[发明专利]基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置，其中，方法包括：搭建复数域成像光路；在光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；根据调制的照明图案和二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。根据本发明实施例的方法，每次成像仅需要二值化的幅度调制图案，即可达kHz级别的超快成像速度，提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。

技术领域

本发明涉及计算摄像学技术领域，特别涉及一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法及装置。

背景技术

复数域成像是光学测量中的一个重要课题。单色光由幅度和相位两部分构成，前者反映光的强弱，后者的延迟则和与之反应的样本的厚度、密度和折射率等物理和化学特性有关。在生物医学领域中，透明或半透明样本在强度图像中几乎不可见，研究其内部结构和细节需要依赖相位信息。然而，由于光波的振荡频率远高于探测器的光电转换频率，相关技术中的光学探测器无法测量光波相位，因此需要通过一定措施实现整个光场复数域信息的精确测量。

具体地，相关技术中的复数域成像方法可分为干涉法和衍射法。其中，干涉法利用物光和参考光的干涉记录光波信息，而后利用相应的再现方法重构完整光场。全息术作为最成熟的光波信息记录方法，为复数域成像提供了一种干涉手段。然而，干涉测量中参考光的使用对成像系统和环境的稳定性提出了严格的要求。衍射法采集样本衍射后得到的强度信息，并利用相位恢复算法通过计算由强度的观测值重建复数域信息，从而实现光场的精确重构。与干涉记录法相比，衍射法不需要物光和参考光的相干叠加，其重构精度侧重于算法的优越性。随着计算技术的迅速发展，衍射记录法已经在不影响成像精度的条件下克服了干涉测量法的大多数局限性，展现了巨大的应用潜力。

由强度恢复复数域信息的相位恢复问题是一个欠定问题，冗余信息或精确的约束可以为算法提供更好的收敛性确定性。为了精确重构完整的光场，已有研究借助空间光调制器，用一系列调制图案对入射光进行调制后记录具有不同成像条件的多个衍射图案，再将调制图案作为先验信息利用相位恢复算法进行重建。现有的空间光调制方法主要分为相位调制和幅度调制。对于相位调制，至少需要三张调制图案才能获得高质量的重建结果。而对于幅度调制，现有的方法普遍需要超过十张调制图案。在上述方法中，相位模式空间光调制的刷新频率相对较低，通常只有100Hz，而使用数字微镜器件(DMD)的二值化幅度调制可以达到22kHz的刷新频率，更加具有竞争力。

快速全视场复数域成像对于定性和定量分析细胞形态学、研究细胞功能和性状的变化、理解细胞的运作机制以及进行高速度、高通量的药学筛选和药物评价具有不可替代的价值。为了提供更加丰富的过程图像以及更加完整的细节信息，进一步减少幅度调制图案的数量，提高复数域成像速度，已成为亟待研究的重要需求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，该方法可以提高成像效率的同时，有效保证成像的效果。

本发明的另一个目的在于提出一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于三次二值化调制的快速全视场复数域成像方法，包括以下步骤：搭建复数域成像光路；在所述光路的照明端使用相干光照射整个目标的全视场，并利用空间光调制器进行三次调制二值化照明图案，且在所述光路的探测端利用二维探测器采集三张对应观测样本光学傅里叶平面的光强；根据调制的照明图案和所述二维探测器采集到的相应傅里叶光强，利用相位恢复算法重建目标的复数域信息。