基于全息图强度信息的迭代重构成像方法

摘要

本发明提供一种基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，步骤如下：1)将样品面划分成未知信息区域和已知信息区域，再将待成像样品放在样品面上；2)将相干光照射在样品面上，使未经样品的照射光和样品散射光在成像芯片干涉，形成全息图像；3)由成像芯片将全息图像强度信息作为初始迭代强度信息记录下来；4)进行迭代计算：先将成像芯片的全息图像信息反向传播到样品面上，得到样品面样品信息；再将样品面已知信息替换，得到新样品信息；再将新样品信息传播到成像芯片上，得到新成像芯片信息；再将成像芯片已知信息替换，得到新成像芯片上图像信息；多次重复迭代，最终得到成像芯片的样品图像。本发明算法确定，适用范围广。

权利要求

1.一种基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品面(9)划分成能够透光的未知信息区域(9b)和不能透光的已知信息区域(9a)，再将待成像样品(9c)放在样品面(9)上；

2)将相干光照射在样品面(9)上，使未经样品的照射光和样品散射的光在成像芯片(8)上干涉，形成全息图像；

3)由成像芯片(8)将全息图像的强度信息作为初始迭代强度信息记录下来，并把成像芯片初始迭代的相位信息设置为0；

4)进行迭代计算：

a、利用标量衍射公式，将成像芯片(8)上的全息图像强度信息和相位信息反向传播到所述样品面(9)上，得到样品面(9)上的强度信息和相位信息；

b、将样品面(9)上已知信息区域采集到的已知信息替换a步骤中得到的样品信息，得到新的样品面强度信息和相位信息；

c、将新的样品面强度信息以及相位信息，利用标量衍射公式传播到成像芯片(8)上，得到新的成像芯片上的强度信息和相位信息；

d、将成像芯片上已经测得的已知信息区域的已知信息替换c步骤中得到的样品信息，得到新的成像芯片上的强度信息和相位信息；

多次重复步骤a到步骤d，使所得到的光场逐渐收敛，最终得到成像芯片(8)上的样品图像；

步骤a、步骤c中的标量衍射公式为：

这里，

其中：x、y为成像芯片面的二位坐标，z为光线传播方向坐标，x、y、z构成一个三维立体坐标空间；

i为虚数单位，fx、fy为(x，y，z)傅里叶变换到频域空间的坐标，U(x,y,z)为时域空间的光场分布， 为频域空间的光场分布。

2.根据权利要求1所述的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，其特征在于：所述未知信息区域(9b)的形状为圆形。

3.根据权利要求1所述的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，其特征在于：所述未知信息区域(9b)的形状为光栅形。

4.根据权利要求1所述的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，其特征在于：所述成像芯片(8)为CMOS或CCD二维成像芯片。

5.根据权利要求1所述的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，其特征在于：步骤

4)中，步骤a到步骤d的重复次数为100次。

说明书

基于全息图强度信息的迭代重构成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及全息成像技术领域，特别是涉及一种基于全息图强度信息的迭代重构成像方法。

背景技术

[0002] 光学显微成像技术被广泛应用于生物医学、材料等领域，因此光学显微镜是现代科学不可缺少的工具。普通光学显微镜一般包括显微物镜，加上目镜或成像透镜将样品放大成像于人眼或成像芯片上。多年以来，显微镜的基本结构并没有改变，而最新的显微技术一般也是基于传统显微镜的结构。显微物镜是传统显微镜的核心技术，它必须具有较大的数值孔径以得到微米和亚微米级的分辨率，同时需要消除各种像差，色差等以得到良好的成像质量。为了达到这些目的，一个好的显微物镜一般都是精心设计的组合透镜组，成本较高。例如一个高端的显微物镜价格可以达到几千美元。

[0003] 近年来，出于降低显微成像成本和制作便携系统的需要，无透镜的显微成像技术已成为研究的热点之一。在无透镜成像技术中，全息成像是一种重要的、具有独特优势的方法。全息成像技术已有很多年的历史，目前的全息成像技术一般是利用成像芯片记录全息图像，然后通过数值计算重构出样品的图像、即数字全息成像技术。全息成像可分为离轴全息成像和同轴全息成像。在离轴全息成像中，参考光和样品光之间有一个较大的角度，使得全息重构时样品像和其孪生像在空间中自然分开，从而可以方便的得到样品的像。但由于需要用分束片等分光器件将参考光与样品光分开，离轴全息系统通常较为复杂。与之相比，在同轴全息成像中，并不需要刻意分离参考光与样品光，而是在光束照射样品后自然分为样品的散射光和未受样品干扰的参考光。因此同轴全息系统一般较为简单。但在同轴全息成像中，参考光和样品光方向基本一致，无法通过空间方法区分重构时的样品像和其孪生像。在直接的全息重构成像时，样品像和其孪生像将叠加在一起无法分开，从而使样品像的成像质量受到孪生像的干扰。尤其是在对散射较强的样品成像时，直接利用强度信息进行全息重构将无法得到令人满意的成像质量。这个问题的解决办法一般是在实验中同时取得全息图的强度和相位信息，然后通过标量衍射理论重构出样品图像，这样可以从根本上消除孪生像的影响。

[0004] 近年来，一些同轴全息成像技术已经被成功开发并用于成像。如图1所示的一种同轴全息成像技术，图中激光器1产生的激光通过遮光板2照射在样品3上，其图像重构方法是直接利用全息图的强度信息进行衍射传播而在感应器4上得到样品图像，这种方法无法区分样品像和其孪生像，因此在重构出来的图像中会存在其孪生像衍射的背景噪声；这对一些弱散射的样品(即样品3)是适用的，因为弱散射样品的孪生像衍射较弱，对图像质量影响不大；但对强散射样品，其孪生像衍射较强，会严重损害图像的质量。因此简单利用强度信息重构的方法并不能适用于所有的情况。如图2所示的另一种同轴全息成像技术，是利用相位移动(移相器5)的办法在实验上获得了全息图的相位信息，并依此进行重构成像；这成功的消除了孪生像的影响，但付出的代价是如图2所示的较为复杂的实现相位移动的实验装置。

[0005] 鉴于以上情况，目前，一些科研人员转而对如何仅使用全息图的强度信息和有效的算法得到相位信息，从而避免在成像结构的复杂，这些方法一般是基于迭代算法，利用相位之外的一些已知信息去修正迭代过程，从而使迭代收敛得到相位信息。如图3所示的一种利用迭代重构的同轴全息成像系统，激光器1产生的激光经过准直器6以及凸透镜7准直得到部分相干光，光束入射到样品3，部分光束经过样品3发生散射，与未经过样品的光束干涉，从而发光强度信息在图像传感器上记录得到全息图。重建全息图利用迭代算法：(1)结合全息图光强信息，利用标量衍射公式，反向传播到样品片得到样品的信息；(2)将得到的样品信息用已知部分样品信息替换，得到新的样品信息；(3)利用标量衍射公式，传播到芯片面，得到样品在传感器界面上的信息；(4)将传感器信息的振幅部分用全息图已知光强代替，得到新的样品在传感器位置信息；不断重复上述步骤，样品信息不断收敛，即可削弱孪生像的影响，得到满意的重构样品图像。这种方法存在的问题是在迭代估计中需要假设样品具有有限支持(finite support)，以得到样品的已知信息，并在算法中需要人工设立一个标准判断此有限支持的所在地，通常是确定不可移动的所在地，因此这种方法只适用于具有孤立样品信息，例如孤立细胞样品，而不适用于连续的样品，例如连在一起的边界并不明显的样品。另外需要人工设立标准判断有限支持也表明这种算法是一种估计方法，而不是确定性方法，其结果依赖于人工输入和样品具体情况。

[0006] 综上所述，现有的数字同轴全息重构方法存在的主要问题是：(1)基于实验的获取相位信息的办法装置较为复杂，不适合紧凑成像系统；(2)基于有限支持的迭代重构算法为估计性方法，依赖于人工设定和样品具体情况。以上存在的问题制约了基于数字同轴全息重构的成像方法的进一步发展。

发明内容

[0007] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种适用范围广、且使成像结构简单、成像质量高的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，以克服现有技术的上述缺陷。

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，包括以下步骤：

[0009] 1)将样品面(9)划分成能够透光的未知信息区域(9b)和不能透光的已知信息区域(9a)，再将待成像样品(9c)放在样品面(9)上；

[0010] 2)将相干光照射在样品面上，使未经样品的照射光和样品散射的光在成像芯片上干涉，形成全息图像；

[0011] 3)由成像芯片将全息图像的强度信息作为初始迭代强度信息记录下来，并把成像芯片初始迭代的相位信息设置为0；

[0012] 4)进行迭代计算：

[0013] a、利用标量衍射公式，将成像芯片上的全息图像强度信息和相位信息反向传播到所述样品面上，得到样品面上的强度信息和相位信息；

[0014] b、将样品面上已知信息区域采集到的已知信息替换a步骤中得到的样品信息，得到新的样品面强度信息和相位信息；

[0015] c、将新的样品面强度信息以及相位信息，利用标量衍射公式传播到成像芯片上，得到新的成像芯片上的强度信息和相位信息；

[0016] d、将成像芯片上已经测得的已知信息区域的已知信息替换c步骤中得到的样品信息，得到新的成像芯片上的强度信息和相位信息；

[0017] 多次重复步骤a到步骤d，使所得到的光场逐渐收敛，最终得到成像芯片上的样品图像。

[0018] 优选地，步骤a、步骤c中的标量衍射公式为：

[0019]

[0020]

[0021] 这里，

[0022] 其中：x、y为成像芯片面的二位坐标，z为光线传播方向坐标，x、y、z构成一个三维立体坐标空间；

[0023] i为虚数单位，fx、fy为(x，y，z)傅里叶变换到频域空间的坐标，U(x,y,z)为时域空间的光场分布， 为频域空间的光场分布。

[0024] 可选地，所述未知信息区域的形状为圆形。

[0025] 可选地，所述未知信息区域的形状为光栅形。

[0026] 优选地，所述成像芯片为CMOS或CCD二维成像芯片。

[0027] 优选地，步骤4)中，步骤a到步骤d的重复次数为100次。

[0028] 如上所述，本发明的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，具有以下有益效果：

[0029] 算法确定，适用范围广，可用于各种类型的样品，包括强散射和弱散射样品，离散样品和连续样品，可以利用样品面的部分已知信息从其全息图上重构出整个样品图像，提高了重构成像方法的有效性；且使成像结构简单、成像质量高。

附图说明

[0030] 图1显示为现有技术的基于强度信息直接重构的同轴全息成像系统示意图。

[0031] 图2显示为现有技术的基于相位移动的同轴全息成像系统示意图。

[0032] 图3显示为现有技术的基于迭代重构的同轴全息成像系统示意图。

[0033] 图4显示为应用于本发明的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法的成像系统示意图。

[0034] 图5显示为未知信息区域为圆形的样品面示意图。

[0035] 图6显示为未知信息区域为光栅形的样品面示意图。

[0036] 元件标号说明

[0037] 1  激光器              2  遮光板

[0038] 3  样品                4  感应器

[0039] 5  移相器              6  准直器

[0040] 7  凸透镜              8  成像芯片

[0041] 9  待成像样品的样品面  9a 已知信息区域

[0042] 9b 未知信息区域        10 光源

具体实施方式

[0043] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

[0044] 请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0045] 鉴于现有技术的同轴全息成像技术要么对强散射样品的成像质量差，只能用于弱散射样品；要么成像结构复杂；要么采用迭代算法使成像结构简单、且使不管强散射样品还是弱散射样品的成像质量都好，但只能用于离散的孤立样品的成像，不适用于连续的样品。本发明的发明人设计出一种基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，使成像结构简单，且适用范围广，不但适用于弱散射样品，还适用于强散射样品，不但适用于离散样品，还适用于连续样品。

[0046] 以下将通过具体实施例来对本发明的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法进行详细说明。

[0047] 一种基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，包括以下步骤：

[0048] 1)如图5、图6所示，将样品面9划分成能够透光的未知信息区域9b和不能透光的已知信息区域9a，再将待成像样品9c放在样品面9上；

[0049] 2)如图4所示，将相干光(比如经过扩束后激光、或者经过小孔提高相干性的其他光源例如LED的光)照射在样品面9上，使未经样品的照射光和样品散射的光在成像芯片8上干涉，形成全息图像；

[0050] 3)由成像芯片8将全息图像的强度信息作为初始迭代强度信息记录下来，并把成像芯片初始迭代的相位信息设置为0；

[0051] 4)利用G-S算法进行迭代计算：

[0052] a、利用标量衍射公式，将成像芯片8上的全息图像强度信息和相位信息反向传播到所述样品面9上，得到样品面9上的强度信息和相位信息，所述样品面9上的强度信息包括已知信息区域9a部分的强度信息和未知信息区域9b部分的强度信息，所述样品面9上的相位信息包括已知信息区域9a部分的相位信息和未知信息区域9b部分的相位信息；

[0053] b、将样品面9上已知信息区域采集到的已知信息(强度信息为0，因已知信息区域不能透光)替换a步骤中得到的样品面9上已知信息区域9a部分的强度信息，得到新的样品面9上未知信息区域9b的强度信息和相位信息；

[0054] c、将新的样品面强度信息以及相位信息，利用标量衍射公式传播到成像芯片8上，得到新的成像芯片8上的强度信息和相位信息，所述成像芯片8上的强度信息包括已知信息区域9a部分的强度信息和未知信息区域9b部分的强度信息，所述成像芯片8上的相位信息包括已知信息区域9a部分的相位信息和未知信息区域9b部分的相位信息；

[0055] d、将成像芯片8上已经测得的已知信息区域的已知信息(强度信息为0，因已知信息区域不能透光)替换c步骤中得到的成像芯片8上已知信息区域9a部分的强度信息，得到新的成像芯片8上未知信息区域9b的强度信息和相位信息；

[0056] 多次重复步骤a到步骤d，使所得到的光场逐渐收敛，最终得到成像芯片8上的样品图像。

[0057] 所述领域的技术人员知道，标量衍射公式有很多种，本发明步骤a、步骤c中的标量衍射公式取为：

[0058]

[0059]

[0060] 这里，

[0061] 在以上标量衍射公式中：x、y为成像芯片面的二位坐标，z为光线传播方向坐标，x、y、z构成一个三维立体坐标空间；

[0062] i为虚数单位，fx、fy为(x，y，z)傅里叶变换到频域空间的坐标，U(x,y,z)为时域空间的光场分布， 为频域空间的光场分布。

[0063] 如图5、图6所示，所述未知信息区域9b的形状可以设为圆形，也可以设为光栅形，当然，也可以是其它形状。

[0064] 当未知信息区域的形状设为圆形时，适用于离散的孤立样品成像；当未知信息区域的形状设为光栅形时，不但适用于离散的孤立样品成像，还适用于连续性样品成像，连续性样品成像的方法是：首先将样品放置在样品面上，利用本发明的成像方法实现未知信息区域内样品的成像，然后移动样品，使样品尚未成像部分处于未知信息区域而已成像部分移动到已知信息区域，再利用本发明的成像方法使未知信息区域的样品未成像部分实现成像，多次移动样品，最终实现样品的所有部位的成像，将所有部位的成像叠加，即形成连续性样品成像。

[0065] 所述成像芯片8可以采用CMOS二维成像芯片或CCD二维成像芯片。

[0066] 本发明迭代计算的重复次数最好设为100次，以保证成像质量高，当然也可以设为100次以上，则成像更为精确，成像质量会更高；或者设为100次以下，通常只要达到30次，就可以达到较好的迭代收敛效果，取得比较清晰的成像效果。

[0067] 如图4所示，本发明的成像过程不需要透镜，所用到的成像系统由光源10(比如激光器，或者采用经过小孔提高相干性的LED等)、放置样品面9(可以是普通显微镜的载玻片)的样品架、成像芯片8(可以为CMOS或CCD二维成像芯片)以及外围电路构成，其外围电路提供图像采集、处理、显示及存储功能，结构非常简单。本发明通过同轴全息的强度图样对样品图像进行重构，样品一般为生物医学样品，例如血液、唾液、细胞等这些强散射、连续性样品。

[0068] 综上所述，本发明的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，首先将已知信息区域和未知信息区域确定下来，使迭代算法确定，避免了现有技术中每次迭代计算都需要人工设立标准造成的计算困难从而仅适用于离散的孤立样品成像的问题，还避免了成像误差，使成像质量高。本发明既可以适用于弱散射样品成像，也可以适用于强散射样品成像，既可以适用于离散的孤立样品成像，也可以适用于连续性样品成像，从而适用范围广。本发明的基于全息图强度信息的迭代重构成像方法，还使成像系统结构简单、配置成本低，从而能够适用于紧凑成像系统。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0069] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。