振幅采用角谱传播算法传递到全息平面，在全息面上获得高分辨复振幅，对复振幅取强度，得到全息面的高分辨率强度信息。对高分辨率强度信息采用均值模糊算法进行模糊降采样后与拍摄得到的低分辨全息图像进行比较，并将比较的结果反馈给高分辨复振幅信息，并对高分辨复振幅进行修正，然后将高分辨复振幅反向传播到物面并保持不变后又传播到全息面，在全息面上进行模糊降采样后对下一帧低分辨全息图进行比较并修正高分辨复振幅信息。如此反复在物面和全息面之间传播并在全息面上融合不同帧之间的信息，最终获得高分辨强度和相位图像。
具体的，步骤Q33具体包括：
Q331：以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，通过角谱衍射算法将所述初始的物面高分辨率复振幅信息传播到全息面了，得到全息面的复振幅信息Um。
Q332：对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im。
即对复振幅Um取强度Im＝|Um|2。
Q333：对所述强度图Im进行模糊降采样后，根据第m帧所述全息图像与第一帧所述全息图像的位移量，将模糊降采样后的强度图Im'移到第m帧所述全息图像位置，再上采样得到强度图
将该强度Im进行模糊并向下采样，然后根据步骤Q2中的配准获得的位移量(x0,y0)，将强度图Im与当前对应全息图Hm的配准，配准后再向上采样得到
Q334：对第m帧所述全息图像Hm进行上采样得到第m帧上采样全息图像将所述配准后强度图/>和第m帧上采样全息图像/>进行相除处理，得到相除结果C。
Q335：将相除的结果C通过步骤Q2图像配准获得的位移量反向位移(-x0,-y0)，进行反向位移，得到反向位移后的相除结果Cr。
Q336：根据所述反向位移后的相除结果Cr与所述复振幅信息Um得到复振幅信息Um'。即将Cr与Um相乘得到Um'。
Q337：根据所述复振幅信息Um和所述复振幅信息Um'更新所述复振幅信息Um，得到更新后的复振幅信息
其中α为融合系数，取值在0～1之间。
Q338：利用角谱衍射算法将更新后复振幅信息反向传播回物面得到物面复振幅分布，将所述物面复振幅分布通过角谱衍射算法传播到全息面，得到全息面的复振幅信息Um+1。，其中，超分辨率图像的序号和图像的帧数无关，它只是一个计算的结果。
Q339：令m＝m+1，返回步骤“对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im”，直至遍历所有帧的所述全息图像。
Q3310：判断当前完整迭代次数是否为第二预设迭代次数；若所述第二判断结果为否，则令m＝1，U1＝UM+1，其中，全息面复振幅标号为累计，全息图标号从1开始，返回步骤“对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im”。
当遍历所有亚像素位移的亚像素位移的全息图像时为一次完整的迭代过程，当一次完整的迭代过程结束时下一次迭代从第一帧重新开始新的迭代过程，达到迭代终止条件终止迭代。
若所述第一判断结果为是，则得到所述物面高分辨率复振幅信息。
本发明提供的方法与现有算法相比，其显著优点：1)、可同时实现相位恢复和像素超分辨率，即可直接获得高分辨率复振幅信息。2)、在凸集投影算法像素超分辨的基础上，采用物面和像面交替投影迭代可以进一步优化相位信息以及提高分辨率。3)、采用凸集投影算法做初始值，可以有效减少交替投影迭代次数，降低了图像噪声以及配准误差对于交替投影算法的干扰，可有效提高交替投影融合算法的重建质量。4)、采用亚像素级别的相位相关算法获取每一幅图像相对于参考的标准图像的位移量，可以快速准确的获得每一幅图像的精准位置，这个预处理可以有效提升像素超分辨率的质量以及减少程序运行的时间。
为了测试这种像素超分辨无透镜片上全息显微成像系统的成像性能，首先利用USAF1951高分辨率板进行测试。在构建的实验系统中照明光源采用多模光纤耦合输出的LED光源(M455F3，Thorlabs，中心波长455nm)，探测器采用CMOS图像探测器4件(DMM
27UJ003-ML，The Imaging Source)，该器件的像素尺寸是1.67μm×1.67μm，像素数为1000万，视场为29.85mm2。传感器平面和样品平面之间的距离z2为～0.75mm，照明光源和样品平面的距离z1为～15cm。在光源1和样品平面之间加入两个倾斜放置的设有台阶结构的玻璃平板，其中每个平板都是由4张载玻片(世泰，厚度1mm，大小75×25mm2)叠加而成，与垂直方向的角度约为20°。台阶长度约为1.9cm。根据公式(1)理论计算，每移动一个台阶，光源1位移步长约为121μm。根据公式(2)，全息图位移步长0.4μm，CMOS传感器的像素尺寸为1.67μm，因此全息图位移步长约为0.24像素。实验结果如图4所示，其中图4(a)是采用提出的像素超分辨方法进行迭代重构之后的恢复的结果，图4(b)是图4(a)中选取部分的放大图，图4(d)是对单帧全息图直接相位恢复的结果，图4(e)是图4(d)中选取部分的放大图，图4(c)和(f)分别是图4(b)和(e)中对应颜色的截线图，从图4(f)中可以看出直接重构半宽分辨率可以达到1.74μm，而从图4(c)可以看出经过本发明重构之后半宽分辨率可以达到0.87μm。系统中CMOS传感器的像素尺寸是1.67μm，因此本发明方法能够实现大视场像素超分辨率成像，且重构图像具有良好的信噪比。
以具有活性的酵母菌细胞为样品(对酵母菌胞样品未进行任何染色等预处理)，利用移液管从培养皿中提取少许含有酵母菌的培养液滴在载玻片上，然后将盖玻片盖上制成标本并将其放置在载物台上进行观测，分别控制x和y两个方向上的位移平台使得照明光源依次通过不同厚度的平行玻璃层后，采集亚像素位移的低分辨率全息图像。重构出的相位超分辨成像结果如图5所示，其中图5(a)是大视场下酵母菌样品的相位图。图5(a)中标注的b、c、d矩形框分别表示从中选取的3个酵母菌，分别进行重构，其中图5(b1)(c1)(d1)是采用对全息图直接相位恢复的结果，图5(b1)(c1)(d1)分别对应b、c、d矩形框表示的3个酵母菌，图5(b2)(c2)(d2)是采用本方法进行迭代重构之后的恢复的结果，图5(b2)(c2)(d2)分别对应b、c、d矩形框表示的3个酵母菌。图5(b3)(c3)(d3)分别是图5(b1)(c1)(d1)和图5(b2)(c2)(d2)中的截线对比图，比实验结果，可以明显看出，本发明方法能够实现提高相位成像的分辨率，并且重构出的图像具有良好的信噪比。
实施例三
本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的厘米级平移的像素超分辨无透镜片上全息显微成像方法。
可选地，上述电子设备可以是服务器。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的厘米级平移的像素超分辨无透镜片上全息显微成像方法。
本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种厘米级平移的像素超分辨无透镜片上显微成像系统，其特征在于，所述系统包括：光源、两个正交倾斜放置的透明平板、水平移动机构、载物平台、图像探测器和计算机；每一透明平板上设有多个台阶结构；所述台阶结构为透明材料构成的结构；所述水平移动机构用于控制两个所述透明平板进行水平移动；
所述光源发射的光束经过两个所述透明平板后照射至所述载物平台和所述载物平台的被测样品上；所述图像探测器用于探测经过所述样品的光束形成的全息图像序列并输出至所述计算机；所述全息图像序列包括每次以厘米级平移量移动任一所述透明平板后拍摄的全息图像；当任一所述透明平板移动一个台阶长度的平移量后，对应获得的所述全息图像的位移量为亚像素位移量；一个台阶的长度为厘米级长度；
所述计算机，用于接收所述全息图像序列，并应用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像；所述像素超分辨率融合算法为凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法；所述交替投影算法的初始值为所述凸集投影算法融合重建得到的高分辨率融合全息图通过单帧相位恢复计算得到。
2.一种基于权利要求1所述的厘米级平移的无透镜片上全息显微成像系统实现像素超分辨全息显微成像方法，其特征在于，所述方法包括：
获取图像探测器采集的全息图像序列；
对所述全息图像序列各全息图像进行图像配准，得到每帧所述全息图的位移量；
对配准后的各所述全息图像采用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像；所述像素超分辨率融合算法为凸集投影算法与交替投影算法相结合的融合算法；所述交替投影算法的初始值为所述凸集投影算法融合重建得到的高分辨率融合全息图通过单帧相位恢复计算得到。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述全息图像序列各全息图像进行图像配准，得到每帧所述全息图的位移量，具体包括：
以第一帧全息图像为基准图像，以其他帧全息图像分别为待配准图像；
对所述基准图像和每一所述待配准图像分别进行傅里叶变换，得到基准图像的频谱和待配准图像的频谱；
计算所述基准图像和每一所述待配准图像之间的归一化互功率谱；
将每一所述归一化互功率谱嵌入到N倍大小的零矩阵中，得到预处理后的互功率谱，并对所述预处理后的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数；
确定所述互相关函数的峰值位置，根据所述峰值位置的坐标确定所述基准图像和每一所述待配准图像之间的位移量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对配准后的各所述全息图像采用像素超分辨率融合算法获取高分辨率重建图像，具体包括：
对配准后的各所述全息图像利用所述凸集投影算法进行图像融合，得到所述高分辨率融合全息图；
对所述高分辨率融合全息图应用单帧相位恢复算法得出初始的物面高分辨率复振幅信息；
以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，对各配准后的各所述全息图像应用所述交替投影算法得出所述高分辨率重建图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对配准后的各所述全息图像利用所述凸集投影算法进行图像融合，得到所述高分辨率融合全息图，具体包括：
利用双三次插值对第一帧所述全息图像进行上采样，得到初始高分辨率图像；
对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化，得到第m帧退化后的图像；m＝1,2,3...，M；M为全息图像总帧数；
将第m帧所述退化后的图像和实际探测得到的第m帧所述全息图像进行比较，获得残差值；
根据所述残差值修正第m帧所述初始高分辨率图像，得到第m帧修正图像；当m<M时，第m帧所述修正图像为第m+1帧所述初始高分辨率图像；
令m＝m+1，返回步骤“对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化”，直至遍历所有实际探测得到的所述全息图像，得到第M帧所述修正图像；
判断当前融合迭代次数是否等于第一预设迭代次数，得到第一判断结果；每计算出一次第M帧所述修正图像则完成一次融合迭代；
若所述第一判断结果为否，则令m＝1，令第M帧所述修正图像为第1帧所述初始高分辨率图像，返回步骤“对第m帧所述初始高分辨率图像进行模拟退化”；
若所述第一判断结果为是，则当前第M帧所述修正图像为所述高分辨率融合全息图。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，对各配准后的各所述全息图像应用所述交替投影算法得出所述高分辨率重建图像，具体包括：
以所述初始的物面高分辨率复振幅信息为所述交替投影算法中的初始值，通过角谱衍射算法将所述初始的物面高分辨率复振幅信息传播到全息面，得到全息面的复振幅信息Um；
对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im；
对所述强度图Im进行模糊降采样后，根据第m帧所述全息图像与第一帧所述全息图像的位移量，将模糊降采样后的强度图Im'移到第m帧所述全息图像位置，再上采样得到强度图m＝1,2,3…M；M为全息图像总帧数；
将所述强度图和第m帧上采样全息图像进行相除处理，得到相除结果；
对所述相除结果应用第m帧所述全息图像与第一帧所述全息图像的位移量进行反向位移，得到反向位移后的相除结果；
根据所述反向位移后的相除结果与所述复振幅信息Um得到复振幅信息Um′；
根据所述复振幅信息Um和所述复振幅信息Um'更新所述复振幅信息Um，得到更新后的复振幅信息
利用角谱衍射算法将所述更新后的复振幅信息反向传播回物面得到物面复振幅分布，将所述物面复振幅分布通过角谱衍射算法传播到全息面，得到全息面的复振幅信息Um+1；
令m＝m+1，返回步骤“对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im”，直至遍历所有帧的所述全息图像；
判断当前完整迭代次数是否为第二预设迭代次数；若所述第二判断结果为否，则令m＝1，U1＝UM+1，其中，全息面复振幅标号为累计，全息图标号从1开始，返回步骤“对所述复振幅信息Um取绝对值并进行平方计算得到强度图Im”；当遍历所有帧的所述全息图像时为一次完整的迭代过程；
若所述第一判断结果为是，则得到所述物面高分辨率复振幅信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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