基于合成相位傳遞函數(shù)的非干涉相位成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)，特別是一種基于合成相位傳遞函數(shù)的非干設(shè)相位成像 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于生物細(xì)胞等幾乎透明的物體而言，相位信息非常重要。然而，物體的相位信息 無法通過相機(jī)直接拍攝得到，因此近幾年在表面檢測(cè)、光學(xué)元件、生物細(xì)胞顯微成像等領(lǐng)域 中，定量相位測(cè)量已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)發(fā)展出了許多相位恢復(fù)的 方法，例如數(shù)字全息法、相移干設(shè)法、光強(qiáng)迭代法、光強(qiáng)傳輸方程法、合成孔徑掃描法等等。 在運(yùn)些定量相位成像方法中，光強(qiáng)傳輸方程法由于其具有非干設(shè)、無需相位解包裹、適用于 部分相干照明、無需復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置和計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛關(guān)注。但是，光強(qiáng)傳輸方程 法在求解過程中抑制了相位的低頻成分，所W恢復(fù)出的相位往往含有大量低頻噪聲。如何 消除運(yùn)些噪聲成為了發(fā)展光強(qiáng)傳輸方程法的重要難題。
[0003] 光強(qiáng)傳輸方程法帶來的低頻云霧狀噪聲主要受四個(gè)因素影響：采樣平面間距、 采樣面數(shù)、物體的吸收、光強(qiáng)圖像的信噪比。由此，國(guó)內(nèi)外發(fā)展出了許多去除低頻噪聲的 方法。比如Soto等人提出一種有限差分噪聲抑制法有效的去除了云霧噪聲（文獻(xiàn)[1] M.SotoandE.Acosta，"Improvedphaseimagingfromintensitymeasurementsin multipleplanes. "Appl.Opt. 46, 7978-7981 (2007).)，但是運(yùn)種方法恢復(fù)的相位丟失了 高頻成分。在國(guó)內(nèi)，左超等人提出一種基于SG差分濾波器的最優(yōu)頻率選擇法（文獻(xiàn)巧] C.Zuo,Q.Chen,Υ.Yu,andA.Asundi，"Transport-of-intensityphaseimagingusing Savitzky-Golaydifferentiationfilter-theoryandapplications. "Opt.Express21， 5346-5362 (2013).)，該方法利用SG濾波器擬合不同階數(shù)的光強(qiáng)軸向偏導(dǎo)數(shù)，再通過帶通 濾波器選擇最優(yōu)的頻率來組合精確恢復(fù)出物體的相位信息，但是，運(yùn)種方法對(duì)于強(qiáng)吸收大 相位物體不能準(zhǔn)確恢復(fù)相位。之后他又提出了一種迭代補(bǔ)償?shù)姆椒▉砘謴?fù)強(qiáng)吸收大相位 物體的相位信息（文獻(xiàn)[3]C.Zuo，Q.Qien，L.Huang,andA.Asundi，叩basediscrepan巧 analysisandcompensationforfastFouriertransformbasedsolutionofthe transportofintensityequation. "Opt.Express22,17172-17186 (2014).)。另一方 面，為了減少采樣面數(shù)，一些學(xué)者將等間隔采樣發(fā)展到了非等間隔采樣，在輕微離焦處采 樣面密集一些，而大離焦下采樣間隔逐漸增大，運(yùn)樣就能W較少的面數(shù)采集到更多信息。 此后，化laggis等人提出了最優(yōu)采樣間隔選擇法來選擇運(yùn)些非等間隔的采樣面位置（文 南犬[4]K.Falaggis，T.Kozacki，andM.Kujawinska，"Optimumplaneselectioncriteria forsingle-beamph曰seretriev曰1techniquesb曰sedonthecontrasttr曰nsfer 化nction."化t.Lett. 39, 30-33 (2014).)，但是該方法必須在已知采集的光強(qiáng)圖像的信噪 比的前提下才能準(zhǔn)確選擇最優(yōu)采樣間隔，而運(yùn)是在實(shí)際情況中很難預(yù)知的。由此可見，如何 實(shí)現(xiàn)精度又高速度又快的對(duì)強(qiáng)吸收大相位物體進(jìn)行非干設(shè)定量相位成像仍然是非干設(shè)定 量相位成像中一項(xiàng)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于合成相位傳遞函數(shù)的非干設(shè)相位成像方法，既能 減少恢復(fù)相位所需的光強(qiáng)圖像的數(shù)量，減少數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間，又能準(zhǔn)確恢復(fù)出物體的相 位分布，并且不論是弱吸收弱相位物體還是強(qiáng)吸收大相位物體，都能精確的重建物體的相 位信息。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于合成相位傳遞函數(shù)的非干設(shè)相位成 像方法，步驟如下：首先用相機(jī)拍攝一組物體沿光軸方向指數(shù)間隔分布的不同深度處的光 強(qiáng)圖像；其次假設(shè)物體是弱吸收和弱相位的，根據(jù)合成相位傳遞函數(shù)求解初始相位圖；最 后將初始相位圖代入合成相位傳遞函數(shù)迭代補(bǔ)償算法，求解出準(zhǔn)確的相位圖。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)本發(fā)明采取沿光軸方向指數(shù)間隔的采 樣方法拍攝光強(qiáng)圖像，相比于傳統(tǒng)的等間隔采樣，運(yùn)樣能顯著減少恢復(fù)相位所需的光強(qiáng)圖 像的數(shù)量，減少數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間，而且最小的離焦面距離是根據(jù)物鏡數(shù)值孔徑計(jì)算得出 的，保證了重建相位的精度不低于物鏡的成像精度。（2)本發(fā)明根據(jù)非干設(shè)相位成像原理在 沒有引入任何對(duì)于物體吸收與相位大小的假設(shè)前提下提出了相位重構(gòu)迭代補(bǔ)償算法，運(yùn)樣 不論是弱吸收弱相位物體還是強(qiáng)吸收大相位物體，都能精確的重建物體的相位信息。
[0007] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明基于合成相位傳遞函數(shù)的非干設(shè)相位成像方法的流程圖。
[0009] 圖2為對(duì)一個(gè)強(qiáng)吸收大相位的物體進(jìn)行非干設(shè)相位成像的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。 圖2(a)是物體的真實(shí)相位圖；圖2(b)是物體聚焦時(shí)的光強(qiáng)圖；圖2(c)是使用最優(yōu)頻率選 擇法從等間隔采樣數(shù)據(jù)1中恢復(fù)的相位圖；圖2(d)是使用最優(yōu)頻率選擇法從等間隔采樣數(shù) 據(jù)2中恢復(fù)的相位圖；圖2(e)是使用最優(yōu)頻率選擇法從等間隔采樣數(shù)據(jù)3中恢復(fù)的相位 圖；圖2(f)是使用高斯回歸法從指數(shù)間隔采樣數(shù)據(jù)中恢復(fù)的相位圖；圖2(g)是使用合成 相位傳遞函數(shù)法未進(jìn)行迭代補(bǔ)償前的相位圖；圖2化）是W圖2(f)中恢復(fù)的相位圖為初始 值通過文獻(xiàn)[3]中的補(bǔ)償方法補(bǔ)償誤差后重構(gòu)的相位圖；圖2(i)是使用合成相位傳遞函數(shù) 法進(jìn)行迭代補(bǔ)償后的相位圖。
[0010] 圖3為對(duì)SMCC-7721人體肝癌細(xì)胞樣品進(jìn)行非干設(shè)相位成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。 圖3(a)是使用最優(yōu)頻率選擇法從等間隔采樣數(shù)據(jù)1中恢復(fù)的相位圖；圖3(b)是使用最優(yōu) 頻率選擇法從等間隔采樣數(shù)據(jù)2中恢復(fù)的相位圖；圖3(c)是使用最優(yōu)頻率選擇法從等間隔 采樣數(shù)據(jù)3中恢復(fù)的相位圖；圖3(d)是使用高斯回歸法恢復(fù)并通過文獻(xiàn)[3]中的補(bǔ)償方法 補(bǔ)償誤差后重構(gòu)的相位圖；圖3(e)是使用合成相位傳遞函數(shù)法經(jīng)過迭代補(bǔ)償?shù)南辔粓D。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 結(jié)合圖1，本發(fā)明首先利用相機(jī)拍攝一組物體沿光軸方向指數(shù)間隔分布的不同深 度處的光強(qiáng)圖像，然后假設(shè)物體是弱吸收和弱相位的，根據(jù)合成相位傳遞函數(shù)求解初始相 位圖，最后再將初始相位圖代入合成相位傳遞函數(shù)迭代補(bǔ)償算法，最終求解出準(zhǔn)確的相位 圖，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0012] 步驟一：用相機(jī)拍攝一組物體沿光軸方向指數(shù)間隔分布的不同深度處的光強(qiáng)圖 像。運(yùn)些圖像在光軸方向的位置分別為（0, ±Zi，+Z2, +Z3,…，±zj，其中0表示聚焦面 位置，其余的位置按照如下公式計(jì)算：
[0013]
[001引其中，α為設(shè)定的最小信噪比闊值參數(shù)，取值在0到1之間，本發(fā)明中取0 = ：^. ΝΑ為顯微物鏡的數(shù)值孔徑，λ為實(shí)驗(yàn)中所用的照明光的中屯、波長(zhǎng)，31為圓周率常數(shù)，arcsin( ·)為求反正弦的函數(shù)，zi為最小的離焦距離。β表示指數(shù)間隔分布的指數(shù)系數(shù)， Ζ。表示第η個(gè)面的離焦距離，η= 2,3，…，N，Z。l表示第n-l個(gè)面的離焦距離，N表示沿光 軸正方向離焦的總面數(shù)。
[0017] 步驟二：假設(shè)物體是弱吸收和弱相位的，根據(jù)合成相位傳遞函數(shù)求解初始相位圖， 根據(jù)合成相位傳遞函數(shù)求解初始相位圖的公式為：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[002引其中，fi，α=1，2，···，Ν+Ι)為一組空間頻率，η表示第η個(gè)離焦面，Ν表示沿光 軸正方向離焦的總面數(shù)，U，V分別為頻域中橫縱方向的坐標(biāo)，sin[ ·]為求正弦值的函數(shù)， 巧"7*./表示空間頻率范圍在[fwi，fJ之間的帶通濾波器，0FQ；(u，v)為構(gòu)造的合成相位傳 遞函數(shù)，如，V，:J為Zn位置處拍攝到的光強(qiáng)圖像的頻譜，/(W，r.-為-Zn位置處拍攝到的 光強(qiáng)圖像的頻譜，知vj為構(gòu)造的合成相位頻譜，I。為聚焦面的光強(qiáng)圖像，F(xiàn)1{ ·}為求 逆傅立葉變換的函數(shù)，錢為求出的初始相位圖。
[0023] 步驟Ξ:將初始相位圖代入本發(fā)明提出的合成相位傳遞函數(shù)迭代補(bǔ)償算法，求解 出準(zhǔn)確的相位圖，求解出準(zhǔn)確