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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及计算摄像学
，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。
技术介绍
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(ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件)或CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，根据本专利技术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，在本专利技术的一个实施例中，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，在本专利技术的一个实施例中，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，在本专利技术的一个实施例中，成像的数学模型为：其中，为第k个照明图案，为样本，⊙表示点积运算，为二维傅里叶变换，m为相机位数，为四舍五入取整，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，在本专利技术的一个实施例中，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，本专利技术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。本专利技术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，根据本专利技术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，在本专利技术的一个实施例中，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，在本专利技术的一个实施例中，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，在本专利技术的一个实施例中，成像的数学模型为：其中，为第k个照明图案，为样本，⊙表示点积运算，为二维傅里叶变换，m为相机位数，为四舍五入取整，为相机采集的对应于第k个调制图案的傅里叶光强图像。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n搭建复数域成像光路；/n对样本光场进行多次调制；/n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/n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。/n

【技术特征摘要】
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：



其中，为第k个照明图案，为样本，⊙表示点积运算，为二维傅里叶变换，m为相机位数，为四舍五入取整，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：边丽蘅，李萌，张军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11