基于部分相干发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法技术

本发明专利技术公开了一种基于部分相干发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，在无透镜片上显微实验系统上，仅使用单色的贴片LED光源进行照明，采集单张同轴全息图。然后通过多波长迭代的相位恢复方法结合动态相位支撑约束，直接恢复物体的高分辨高信噪比相位信息。本发明专利技术无需对传统无透镜片上显微镜进行复杂的改造，可赋予无透镜片上快速长时间单帧相位恢复的能力。的能力。的能力。

【技术实现步骤摘要】
al.Spectral demultiplexing in holographic and fluorescent on
‑
chip microscopy[J].Scientific reports,2014,4(1):1
‑
9.),Feng等人则是利用反卷积方法，一定程度上补偿了空间相干性不足造成的分辨率损失(Feng S,Wu J.Resolution enhancement method for lensless in
‑
line holographic microscope with spatially
‑
extended light source[J].Optics express,2017,25(20):24735
‑
24744.)，然而在上述方法中，他们都只是对稀疏样品或简单的分辨率刻线进行成像。因此，至今为止尚未报道过基于LED照明的无透镜片上显微镜的单帧相位恢复技术以及对于生物样片的长时间动态定量相位成像观测。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于部分相干发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法。
[0007]实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于部分相干发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，步骤如下：
[0008]步骤1，采集样品的全息图像；
[0009]步骤2，根据光谱先验分割LED宽谱波长，并初始化相位约束信息；
[0010]步骤3，利用数字化分割的子波长和拍摄的全息图更新迭代物体复振幅，获得物体相位，具体包括：
[0011]利用宽谱LED的子波长，将原始强度图像传播到聚焦面获得物面复振幅，并分别对复振幅的相位和振幅实施相位支撑约束和均匀光强约束；
[0012]将更新后的复振幅利用角谱理论传播回相机表面，获得当前分割子波长传播回相机平面的相位信息，根据拍摄的全息图和光谱先验权重系数更新相机面振幅信息，遍历所有子波长并恢复相位信息。
[0013]优选地，利用无透镜片上显微系统采集全息图像，所述无透镜片上显微系统包括单颗发光二极管照明光源以及传感器，所述LED光源为宽谱的并非完全单色的贴片LED照明光源。
[0014]优选地，步骤2具体为：
[0015]根据先验的照明LED的光谱，将照明波长λ分为N个等间隔的准单色子波长{λ
i
,i＝1,2,...,N}；
[0016]利用中心波长λ
c
，将拍摄的光强图I
ini
结合初始零相位ψ0＝0生成相机面复振幅将复振幅传播回物体平面，然后利用物平面的复振幅的相位部分获得初始相位约束Mask0。
[0017]优选地，利用数字化分割的子波长和拍摄的全息图更新迭代物体复振幅，获得物体相位的具体步骤为：
[0018]步骤3.1，将全息图I
ini
结合上一个分割子波长λ
i
‑1传播回相机平面的相位信息生成相机面复振幅；
[0019]步骤3.2，将复振幅以对应波长传播到物体表面获得物面复振幅；
[0020]步骤3.3，对物面复振幅的相位部分施加相位支撑约束并根据波
长更新相位同时对振幅部分施加均匀光强约束其中ave(
·
)为均值计算算子，获得更新后的复振幅
[0021]步骤3.4，将更新后的物面复振幅传播回相机平面，获得分割子波长λ
i
传播回相机平面的相位信息，返回步骤3.1，结合下一个子波长λ
i+1
权重更新相机面复振幅，直至遍历所有分割子波长，从而获得样品的高分辨率与高信噪比相位ψ。
[0022]优选地，步骤3.1生成的相机面复振幅具体为：
[0023][0024]式中，为相机平面的复振幅，ω
i
为第i个分解子波长的权重，j为虚数单位，ψ
i
为上一个分割子波长λ
i
‑1传播回相机平面的相位信息。
[0025]优选地，步骤3.2获得的物面复振幅具体为：
[0026][0027]式中，H(
‑
d)为传播距离
‑
d的传递函数，为物体面的复振幅，为以上一个分割子波长λ
i
‑1传播回物平面后复振幅的模，为物面相位。
[0028]本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)可在使用贴片LED照明简化成像系统的前提下，获得使用激光照明下的相对应的分辨率结果。(2)只需要拍摄单张全息图，而不需任何位移平台和拼接算法，系统更加紧凑且经济高效，可以在培养箱中对活细胞进行超大视场下的实时长时间成像。
[0029]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
附图说明
[0030]图1是基于部分相干LED照明的无透镜单帧相位恢复方法中的实验装置示意图。
[0031]图2是基于部分相干LED照明的无透镜单帧相位恢复方法的流程图。
[0032]图3是拍摄到的单帧全息图、直接回传重构的相位结果以及最终重构的相位分辨率板结果。
[0033]图4是利用本专利技术重构出的长时间活细胞相位结果和不借用任何外接设备实现的数字化多模态结果。
具体实施方式
[0034]如图2所示，一种基于部分相干发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，包括以下四个步骤：
[0035]步骤1，利用无透镜片上显微系统采集全息图像。
[0036]如图1所示，本专利技术是基于传统的无透镜片上显微系统结构，仅包含光源1、样品2和传感器3。本专利技术采用的单色贴片LED照明光源1(632nm，带宽23.95nm，发光源面积0.0091mm2)直接照明样片，利用测量获得的光谱宽度和实验验证，将光源的谱宽数字化分割为2nm间隔的20个准单色子波长用以样品重构。样品2直接放在图像传感器上进行成像，本系统采用板级单色CMOS传感器3(像元尺寸0.9μm,5664
×
4256,Jiangsu Teamone Intelligence Technology Co.LTD.)。
[0037]具体实施过程为：使用宽谱LED非相干光源，直接照射样品，同时触发相机记录中心波长下的全息图像I
ini
。
[0038]步骤2，根据光谱先验分割LED宽谱波长，并初始化相位约束信息。
[0039]具体实施过程为：根据先验的照明LED的光谱，将照明波长λ分为N个等间隔的准单色子波长{λ
i
,i＝1,2,...,N}；
[0040]利用中心波长λ
c
，将拍摄的光强图I
ini
结合初始零相位ψ0＝0生成相机面复振幅将复振幅传播回物体平面，然后利用物平面的复振幅的相位部分获得初始相位约束Mask0，初始约束Mask0在后续迭代过程中动态更新为Mask
i
。
[0041]步骤3，利用数字化分割的子波长和拍摄的全息图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于部分相干发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，其特征在于，步骤如下：步骤1，采集样品的全息图像；步骤2，根据光谱先验分割LED宽谱波长，并初始化相位约束信息；步骤3，利用数字化分割的子波长和拍摄的全息图更新迭代物体复振幅，获得物体相位，具体包括：利用宽谱LED的子波长，将原始强度图像传播到聚焦面获得物面复振幅，并分别对复振幅的相位和振幅实施相位支撑约束和均匀光强约束；将更新后的复振幅利用角谱理论传播回相机表面，获得当前分割子波长传播回相机平面的相位信息，根据拍摄的全息图和光谱先验权重系数更新相机面振幅信息，遍历所有子波长并恢复相位信息。2.根据权利要求1所述的基于部分相干的发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，其特征在于，利用无透镜片上显微系统采集全息图像，所述无透镜片上显微系统包括单颗发光二极管照明光源以及传感器，所述LED光源为宽谱的并非完全单色的贴片LED照明光源。3.根据权利要求1所述的基于部分相干的发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，其特征在于，步骤2具体为：根据先验的照明LED的光谱，将照明波长λ分为N个等间隔的准单色子波长{λ
i
,i＝1,2,...,N}；利用中心波长λ
c
，将拍摄的光强图I
ini
结合初始零相位ψ0＝0生成相机面复振幅将复振幅传播回物体平面，然后利用物平面的复振幅的相位部分获得初始相位约束Mask0。4.根据权利要求1所述的基于部分相干的发光二极管照明的无透镜单帧相位恢复方法，其特征在于，利用数字化分割的子波长和拍摄的全息图更新迭代物体复振...

【专利技术属性】
技术研发人员：左超，陈样，陈钱，吴雪娟，孙佳嵩，卢林芃，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：