一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法技术

本发明专利技术提供了一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，在白光无透镜成像系统中无需使用额外元件以及复杂的算法，就可实现减弱共轭像以及提高单帧成像分辨率。包括：步骤一：利用光谱仪获得系统光源的光谱分布信息，并进行差分处理获得重构波长；步骤二：利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理；步骤三：利用角谱传播公式生成不同离焦面的光强图，并基于清晰度判别因子确定离焦距离范围；步骤四：基于数值差分，计算步骤三中获得的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果。本发明专利技术可以降低传统无透镜显微镜中光源谱宽的要求，有效降低系统的成本。在单帧图像采集情况下，提高了白光无透镜显微镜成像分辨率、减弱共轭像。减弱共轭像。减弱共轭像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法


[0001]本专利技术涉及无透镜显微成像
，特别是一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法。

技术介绍

[0002]光学显微镜自16世纪末被专利技术以来，一直被用于微观观察，例如生物医学检测与分析、微观粒子的观测等。而随着半导体等科技技术的大力发展，逐步出现了相衬显显微镜、微分干涉显微镜、共聚焦显微镜等，这些显微镜极大地提高了人们对微观世界的认知，为疾病诊断、药物研发等提供了强有力的影响依据，成为现代临床医学、生物制药等不可或缺的重要工具。上述这些光学显微结果都有一个比较鲜明的特点，即“所见即所得”的成像模式，有个比较大的遗憾是，该模式会受制于硬件器件的发展瓶颈，其成像结果想进一步提升将会遇到阻碍。此外，随着显微成像系统功能与性能的不革新，整个成像系统也逐渐昂贵、笨重、复杂。因此在保证成像质量的前提下，出现了一种无透镜显微成像系统，其系统成本低、体积小、操作简便，可以为资源条件有限的地区提供快捷、廉价的即时诊断工具。
[0003]无透镜显微成像技术作为一种新型的大视场高分辨显微成像技术可用于突破分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾，在最近的十几年获得了快速的发展。整个系统能够实现成本低、体积小的一个关键在于“无透镜”。它抛弃了传统显微成像系统中昂贵的光学镜头，依靠样品本身内部吸收或折射率差异(可以引起相位差)进行无标记成像，这样还可以极大地简化样品的制备过程。在无透镜显微成像中，限制重构质量(如分辨率)的一个关键因素是成像系统中光源的相干性(包括时间相干性和空间相干性)。LED光源拥有更小的体积，但是其时间、空间相干性会相对激光光源较差一些，因此为了获得更高的成像结果，一般会牺牲一定的系统体积以及成本，采用激光作为系统光源，或者略微增加系统的复杂度，对LED的光源增加滤光片进行处理。此外，无透镜显微镜基本采用的同轴透射式结构，即经过物体调制后的物光与参考光共轴，再加上系统结构抛弃了透镜，因此采集的图像是非聚焦光强图像。传统方式，一般是利用角谱传播对采集到的图像进行反传播，从而获得物体在聚焦面上的光强图。由于普通的图像传感器只能记录光强信息，而丢失了物体的相位信息，因此，反传播后的图像存在共轭像，该像叠加在实际物体的像上。为了去除这些共轭像，即需要恢复物体的相位信息，Aydogan Ozcan等团队提出了多种用于去除共轭像(恢复相位)的方法，例如，多角度照明、多波长照明、多高度位移等方法来获得物体的多幅衍射图像，从而利用相应的算法实现物体的相位恢复。但是上面的这些方法实验过程中需要依赖精准的机械移动，如1弧秒精准旋转位移台等，或者可调多波长光源(需要依赖于高精度的波长可调谐激光器)，这些机械结构提高了系统的成本、降低了鲁棒性；算法上需要采集多幅光强图以及相应的迭代算法，从而显著地增加了重构的时间。所以如何只基于结构简易、实验操作简便的低成本无透镜显微成像系统(如基于白光光源的无透镜基本结构)，只利用简单算法实现无透镜去共轭成像成为了无透镜显微成像技术中必须克服的技术难题。

技术实现思路

[0004]为了解决目前无透镜显微成像中光源相干性要求较高、采集数据较多、算法相对较复杂的技术问题，而提出了一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法。
[0005]本专利技术的专利技术思想为：一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，首先构建函数用于拟合光源光谱分布，对拟合后的函数进行差分处理获得重构波长，然后利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理，以及基于清晰度判别因子确定离焦距离范围，最后计算该离焦距离范围内不同焦面上的光强差分分布，择优获得最终结果。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用技术方案具体为：一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，包括以下步骤：
[0007]1、利用光谱仪获得系统白光光源的光谱分布信息，提出指定函数用于拟合，拟合后的函数进行差分处理获得重构波长；
[0008]2、利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理；
[0009]3、利用角谱传播公式生成不同离焦面的光强图，并基于清晰度判别因子确定离焦距离范围；
[0010]4、基于数值差分和预处理后的采集图像，计算步骤三中获得的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果。
[0011]优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：
[0012]1.1、利用光谱仪对白光光源进行测量，并导出波长及其对应的相对光强强度数据。
[0013]1.2、不同波长的光强强度是具有差异的，且已有的白光光源是非标准高斯分布，因此指定下面函数对相对光强强度数据进行拟合。
[0014][0015]λ为光波波长，S(λ)为光谱的相对光强分布，a
i
、b
i
、σ
i
为待拟合系数。i为标序，n为待拟合数据中极大值的数量的1
‑
3倍。实际白光光源可能存在偏色，其本质是由多种基色混合叠加而成，因此n一般取值为大于1的正整数。
[0016]1.3、拟合得到的函数对λ求偏导记作S
′
(λ)，并确定偏导后的分布S
′
(λ)中最大值所对应的波长值，该值即为后续重构所需的波长λ
Rec
。若求偏导后的分布S
′
(λ)存在多个等值的最大值，即对应多个波长值，则选择一个作为重构波长。
[0017]优选的，所述步骤2具体包括以下过程如下：
[0018]考虑到待测物体为弱衍射物体，该步骤的具体过程为，直接采集到的光强图为I＝I(x
h
,y
h
)，(x
h
,y
h
)为成像传感器采集到的离散化图像的坐标，均为正整数。利用公式I
pro
(x
h
,y
h
)＝I(x
h
,y
h
)
‑
I
mean
获得处理后的全息图像，其中，
[0019][0020]X
wide
和Y
heigh
分别为成像传感器采集到的离散化图的横、纵的像素数，均为正整数。
[0021]优选的，所述步骤4具体包括以下步骤：
[0022]4.1、步骤3中确定的离焦距离范围为z1～z
m
(μm)，以step＝1μm为步长(这里步长根据实际需求可以取step＝0.1μm～10μm)，生成该离焦距离范围内不同距离处的光强图n＝floor[(z
m
‑
z1)/step]+1,floor代表向下取整；(具体说来，是z1(μm)处生成的光强图，是z1+floor[(z
m
‑
z1)/step]×
step(μm)处生成的光强图。)
[0023]4.2、在z方向上对生成的光强图进行差分，即将相邻的光强分布相减，获得的分布图记作
[0024]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于，包括以下步骤：获得无透镜显微成像系统白光光源的光谱分布信息，并用函数拟合，拟合后的函数进行差分处理获得重构波长；所述无透镜显微成像系统包括自上而下设置的白光光源、待测样品、成像传感器，光源的发光中心位置位于整个成像系统的光轴上；对成像传感器采集的单帧图像进行预处理，获得处理后的全息图像；利用角谱传播公式基于原采集图像生成不同离焦面的光强图，并基于清晰度判别因子确定离焦距离范围；基于数值差分处理和预处理后的采集图像，计算所获得的距离范围内不同焦面上的差分分布，择优获得最终结果。2.根据权利要求1所述的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于利用光谱仪获得系统白光光源的光谱分布信息，并提出指定函数用于拟合，然后进行差分处理获得重构波长，包括以下步骤：利用光谱仪，对白光光源进行测量，并导出波长及其对应的相对光强强度数据；用下面函数对相对光强强度数据进行拟合：λ为光波波长，S(λ)为光谱的相对光强分布，a
i
、b
i
、σ
i
为待拟合系数，i为标序，n为待拟合数据中极大值的数量的1
‑
3倍；拟合得到的函数对λ求偏导，并确定偏导后的分布中最大值所对应的波长值，该值即为后续重构所需的波长；若求偏导后的分布函数存在多个等值的最大值，对应多个波长值，则选择一个作为重构波长。3.根据权利要求1所述的基于差分的白光无透镜单帧弱共轭重构方法，其特征在于利用全息图减平均值法对采集的单帧图像进行预处理，具体过程为：成像传感器直接采集到的光强图为I＝I(x
h
,y
h
)，(x
h
,y

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳琳，杨永杰，王振国，刘畅，姜芮芮，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：