基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统及方法，系统包括：空间滤波器；空间光调制器；成像模块；高速感光阵列；处理模块，计算每个单像素探测器对应位置的图像，并作为以该单像素探测器为光源的倾斜平面波照明的低分辨率图像；计算模块，用于对低分辨率图像进行傅里叶变换，得到对应于目标高分辨图像的频谱在该入射角度和物镜的数值孔径的搬移和低通滤波，将低分辨率图像的频谱重叠相关的部分进行拼接，得到目标高分辨率图像的频谱，并利用相位恢复算法得到目标高分辨率图像。本发明专利技术能够提高整个成像系统的图像采集效率，并实现比通常阵列式传感器更宽谱段的测量，以及实现图像的压缩重建，提高单次成像的速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学工程
，特别涉及一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统及方法。
技术介绍
常规成像系统(例如显微镜)的吞吐量通常受到其光学成像限定的空间带宽积的限制。空间带宽积指的是光学系统可从光学信号中提取的自由度的数量(通常指可分辨的像素数量)。因此，常规成像系统通常无法直接获得宽视场、高空间分辨率的图像。而目前在生命科学和生物医疗领域，清晰地观察单个细胞并且尽可能在同一个视野下观察更多的细胞已成为迫切需求，因此，提高成像系统的空间带宽积从而实现宽视场、高空间分辨率图像的采集成为其中关键技术瓶颈。提高成像系统的空间带宽积的通常思路包括基于合成孔径的机械扫描方法和无透镜方法。但是，基于合成孔径的机械扫描方法需要精密的机械结构保证系统的控制精度，从而达到预期的空间带宽积，并且光学对齐和运动跟踪使得成像过程变成复杂而缓慢；诸如数字同轴全息和接触成像显微的无透镜成像方法也存在一定局限性，例如，数字同轴全息无法对连续的样本进行很好地成像，接触成像显微要求样本足够接近传感器。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，该系统能够提高整个成像系统的图像采集效率，并实现比通常阵列式传感器更宽谱段的测量，以及实现图像的压缩重建，提高单次成像的速率。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像方法。为了实现上述目的，本专利技术的第一方面的实施例公开了一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，包括：空间滤波器，所述空间滤波器用于产生空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，所述空间光调制器用于对所述准直高斯光束进行空间调制，以得到空间编码的结构光照；成像模块，所述成像模块用于将所述空间编码的结构光照投射在成像面上，并与成像样本接触；高速感光阵列，所述高速感光阵列设置在成像样本的透射面或者反射面，用于接收不同方向成像样本后光场的场强；处理模块，所述处理模块用于根据计算鬼成像的原理计算出高速感光阵列的每个单像素探测器对应位置的图像，并作为以该单像素探测器为光源的倾斜平面波照明的低分辨率图像；计算模块，所述计算模块用于对不同方向倾斜平面波照明的低分辨率图像进行傅里叶变换，得到对应于目标高分辨图像的频谱在该入射角度和物镜的数值孔径的搬移和低通滤波，将所述低分辨率图像的频谱重叠相关的部分进行拼接，得到目标高分辨率图像的频谱，并利用相位恢复算法得到目标高分辨率图像。根据本专利技术实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，具有如下优点：1、实现不同倾斜角照明的图像同时采集，避免了FPM系统中每次采集只能有一个或者少数几个发光二极管点亮的局限性，提高整个成像系统的图像采集效率；2、单像素探测器具有更宽的谱段，能够实现比通常阵列式传感器更宽谱段的测量；3、采用计算鬼成像的思路，可对结构光进行特定编码，如正弦编码或哈达玛编码，可以实现图像的压缩重建，提高单次成像的速率。另外，根据本专利技术上述实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，还可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，所述空间滤波器包括：物镜、针孔、准直透镜和光学调整架、平移台，其中，所述针孔位于所述物镜的焦点处，用于滤除高阶次不均匀杂散光，产生空间分布均匀的高斯光束，之后经过所述准直透镜，得到所述准直高斯光束，所述光学调整架用于固定所述物镜和准直透镜并调整器件角度，以使出射光束平直，所述平移台用于固定所述针孔，同时调整针孔与物镜之间的间距，以保证在合适的三维坐标内得到空间均匀分布的高斯光束。在一些示例中，所述空间光调制器用于对所述准直高斯光束进行幅度或相位的调制，以得到空间编码的结构光照。在一些示例中，所述成像模块为透镜或者透镜组。在一些示例中，所述不同方向成像样本后光场的场强对应于不同方向倾斜平面波照射到成像样本上，在成像样本前端拍摄的图像。为了实现上述目的，本专利技术第二方面的实施例提出了一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像方法，包括以下步骤：构建空间滤波器，并通过所述空间滤波器产生空间分布均匀的准直高斯光束；对所述准直高斯光束进行空间调制，以得到空间编码的结构光照；将所述空间编码的结构光照投射在成像面上，并与成像样本接触；接收不同方向成像样本后光场的场强；根据计算鬼成像的原理计算出高速感光阵列的每个单像素探测器对应位置的图像，并作为以该单像素探测器为光源的倾斜平面波照明的低分辨率图像；对不同方向倾斜平面波照明的低分辨率图像进行傅里叶变换，得到对应于目标高分辨图像的频谱在该入射角度和物镜的数值孔径的搬移和低通滤波，将所述低分辨率图像的频谱重叠相关的部分进行拼接，得到目标高分辨率图像的频谱，并利用相位恢复算法得到目标高分辨率图像。根据本专利技术实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像方法，具有如下优点：1、实现不同倾斜角照明的图像同时采集，避免了FPM系统中每次采集只能有一个或者少数几个发光二极管点亮的局限性，提高整个成像系统的图像采集效率；2、单像素探测器具有更宽的谱段，能够实现比通常阵列式传感器更宽谱段的测量；3、采用计算鬼成像的思路，可对结构光进行特定编码，如正弦编码或哈达玛编码，可以实现图像的压缩重建，提高单次成像的速率。另外，根据本专利技术上述实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像方法，还可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，所述空间滤波器包括：物镜、针孔、准直透镜和光学调整架、平移台，其中，所述针孔位于所述物镜的焦点处，用于滤除高阶次不均匀杂散光，产生空间分布均匀的高斯光束，之后经过所述准直透镜，得到所述准直高斯光束，所述光学调整架用于固定所述物镜和准直透镜并调整器件角度，以使出射光束平直，所述平移台用于固定所述针孔，同时调整针孔与物镜之间的间距，以保证在合适的三维坐标内得到空间均匀分布的高斯光束。在一些示例中，所述对所述准直高斯光束进行空间调制，进一步包括：对所述准直高斯光束进行幅度或相位的调制，以得到所述空间编码的结构光照。在一些示例中，通过透镜或者透镜组将所述空间编码的结构光照投射在成像面上。在一些示例中，所述不同方向成像样本后光场的场强对应于不同方向倾斜平面波照射到成像样本上，在成像样本前端拍摄的图像。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统的结构框图；图2是根据本专利技术另一个实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统的实验原理图；图3是根据本专利技术一个实施例的空间滤波器的原理示意图；以及图4是根据本专利技术实施例的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像方法的流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，其特征在于，包括：空间滤波器，所述空间滤波器用于产生空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，所述空间光调制器用于对所述准直高斯光束进行空间调制，以得到空间编码的结构光照；成像模块，所述成像模块用于将所述空间编码的结构光照投射在成像面上，并与成像样本接触；高速感光阵列，所述高速感光阵列设置在成像样本的透射面或者反射面，用于接收不同方向成像样本后光场的场强；处理模块，所述处理模块用于根据计算鬼成像的原理计算出高速感光阵列的每个单像素探测器对应位置的图像，并作为以该单像素探测器为光源的倾斜平面波照明的低分辨率图像；计算模块，所述计算模块用于对不同方向倾斜平面波照明的低分辨率图像进行傅里叶变换，得到对应于目标高分辨图像的频谱在该入射角度和物镜的数值孔径的搬移和低通滤波，将所述低分辨率图像的频谱重叠相关的部分进行拼接，得到目标高分辨率图像的频谱，并利用相位恢复算法得到目标高分辨率图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，其特征在于，包括：空间滤波器，所述空间滤波器用于产生空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，所述空间光调制器用于对所述准直高斯光束进行空间调制，以得到空间编码的结构光照；成像模块，所述成像模块用于将所述空间编码的结构光照投射在成像面上，并与成像样本接触；高速感光阵列，所述高速感光阵列设置在成像样本的透射面或者反射面，用于接收不同方向成像样本后光场的场强；处理模块，所述处理模块用于根据计算鬼成像的原理计算出高速感光阵列的每个单像素探测器对应位置的图像，并作为以该单像素探测器为光源的倾斜平面波照明的低分辨率图像；计算模块，所述计算模块用于对不同方向倾斜平面波照明的低分辨率图像进行傅里叶变换，得到对应于目标高分辨图像的频谱在该入射角度和物镜的数值孔径的搬移和低通滤波，将所述低分辨率图像的频谱重叠相关的部分进行拼接，得到目标高分辨率图像的频谱，并利用相位恢复算法得到目标高分辨率图像。2.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，其特征在于，所述空间滤波器包括：物镜、针孔、准直透镜和光学调整架、平移台，其中，所述针孔位于所述物镜的焦点处，用于滤除高阶次不均匀杂散光，产生空间分布均匀的高斯光束，之后经过所述准直透镜，得到所述准直高斯光束，所述光学调整架用于固定所述物镜和准直透镜并调整器件角度，以使出射光束平直，所述平移台用于固定所述针孔，同时调整针孔与物镜之间的间距，以保证在合适的三维坐标内得到空间均匀分布的高斯光束。3.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，其特征在于，所述空间光调制器用于对所述准直高斯光束进行幅度或相位的调制，以得到空间编码的结构光照。4.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，其特征在于，所述成像模块为透镜或者透镜组。5.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像的傅里叶重叠关联成像系统，其特征在于，所述不同方向成像样本后光场的场强对应于不同方向倾...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴琼海，刘洋，王玉旺，索津莉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11