专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法及其装置。该方法的步骤为：S1采集无样本背景光场图像；S2在距离传感器不同高度放置样本，采集样本全息图像序列；S3利用背景光场图像对全息图像序列进行背景去除；S4对去除背景后的全息图像序列进行水平配准对齐；S5利用自动对焦算法计算每个高度的全息图像对应的高度；S6计算传感器平面到样本平面的光场传播矩阵序列；S7将配准对齐后的全息图像序列和光场传播矩阵序列使用约束迭代的方法初始化得到样本平面复振幅的初始值；S8使用沃廷格‑流方法将初始值进行迭代更新，得到样本平面恢复的相位和重建的振幅。本发明能精确地恢复出样本平面光场的相位并重建其振幅。

权利要求

1.无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤如下：

S1，打开光源，在没有样本放置的情况下，使用数字图像传感器采集无样本背景光场图像；

S2，将样本放置于数字图像传感器上方，保持数字图像传感器静止，分别采集样本位于不同高度时的全息图像，得到多高度样本的全息图像序列；

S3：利用步骤S1的背景光场图像对步骤S2的全息图像序列中的每一个图像进行背景去除；

S4：对步骤S3去除背景后的全息图像序列进行像平面的水平配准对齐；

S5：利用自动对焦算法计算每个全息图像对应的高度，获得高度序列；

S6：使用高度序列和光源波长计算数字图像传感器平面到样本平面的光场传播矩阵序列；

S7：根据步骤S4配准对齐后的全息图像序列和步骤S6得到的光场传播矩阵序列，使用约束迭代的方法初始化得到样本平面复振幅的初始值；

S8：使用沃廷格-流方法将步骤S7得到的初始值进行迭代更新，得到样本平面恢复的相位和重建的振幅。

2.根据权利要求1所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤S3中，对全息图像序列进行背景去除的具体方法为：

其中，I′k表示采集的全息图像，Ib表示背景图像，Ik表示去除背景后的全息图像，n为采集的全息图像的数量。

3.根据权利要求1所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤S4中，将步骤S3去除背景后的全息图像序列表示为Ik，k＝1...n，n是采集的全息图像的数量；将I1作为固定图像，其余图像相对I1依次进行配准对齐，两张全息图像I1和Ik之间进行配准对齐的具体方法为：

S4.1，计算两张全息图像I1和Ik的互相关矩阵CC：

其中，FFT2[]和，FFT2[]分别表示二维快速傅里叶变换及反变换，表示按元素乘法，表示Ik按元素取复共轭；

S4.2，利用互相关矩阵计算傅里叶域的相位矩阵ψ：

其中，i＝1...N，j＝1...M，M和N分别是图像高和宽；

S4.3，利用最小二乘法解：

ψ(i，j)＝ωxΔx+ωyΔy

得到全息图像I1和Ik之间的偏移Δx和Δy；根据偏移Δx和Δy，对全息图像I1和Ik进行配准对齐。

4.根据权利要求1所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤S5中，利用自动对焦算法计算每个全息图像对应的高度的具体方法为：

S5.1，利用角谱传播法计算单图像的光场传播矩阵，传播距离为z时光场传播矩阵在点(fx，fy)处定义为：

其中，fx＝1...N，fy＝1...M，M和N分别是图像高和宽，λ是光源波长，j是虚数单位；

光场传播矩阵X向前传播到距离为z的处的光场传播矩阵Y为：

S5.2，对每一张去除背景并配准对齐的全息图像Ik，将其分别向前传播到间距为1微米的高度区间[1微米，2000微米]上的每一个高度zt，t＝1...2000，得到Ik传播距离zt处的复振幅Ykt：

其中，t＝1...2000，zt＝t微米，k＝1...n，n是采集的全息图像的数量，

S5.3，对上面得到的每一个Ykt计算Tamura系数TCkt：

其中，std()和mean()分别表示求矩阵标准差和平均值的函数；使Tamura系数得到的最大值所在的高度即是全息图像与数字图像传感器的高度；

即，对焦距离zk为：

zk＝argmaxt{TCkt}

其中，argmaxt{}表示求使{}中式子最大的t的函数。

5.根据权利要求4所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤S6中，光场传播矩阵序列在第k张全息图像的每个点(fx，fy)处为：

其中，fx＝1...N，fy＝1...M，M和N分别是图像的高和宽，zk为第k张全息图像的对焦距离，k＝1...n，n是采集的全息图像的数量。

6.根据权利要求5所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤S7中，使用约束迭代的方法初始化得到样本平面复振幅的初始值的具体方法为：

S7.1，对每一张去除背景并配准对齐的全息图像Ik，其对焦高度表示为zk，将全息图像Ik传播到样本平面，得到样本平面光场的复振幅矩阵Yk：

S7.2，对复振幅矩阵Yk，按元素取平均值，得到样本平面均值矩阵Y：

S7.3，对样本平面均值矩阵Y，将其分别反向传播回对焦高度为zk处的数字图像传感器平面，得到传感器平面光场的复振幅矩阵Xk：

S7.4，保持当前估计的复振幅矩阵Xk的相位不变，使用Ik作为其振幅约束，得到更新的传感器平面光场复振幅矩阵X′k：

其中，abs()表示取模，·/表示按元素除法；

S7.5，使用步骤S7.4得到的X′k进行步骤S7.1的过程，得到：

S7.6，对步骤S7.5得到的新的样本平面光场的复振幅矩阵Y′k，按元素取平均值，得到更新的样本平面均值矩阵Y：

S7.7，重复迭代步骤S7.3到S7.6，得到初始化的样本平面光场的复振幅初始值。

7.根据权利要求6所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，其特征在于，步骤S8的具体过程为：

S8.1，将步骤S7得到的样本平面光场复振幅初始值Y作为输入，首先将初始值Y传播到各个对焦高度的传感器平面，得到光场的复振幅序列Bk：

S8.2，通过去除背景并配准对齐的全息图像序列Ik和光场的复振幅序列Bk使用沃廷格-流方法计算沃廷格梯度g为：

S8.3，更新样本平面复振幅矩阵Y为：

Y＝Y-μ×g

其中，t代表迭代次数，min{}代表返回最小值的函数；

S8.4，重复迭代步骤S8.1到S8.3，最终得到样本平面光场恢复出的相位和振幅，分别是样本平面复振幅矩阵Y的相位和振幅。

8.无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的装置，其特征在于，包括光源、光纤、小孔、样本和数字图像采集系统，样本放置于图像采集系统中的数字图像传感器的上方，且样本与光源的距离远大于样本与数字图像传感器平面的距离；所述光源耦合进入光纤并通过小孔变为相干光入射到样本平面上，并发生散射；透过样本空隙的入射光和散射光发生干涉形成干涉图样由图像采集系统记录并输出，此即数字全息图像。

9.根据权利要求8所述的无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的装置，其特征在于，样本与数字图像传感器平面之间的距离不大于2mm。

说明书

技术领域

本发明属于无透镜数字显微领域，尤其涉及一种无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法及其装置。

背景技术

随着计算机运算速度的提高以及数字图像传感器包括CCD和CMOS的迅速发展，使得数字全息技术受到大量关注。在生物医学、细胞观测、微纳器件结构检测等领域有着广泛的应用。

无透镜数字全息显微镜近年来已经成为新的显微成像技术。与基于透镜的传统全息显微镜相比，无透镜全息显微镜直接对透过物体的光线进行采样，而无需在物体和传感器平面之间使用任何成像透镜，因此空间带宽积与空间分辨率不再相关。同时，无透镜全息显微镜与图像传感器有着一致大小的视场，而不需要任何透镜和其他中间光学元件。这允许成像装置可以进一步的简化，同时有效地避免了传统的基于透镜的成像系统中不可避免的光学像差和色散。此外，整个系统结构紧凑，成本大大降低、操作简单以及轻巧便携，为资源有限的环境中大视场下医学样本的观测和评估提供了一种可能的解决方案。传统全息显微镜使用非数字传感器进行图像采集，操作繁琐、成像速度很慢，无透镜数字全息显微镜采样速度很快，可以实现实时成像。

目前现有的技术中，无透镜数字全息显微成像由于成像过程中相位的缺失，再现过程中受到共轭孪生像的影响导致精度很低。以Gerchberg-Saxton迭代方法为基础，发展出许多迭代相位恢复算法，但是其恢复精度并不理想。特别当获得的全息图像噪声较大时，重建效果急剧下降。

发明内容

针对以上现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，能够抑制噪声并且有效精确地恢复无透镜数字全息图像的相位并重建其振幅。本发明的另外一个目的是提供实现该方法的装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，步骤如下：

S1，打开光源，在没有样本放置的情况下，使用数字图像传感器采集无样本背景光场图像；

S2，将样本放置于数字图像传感器上方，保持数字图像传感器静止，分别采集样本位于不同高度时的全息图像，得到多高度样本的全息图像序列；

S3：利用步骤S1的背景光场图像对步骤S2的全息图像序列中的每一个图像进行背景去除；

S4：对步骤S3去除背景后的全息图像序列进行像平面的水平配准对齐；

S5：利用自动对焦算法计算每个全息图像对应的高度，获得高度序列；

S6：使用高度序列和光源波长计算数字图像传感器平面到样本平面的光场传播矩阵序列；

S7：根据步骤S4配准对齐后的全息图像序列和步骤S6得到的光场传播矩阵序列，使用约束迭代的方法初始化得到样本平面复振幅的初始值；

S8：使用沃廷格-流方法将步骤S7得到的初始值进行迭代更新，得到样本平面恢复的相位和重建的振幅。

无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的装置，包括光源、光纤、小孔、样本和数字图像采集系统，样本放置于图像采集系统中的数字图像传感器的上方，且样本与光源的距离远大于样本与数字图像传感器平面的距离；所述光源耦合进入光纤并通过小孔变为相干光入射到样本平面上，并发生散射；透过样本空隙的入射光和散射光发生干涉形成干涉图样由图像采集系统记录并输出，此即数字全息图像。

现有技术中，利用透镜的全息显微系统不能兼顾视场和分辨率，全息图像再现过程中，基于Gerchberg-Saxton迭代方法的相位恢复方法受噪声影响大，恢复精度差。本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明的无透镜数字全息显微成像系统同时满足宽视场，通过先进行约束迭代初始化和后进行沃廷格-流方法约束迭代更新样本平面光场的复振幅，能精确地恢复出样本平面光场的相位并重建其振幅；沃廷格-流方法的迭代更新过程由于其类梯度下降的性质，可以在噪声较大时抑制噪声从而保持良好的重建效果。

附图说明

图1是本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的方法的流程图。

图2是本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的装置的结构示意图，其中，1-LED光源，2-光纤，3-小孔，4-光源通过小孔得到的相干光，5-样本，6-数字图像采集系统。

图3是基于Gerchberg-Saxton迭代方法的多高度相位恢复算法重建得到的样本平面光场振幅图。

图4是本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的方法重建得到的样本平面光场振幅图。

图5是基于Gerchberg-Saxton迭代方法的多高度相位恢复算法恢复得到的样本平面光场相位图。

图6是本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的方法恢复得到的样本平面光场相位图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1，本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法，步骤如下：

S1，打开光源，在没有样本放置的情况下，使用数字图像传感器采集无样本背景光场图像Ib。

S2，将同一个样本放置于传感器上方2mm以下的不同高度处，保持传感器静止，分别采集不同高度的样本全息图像，通常全息图像数量越多重建效果越好，但是数量多时数据量越大，计算速度开始显著下降，二者权衡之后通常是取8个高度的全息图像，这里假设取n个高度的样本的全息图像。通过数字图像采集系统采集样本在不同高度时的全息图像序列I′k，k＝1...n。

S3：利用步骤S1的背景图像对步骤S2的多高度全息图像序列中的每一个图像进行背景去除：对步骤S2获取的每一个高度的全息图像I′k，k＝1...n，先按像素减后按像素除以步骤S1获取的背景图像Ib：

其中，Ik表示对应的去除背景的全息图像。

S4：对步骤S3的去背景多高度全息图像序列进行像平面的水平配准对齐：将步骤S3得到的去背景的全息图像序列表示为Ik，k＝1...n，n是总图像数量。将任意一张图像如I1作为固定图像，其余图像依次相对I1进行配准对齐。两张全息图像I1和Ik之间的进行配准对齐的方法为：

S4.1，计算两张全息图像的互相关矩阵CC：

其中，FFT2[]和IFFT2[]分别表示二维快速傅里叶变换及反变换， 表示按元素乘法， 表示Ik按元素取复共轭；

S4.2，利用互相关矩阵计算傅里叶域的相位矩阵ψ：

其中， M和N分别是图像高和宽；

S4.3，利用最小二乘法解：

ψ(i，j)＝ωxΔx+ωyΔy，i，j＝1...N，M

得到I1和Ik之间的偏移Δx和Δy。根据这两个偏移就可以配准对齐I1和Ik。

S5：对步骤S4的配准的去背景多高度全息图像序列计算每个高度全息图像对应高度的自动对焦方法为：

S5.1，计算单图像的光场传播矩阵，无透镜全息显微系统是通过透过物体的物体光和不透过物体的参考光干涉得到全息图像被进行成像，其光场传播可以用角谱传播法进行数字计算，传播距离为z时其在点(fx，fy)处定义为：

其中，λ是光源波长，j是虚数单位。光场传播矩阵X向前传播到距离为z的处的光场传播矩阵Y为：

S5.2，对每一张去除背景并配准对齐的全息图像Ik，k＝1...n，将其分别向前传播间距为1um的高度区间[1um，2000um]上的每一个高度zt，t＝1...2000，得到Ik传播距离zt处的复振幅Ykt，得到：

其中，zt＝t微米，k＝1...n

S5.3，对上面得到的每一个Ykt计算Tamura系数：

其中，std()和mean()分别表示求矩阵标准差和平均值的函数。使Tamura系数得到的最大值所在的高度即是全息图像与传感器的高度。

即，对焦距离zk为：

zk＝argmaxt{TCkt}，单位：um

其中，argmaxt{}表示求使{}中式子最大的t的函数。

S6：使用步骤S5计算得到的高度序列和光源波长计算传感器平面到样本平面的光场传播矩阵序列：使用高度序列zk，k＝1...n和光源波长计算传感器平面到样本平面的光场传播矩阵，即角谱传播矩阵序列，在第k张全息图像的每个点(fx，fy)处为：

fx，fy＝1...N，M，k＝1...n

S7：将步骤S4得到的配准去背景多高度全息图像序列和步骤S5得到的传感器平面到样本平面的光场传播矩阵使用约束迭代的方法初始化得到样本平面复振幅的初始值的具体方法是：

S7.1，对每一张去除背景并配准对齐的全息图像Ik，k＝1...n，其对焦高度表示为zk，k＝1...n，将其传播到样本平面，得到：

S7.2，对传播得到的样本平面光场的复振幅矩阵Yk，按元素取平均值，得到：

S7.3，对得到的样本平面均值矩阵Y，将其分别反向传播回对焦高度为zk处的传感器平面，得到：

S7.4，保持当前估计的传感器平面光场的复振幅矩阵Xk的相位不变，使用Ik作为其振幅约束，得到：

其中，abs()表示取模，·/表示按元素除法。

S7.5，使用S7.4得到的X′k进行S7.1的过程，得到：

S7.6，对S7.5得到的新的样本平面光场的复振幅矩阵Y′k，按元素取平均值，得到更新的样本平面均值矩阵Y：

S7.7，重复迭代S7.3到S7.6过程15次，得到初始化的样本平面光场的复振幅初始值。这个初始值接近真实样本平面光场复振幅，因此后续的迭代更新会朝着真实值的方向逼近。

S8：使用沃廷格-流(Wirtinger Flow)方法将步骤S7得到的初始值进行迭代更新，得到样本平面恢复的相位和重建的振幅的具体方法为：

S8.1，将步骤S7得到的样本平面光场复振幅初始值Y作为输入，首先将Y传播到各个对焦高度的传感器平面，得到光场的复振幅序列Bk：

S8.2，通过去除背景并配准对齐的全息图像序列Ik和光场的复振幅序列Bk使用沃廷格-流方法计算沃廷格梯度g为：

S8.3，使用类似梯度下降的方法，将沃廷格梯度看作通常梯度，更新样本平面复振幅矩阵Y为：

Y＝Y-μ×g

其中， t代表迭代次数，min{}代表返回最小值的函数。

S8.4，重复迭代S8.1到S8.3过程100次，最终得到样本平面光场恢复出的相位和振幅，分别是Y的相位和振幅。

参见图2，为本实施例实现上述方法的装置结构图。装置包括LED光源1、光纤2、小孔3、样本5和数字图像采集系统6，样本5放置于图像采集系统6中的数字图像传感器的上方。LED光源1通过耦合到光纤2传播到小孔3处，通过小孔3形成相干光4，小孔3与样本5平面在垂直方向上距离远大于样本5平面在垂直方向上与数字图像传感器所在平面的距离，前者通常为数十厘米，后者≤2毫米。相干光4通过样本5上物体时会发生散射，与没有经过物体的光发生干涉，在传感器平面形成干涉图样并被数字图像采集系统采集。在进行全息图像相位恢复和幅值重建的过程中，需要多个高度的全息图象序列，通过数量越多重建的精确度越高，但是同时对计算带来更大的压力。二者权衡的结果，通常在实际应用中收集8个高度的全息图像序列，可以同时兼顾重建速度和精确度。参见图3和图4，分别是基于Gerchberg-Saxton迭代方法的多高度相位恢复算法重建得到的样本平面光场振幅图和本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的方法重建得到的样本平面光场振幅图。可以看出基于Gerchberg-Saxton迭代方法的重建幅值受到孪生像的影响还很严重，在没有物体的背景处有着对观测很大的干扰，同时物体和背景的对比度也较低。本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的方法重建得到的样本平面光场振幅图几乎没有受到孪生像的干扰，物体和背景对比度更大，观测识别和评估时效果更好。

参见图5和图6，分别是基于Gerchberg-Saxton迭代方法的多高度相位恢复算法恢复得到的样本平面光场相位图和本发明无透镜数字全息显微成像相位恢复与重建的方法恢复得到的样本平面光场相位图。可以看到基于Gerchberg-Saxton迭代方法的多高度相位恢复算法恢复得到的样本平面光场相位图中存在很多完全错误的相位点——图中显示为全白的点，这些点由基于Gerchberg-Saxton迭代方法的强约束导致，不准确的恢复相位则会导致不佳的重建幅值，而本发明恢复的相位几乎找不到这种完全错误的崩溃相位点。

无透镜数字全息显微成像相位恢复和重建的方法及其装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。