[发明专利]一种基于可变光瞳的高分辨率光学扫描全息切片成像方法

说明书

技术领域

本发明属于光学扫描领域，具体的说，涉及一种基于可变光瞳的高分辨率光学扫描全息切片成像方法。 

背景技术

光学扫描全息技术，简称OSH，是一种基于菲涅尔波带板扫描的非传统成像技术，即通过二维光学扫描实现对目标的高分辨率三维成像，它在生物医学成像、荧光物体成像、三维全息电视系统以及光学遥感等领域都有广泛的应用前景。 

而通过光学扫描全息技术获得的二维全息图，包含了物体完整的三维信息，因此在光学扫描全息技术中对物体全息图的一个重要分析处理步骤就是物体的切片成像，即物体任意二维切面的图像重构。而物体任意二维切面图像重构中的难点在于如何消除来自物体其他层面的噪声，即离焦噪声。切片成像是一个典型的图像处理中的逆问题，同时也是一个不适定问题。 

文献‘Optical Scanning Holography with MATLAB’提出了一种传统的切片成像方法，即用物体的全息图与待重构切片处的菲涅尔波带板共轭进行卷积运算，从而实现切片成像，但由于无法消除隔离噪声，因此其应用受到极大的制约。 

文献‘Three-dimensional microscopy and sectional image reconstruction using optical scanning holography’介绍了一种逆成像算法，此迭代算法能够实现轴向分辨率为1毫米左右的切片成像，并能有效抑制离焦噪声，但其无法在更小的轴向尺寸下实现良好成像。 

文献‘Depth resolution enhancement in optical scanning holography with a dual-wavelength laser source’提出了一种利用双波长激光器提高切片成像轴向分辨率的方法，其利用输出波长分别为632nm和543nm的激光器，获取两组物体全息图，进而将轴向分辨率提高至2.5微米左右，但由于在光学系统中同时工作的两个不同波长引入了较大的噪声，导致其实用性受到极大限制。 

发明内容

本发明的目的在于降低切片成像中的离焦噪声，提出一种基于可变光瞳的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，利用两个不同的菲涅尔波带板对同一个待测物体进行扫描，获取两组全息图，从而为切片成像这一不适定逆问题引入了更多的线性方程组，实现及高分辨率的切片成像。 

本发明采用的技术方案如下： 

一种基于可变光瞳的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，包括以下步骤：

（1）第一偏振分束器将同一光源发出的光分为两束，第一束光通过第一光瞳形成平面波，第二束光经过声光调制器产生 的平移后再通过第二光瞳形成球面波，将平面波和第一球面波通过第二偏振分束器聚光，聚合后在待测物体上产生干涉形成第一菲涅尔波带板；

（2）利用二维扫描镜控制第一菲涅尔波带板的偏转，从而实现对待测物体的第一次二维扫描，得到包含切片信息的第一矩阵方程；

（3）调节空间光调制器的电压，使第二光瞳产生偏移；

（4）第一偏振分束器将同一光源发出的光分为两束，第一束光通过第一光瞳形成球面波，第二束光通过声光调制器产生的平移后再通过偏移后的第二光瞳形成第二球面波，将平面波和第二球面波通过第二偏振分束器聚光，聚合后再待测物体上产生干涉形成第二菲涅尔波带板；

（5）利用二维扫描镜控制第二菲涅尔波带板的偏转，从而实现对待测物体的第二次二维扫描，得到包含切片信息的第二矩阵方程；

（6）将第一矩阵方程和第二矩阵方程整合，使切片成像过程转化为一个最小线性方程，并且根据共轭梯度算法，求解出切片信息。

其中，所述步骤（1）中所述第一菲涅尔波带板为： 

                        （1）

其中x, y, z代表空间坐标，k为光的波数，z为待测物体到二维扫描镜的距离。

进一步的，所述步骤（2）中待测物体为两个离散切片的集合，两个切片的轴向位置分别为和，因此得到第一矩阵方程的具体实现方式如下： 

（2a）将待测物体进行第一次二维扫描，得到第一二维全息图：

    （2）

其中复函数为该待测物体的幅度信息，同时*代表二维卷积；

（2b）将菲涅尔波带板在和处的值分别转换为矩阵和；

（2c）将第一二维全息图与矩阵和结合起来得到第一矩阵方程：