用于通过多深度稀疏相位恢复重建全息无透镜图像的系统和方法技术方案

一种用于无透镜成像的系统，包括与无透镜图像传感器通信的处理器。该处理器被编程用于操作该图像传感器以获得全息图。该处理器进一步被编程用于使用稀疏性假设，由该全息图生成焦深z处的重建图像X和相位W。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于通过多深度稀疏相位恢复重建全息无透镜图像的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年11月4日提交的标题为“SYSTEMANDMETHODFORRECONSTRUCTIONOFHOLOGRAPHICLENS-FREEIMAGESBYMULTI-DEPTHSPARSEPHASERECOVERY(用于通过多深度稀疏相位恢复重建全息无透镜图像的系统和方法)”的美国专利申请号62/417,708的优先权，该申请的整个披露内容通过援引并入本文。
技术介绍
本披露涉及无透镜成像，更具体地涉及由全息图重建图像。无透镜成像是基于数字全息术原理的显微技术。在数字全息术中，使用相干光源(例如，激光)来照射对象样本。在光穿过样本时，样本对光进行衍射，并且所得的衍射图样由比如电荷耦合装置(CCD)等图像传感器记录。在记录了所得的衍射图样之后，通过使用衍射过程的数学模型对衍射图样进行后处理来重建样本的图像。与常规显微术相比，全息无透镜显微术具有几个优点。首先，由于系统中没有透镜，与传统显微镜相比，成像系统的总成本和物理尺寸可以大大减小。另外，无透镜显微术还允许与具有相同放大率的常规显微镜相比具有更宽的成像视场。最后，因为通过对所记录的衍射图样进行后处理来生成样本的图像，所以不需要操作者手动地聚焦系统，因为可以通过后处理自动调整焦深。图1描绘了在光穿过对象时由对象引起的相干光的衍射。原则上，如果可以记录用相干光源(例如，激光器)照射的对象的精确衍射图样，则衍射图样将包含足够的信息以便在任何期望的焦深处重建样本的完美图像。然而不幸的是，由于光的波性质，对象的完整衍射图样是由空间中给定位置处的电磁波的幅度和相位参数化的复值实体(其中假设波的频率等于照射的相干光)。由于比如CCD等成像传感器典型地只能记录衍射图样的幅度而不能记录相位的事实，因此这对于在实践中应用无透镜成像提出了重大挑战。因此，不能记录完美重建样本的图像所必需的大部分信息，这在试图用常规方法重建样本的图像时表现为显著的伪影。另外，无透镜成像的传统方法典型地仅尝试在单个焦深处重建样本的图像，但是如果样本包含在多个焦深处的对象，则来自离焦对象的衍射将破坏在给定焦深处的重建图像。
技术实现思路
本专利技术披露的技术通过利用用于由潜在的多个焦深上记录的衍射图样有效地重建样本的图像、同时生成对缺失相位信息的估计的系统和方法，解决了现有方法的上述两个缺点：差的图像重建和对单个焦深的限制。使用所披露的技术导致与传统图像重建技术相比显著改善的图像质量，允许同时重建样本的三维体积，并且提供找到包含对象的焦深的稳健手段，从而消除了对手动调节焦深的需要。本专利技术披露的技术与先前的方法相比是有利的，因为它提供了强大的经验收敛性并且有效地解决了大规模图像的图像重建问题。另外，本专利技术的方法允许由单个记录的全息图有效地重建3维体积，并且消除了对具有变化的光学波长的光源的需要。附图说明为了更全面地理解本披露的性质和目的，应当参考以下结合附图的详细说明，在附图中：图1是由对象引起的光衍射的示例；图2是使用不同重建算法的全血样本的一组图像重建，示出了大视场(左)和图像的放大部分(右)，其中顶画面示出使用基本重建算法的图像并且底画面示出了使用本披露的实施例重建的图像；图3是示出了根据本披露的实施例的方法的图表；图4是示出了在焦深上重建的3维体积的量值的图表，其中y轴示出了针对在[650，1150]微米范围内的100个均匀间隔的焦深，重建图像的l1范数‖Xi‖1，并且竖直线描绘通过手动聚焦图像获得的焦深；图5是根据本披露的另一个实施例的系统的图；图6描绘了由根据本披露的另一个实施例的系统获取的全息图的局部重建；图7描绘了由根据本披露的另一个实施例的系统获取的全息图的远程重建；并且图8是示出了根据本披露的另一个实施例的方法的图表。具体实施方式全息无透镜成像是基于在光已经穿过样本之后记录光的衍射图样并试图反转光衍射过程以重建样本图像的原理。不幸的是，所记录的衍射图样不包含足以完全重建样本图像的信息，因此许多现有的重建技术存在大量的伪影和降低的图像质量。本披露提供了用于与现有技术相比以显著改善的图像质量重建全息无透镜图像的技术，并且允许同时在多个焦深处重建图像的可能性。在描述对本专利技术披露的方法和系统进行描述所必需的数学背景之前，描述数学符号。矩阵用大写字母(X)表示，向量用小写粗体字母(x)表示，并且标量用小写字母(x)表示。复数集合表示为并且实数集合表示为在给定向量x的情况下，x[i]表示x的第i个条目。同样，在给定矩阵X的情况下，X[i，j]表示X的第i行和第i列的条目。复数x的角度表示为幅度表示为|x|，并且共轭表示为针对矩阵(或向量)|X|表示包含X的条目的绝对值的m×n矩阵，表示包含X的条目的角度的m×n矩阵，并且表示包含X的条目的共轭的m×n矩阵。在给定矩阵(或向量)的情况下，X的l1范数表示为||X||1并且定义为X的弗罗比尼斯范数表示为||X||F并且定义为针对两个矩阵和X⊙Y表示其条目的按条目逐个作出的乘积，并且<X，Y>表示两个矩阵的点积。矩阵X的二维离散傅里叶变换表示为并且离散傅里叶逆变换表示为两个信号的二维卷积将表示为X*Y。所有零或一的矩阵(或向量)将分别表示为0或1，其中可以从上下文中清楚地看到大小。全息成像全息成像过程是基于光学衍射的过程。衍射理论的全面回顾超出了本文档的范围，但是对于全息术中使用的典型距离非常精确的常用近似是将衍射过程建模为二维卷积。具体地，针对平面X0处的光学波前，将波前向前传播到距离z那么远的平面Xz所产生的波前由以下方程给出Xz＝T(z)*X0(1)其中T(z)表示对在距离z上的光衍射进行建模的传递函数。针对T(z)可以做出各种选择，这取决于在衍射过程的模型中选择的特定近似(例如，菲涅耳、惠更斯、远场)。在此使用的近似是宽角谱(WAS)近似，其将频域中的传递函数定义为其中k＝2π/γ是波长为γ的光的波数，并且(kx，ky)分别表示水平方向和竖直方向上的空间频率。应当注意，WAS传递函数具有几个容易验证的特性，这些特性将在本专利技术披露的技术中被利用。1.T(z1)*T(z2)＝T(z1+z2)。2.T(0)*X＝X。3.4.线性算子是酉算子。还应当记得，通过使用傅里叶变换的特性可以有效地计算X与T(z)的卷积，使用WAS近似作为光衍射的模型，如果给出从图像传感器记录的衍射图样则可以尝试在给定的焦深处找到样本的对应图像满足条件H＝T(z)*X。因此，重建样本图像的估计的简单方式是求解以下形式的最小二乘问题应当注意，因为T(z)满足以上列举的特性，并且弗罗比尼斯范数对酉运算不变的事实使得以上问题的最优解可以容易地以封闭形式计算为X*＝T(-z)*H。然而，应当记得，图像传感器只能记录衍射图样的幅度而不能记录相位(即，在实践中，H在实际上应当是复值时却是实值)。这种限制导致重建图像中的严重伪影(通常称为双图像伪影)，这些伪影典型地表征为从对象发出的波状伪影。图2(顶画面)示出使用这种方法重建的人血的示例图像；应当注意，重建图像中存在大量的波状伪影。解决这个问题的一种可能性是修改(4)中的问题，以解释应当只关心匹配估计全息图的量值的事实，这可以通过求解以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于无透镜成像的系统，该系统包括：处理器，该处理器与无透镜图像传感器通信，该处理器被编程用于：操作该图像传感器以获得全息图H；使用稀疏性假设，由该全息图生成焦深z处的重建图像X和相位W。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.04 US 62/417,7081.一种用于无透镜成像的系统，该系统包括：处理器，该处理器与无透镜图像传感器通信，该处理器被编程用于：操作该图像传感器以获得全息图H；使用稀疏性假设，由该全息图生成焦深z处的重建图像X和相位W。2.如权利要求1所述的系统，进一步包括：图像传感器。3.如权利要求2所述的系统，其中，该图像传感器是有源像素传感器、CCD或CMOS有源像素传感器。4.如权利要求1所述的系统，进一步包括：相干光源。5.一种用于图像的全息重建的方法，包括：获得全息图H；使用稀疏性假设，由该全息图生成焦深z处的重建图像X和相位W。6.如权利要求5所述的方法，其中，通过求解满足条件|W|＝1的来生成焦深z处的该重建图像X和相位W，其中T(z)是对在z处穿过样本的光衍射进行建模的传递函数，μ是与背景的拟合度，λ是稀疏性参数。7.如权利要求6所述的方法，其中，通过使用交替最小化更新W、μ和X来求解8.如权利要求6所述的方法，其中，通过以下方式来求解(a)设定该重建图像X、估计相位W和与背景的拟合度μ的初始值；(b)计算传递函数T(z)的傅立叶变换，并且设定(c)计算(d)计算(e)计算(f)计算X＝SFTλ(Q-μexp(-izk))；并且(g)重复步骤(c)-(f)以确定重建图像X。9.如权利要求8所述的方法，其中，将步骤(c)-(f)重...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·D·哈菲勒，雷内·威尔达，
申请(专利权)人：医学诊断公司，
类型：发明
国别省市：比利时,BE