基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统及方法，主要解决现有同类技术工艺复杂、成像时间长、系统结构难实现、成像分辨率低的问题。其成像系统包括：光源、扩束器、空间光调制器、λ/4波片、扩束透镜组、挡光板、透镜、随机散射介质、会聚透镜、和CCD相机；光源发射的光束经扩束器扩束后入射到空间光调制器上，得到0级光和±1级光；通过λ/4波片获得圆偏振光，经扩束透镜组扩束后到达挡光板，保留±1级光；±1级光经透镜发生干涉，产生结构光照明观测目标；照亮的观测目标进入随机散射介质，发生强散射，经会聚透镜入射到CCD相机。本发明具有结构简单和成像分辨率高的优点，可用于光学超分辨率成像。
【专利说明】基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于成像【技术领域】，特别涉及一种光学成像系统，可用于光学超分辨率成 像。
【背景技术】
[0002] 传统光学成像的分辨率受衍射极限限制，在可见光范围内难以测量小于200nm的 距离，因此突破光学系统衍射极限成像的研究极其迫切。
[0003] 目前，围绕近场和远场超衍射极限成像的研究，已取得令人瞩目的进展。近场超衍 射极限成像方法主要采用纳米探针、等离子超级材料以及负折射率材料制备的完美透镜等 对倏逝波进行探测，其分辨率不受瑞利判据的限制。但由于纳米探针、等离子超级材料、负 折射率材料的制备需满足很苛刻的条件，工艺极其复杂，且技术还不够成熟，导致其扫描探 针易对样品造成损伤，且不利于对活体组织进行观测。
[0004] 而远场超衍射极限成像方法，如受激发射损耗显微技术、随机光学重建显微技术 和光敏定位显微技术等，它们通过探测受激荧光分子的荧光信号分布获取样品的空间信 息，可探测样品内部，目前可达20?50nm，而极限条件下可达5. 8nm的分辨率。但由于其达 到的空间分辨率是以严重牺牲时间分辨率为代价的，导致成像过程复杂、耗时长，难以实现 实时观测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于结构光照的随机散射 光学超衍射极限成像系统及方法，以精简材料制备工艺、简化成像过程、提高成像分辨率。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 一 .技术思路是：采用结构光作为成像光源，照明观测目标，借助随机散射介质得 到图像，并将其传输至主控计算机中，通过计算成像方法重建出最终的观测目标，获得高质 量的超分辨率图像。
[0008] 二.基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统，包括光学子装置和超衍 射极限成像装置，其特征在于：
[0009] 所述光学子装置，包括光源、两个孔径光阑、扩束器、空间光调制器、四个透镜、 λ /4波片、三个反射镜和挡光板；光源发射的光束依次经过第一孔径光阑、扩束器、第一反 射镜后照明到空间光调制器上，产生〇级光、+1级光和-1级光，这三级光通过第一透镜被 平行分开，经λ/4波片得到圆偏振光，再依次通过第二反射镜和第二透镜、第二光阑和第 三透镜进行扩束，并借助挡光板挡掉中间的〇级光，保留+1级光和-1级光，再经第三反射 镜后通过第四透镜，使得+1级光和-1级光在焦平面上发生干涉，产生结构光以照亮观测目 标；
[0010] 所述超衍射极限成像装置，包括三个透镜、第三孔径光阑、随机散射介质、C⑶相 机；经照亮的观测目标依次经过第五透镜、第三孔径光阑和第六透镜减小整个光束的直径， 使光束在随机散射介质中发生强散射，再经第七透镜进行光束能量会聚后，由CCD相机接 收图像。
[0011] 三.基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，包括如下步骤：
[0012] (1)对CCD相机采集到的原始图像进行图像亮度均一化处理，以消除由光源波动 对图像亮度的影响；
[0013] (2)对图像亮度均一化处理后的图像进行傅立叶变换操作，获得对应的频谱；
[0014] (3)通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同 的相位值，组成3X3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成 像息；
[0015] (4)由四个方向上分离出的0级、+1级和-1级频谱成像信息的重叠区域，得到四 组结构光照明的频率分量kpielO。，45°，90°，135° };
[0016] (5)利用余弦函数的傅里叶变换特性，将得到的四组结构光照明的频率分量匕进 行频率拼接，得到扩展频谱，其中1?为原始频率分量；
[0017] (6)利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体Em ;
[0018] (7)根据结构光照明扩展的频谱'±1^和随机散射介质的传输矩阵数据立方体 Επ，通过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像。
[0019] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0020] 1)本发明依据超衍射极限成像和结构光照明成像的原理，设计了基于结构光照的 随机散射光学超衍射极限成像系统，与现有光学系统相比，材料制备工艺简单，系统结构易 实现，成像分辨率明显提高。
[0021] 2)本发明利用角谱理论，设计基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方 法，与现有成像方法相比，既滤掉了杂散光又保留了观测目标的高频信息，且有效的缩减了 成像时间，提高了成像分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统的结构图；
[0023] 图2是本发明基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法的实现流程图；
[0024] 图3是本发明中频谱成像信息分离的示意图；
[0025] 图4是本发明中频谱扩展的示意图；
[0026] 图5是本发明中获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体示意图。
【具体实施方式】
[0027] 以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明结构光照明下的随机散射光学超衍射 极限成像系统的设置，以及成像方法的实现步骤。
[0028] 参见图1，本发明的成像系统，包括光学子装置和超衍射极限成像装置两部分。其 中：
[0029] 所述光学子装置，包括光源1、两个孔径光阑、扩束器3、空间光调制器4、四个透 镜、λ/4波片6、三个反射镜和挡光板12。其中，光源1采用可见光波段的激光器，激光器 发射的光束经第一孔径光阑2滤除光束中的杂散光，经扩束器3扩束，通过第一反射镜7控 制光束在空间光调制器4上的入射方向，其分别为0°、45°、90°和135°四个方向，即在 每个方向上分别产生〇级光、+1级光和-1级光；这三级光被第一透镜5平行分开，经λ /4 波片6得到具有更好偏振特性的圆偏振光；该圆偏振光通过第二反射镜8改变光路方向，经 由第二透镜9、第二光阑10和第三透镜11组成的扩束透镜组进行扩束，再经挡光板12挡 掉中间的〇级光，保留+1级光和-1级光；借助第三反射镜13改变光路中保留的+1级光 和-1级光的传播方向，再通过第四透镜14,在其焦平面上发生干涉，产生结构光以照亮观 测目标。
[0030] 所述超衍射极限成像装置，包括三个透镜、第三孔径光阑17、随机散射介质19、 C⑶相机21，其中随机散射介质19的厚度选为10?20 μ m，以减小其对光的吸收并增强其 对光的散射。经照亮的观测目标经由第五透镜16、第三孔径光阑17和第六透镜18组成的 逆向扩束透镜组，以滤除光路中的杂散光并减小整个光束的直径，然后使光束通过随机散 射介质19,并在其内部发生强散射，经强散射后的输出光束经第七透镜20进行能量会聚， 最后由C⑶相机21接收图像。
[0031] 参见图2,本发明的成像方法，其实现步骤如下：
[0032] 步骤1，采集原始图像并进行图像亮度均一化处理。
[0033] la)通过C⑶相机采集原始图像T (r)，并上传到主控计算机；
[0034] lb)主控计算机根据图像亮度均一化原理，用原始图像的模值|T(r) |除以原始图 像τω，得到亮度均一化的图像D(〃）=
【权利要求】
1. 一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统，包括光学子装置和超衍射 极限成像装置，其特征在于： 所述光学子装置，包括光源（1)、两个孔径光阑（2,10)、扩束器（3)、空间光调制器（4)、 四个透镜（5,9,11，14)、λ/4波片（6)、三个反射镜（7,8,13)和挡光板（12);光源⑴发 射的光束依次经过第一孔径光阑（2)、扩束器（3)、第一反射镜（7)后照明到空间光调制器 ⑷上，产生0级光、+1级光和-1级光，这三级光通过第一透镜（5)被平行分开，经λ/4波 片（6)得到圆偏振光，再依次通过第二反射镜（8)和第二透镜（9)、第二光阑（10)和第三透 镜（11)进行扩束，并借助挡光板（12)挡掉中间的0级光，保留+1级光和-1级光，再经第 三反射镜（13)后通过第四透镜（14)，使得+1级光和-1级光在焦平面上发生干涉，产生结 构光以照亮成像目标； 所述超衍射极限成像装置，包括三个透镜（16，18,20)、第三孔径光阑（17)、随机散射 介质（19)、C⑶相机（21);经照亮的成像目标依次经过第五透镜（16)、第三孔径光阑（17) 和第六透镜（18)减小整个光束的直径，使光束在随机散射介质（19)中发生强散射，再经第 七透镜（20)进行光束能量会聚后，由CCD相机（21)接收图像。
2. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，空间光调制器（4)上产生的0级光、 +1级光和-1级，是分别在0°、45°、90°和135°的方向上产生。
3. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，随机散射介质（19)的厚度为10? 20 μ m，以减小对光的吸收，增强对光的散射。
4. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光源（1)为可见光波段的激光 器。
5. -种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，包括以下步骤： (1) 对CCD相机（21)采集到的原始图像进行图像亮度均一化处理，以消除由光源波动 对图像亮度的影响； (2) 对图像亮度均一化处理后的图像进行傅立叶变换操作，获得对应的频谱； (3) 通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同的相 位值，组成3X3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信 息； (4) 由四个方向上分离出的0级、+1级和-1级频谱成像信息的重叠区域，得到四组结 构光照明的频率分量，45°，90°，135° }; (5) 利用余弦函数的傅里叶变换特性，将得到的四组结构光照明的频率分量&进行频 率拼接，得到扩展频谱'±1^，其中1?为原始频率分量； (6) 利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体Em ; (7) 根据结构光照明扩展的频谱'±1^和随机散射介质的传输矩阵数据立方体Em，通 过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像。
6. 根据权利要求5所述的基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，其中步 骤（3)所述的通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同 的相位值，组成3 X 3线性方程组并求解，按如下步骤进行： 6a)通过主控计算机控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上任意输 入三个不同的相位值Φ」，j e {1，2, 3}; 6b)将三个不同的相位值代入结构光照明强度表达式，得到结构光在0°、45°、 90°和135°每个方向上光强度表达式如下： I (r) = I0[l+cos(ki · τ) + Φ?·] <1> 其中，L为光源的光强度，h为不同方向结构光照明的频率分量， ie{〇°，45°，90° ,135° }，r 为空间坐标； 6c)根据结构光在0°、45°、90°和135°每个方向上光强度I(r)和整个光学系统的 点扩散函数PSF(r)，得到整个光学系统所成图像D(r)的数学表达式： D (r) = [〇(/-) · / (r)] ? PSF (r) <2> 其中，〇(r)代表观测目标图像，D(r)代表整个光学系统所成的图像，PSF(r)表示整个 光学系统的点扩散函数； 6d)对公式〈2>进行傅立叶变换，得到整个光学系统所成图像在频率域内的数学表达 式：
其中，D(k)为频率域内整个光学系统所成的图像，OTF(k)表示整个光学系统的光学传 递函数，s(kQ)、s(vh)、s(νι〇分别为0级、+1级、-1级频谱成像信息； 6e)通过控制空间光调制器输入的三个不同的相位Φ」，j e {1，2, 3}，代入公式〈3>， 组成3X3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信息，即 S (k0)、S (ko+ki)、S (ko-k)。
7. 根据权利要求5所述的基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，其中步 骤（6)所述的利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体E m，按如 下步骤进行： 7a)根据角谱理论可知，得到经过观测目标的入射平面波场为：
其中，kx和ky分别代表光波在X轴和y轴方向的波矢量分量，且与入射光和光轴之间 的夹角 θχ、9y 有关，即 kx/2：n =sin0x/X，ky/2：n =8;[110^入，六。〇^，1^)称为角谱，表 示各平面波分量的复振幅； 7b)根据公式〈4>中入射光与光轴之间的夹角θ χ、Θ y，将不同角度（θ χ，Θ y)的激光 光束依次照射于随机散射介质的同一位置，分别记录各角度入射光照射时，像面上产生的 散斑场Em(x, y, kx, ky)即为随机散射介质传输矩阵； 7C)将不同角度入射光照射时，像面上产生的不同的散斑场Em(X，y，k x，ky)叠加在一起 就构成了随机介质传输矩阵数据立方体Em。
8. 根据权利要求5所述的一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，其 中步骤（7)所述的根据结构光照明扩展的频谱'±1^和随机散射介质的传输矩阵数据立方 体E m，通过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像，按如下步骤进行： 8a)将结构光照明扩展的频谱'±1^进行傅里叶逆变换，得到空间域内的散斑场 Es(x，y)，该散斑场中包含有更多的观测目标高频信息； 8b)将空域内的散斑场Es(x，y)，用角谱和随机散射介质传输矩阵表示为：
其中，A。％，ky)为角谱，Em(x, y, kx, ky)为随机散射介质传输矩阵； 8c)将步骤8a)得到的空域内的散斑％Es(x，y)和步骤7b)得到的随机散射介质传输 矩阵Em (X，y，kx，ky)，代入公式〈5>，进行反解，获得角谱A。(kx，k y); 8d)将得到的角谱nig代入入射平面波场式
出经过观测目标的入射平面波场Ej^y); 8e)对经过观测目标的入射平面波场Ejxj)取绝对值后平方，获得最终重建的观测目 标图像T : T = |E0(x, y) |2〇
【文档编号】G02B27/42GK104102017SQ201410320944
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】邵晓鹏, 吴腾飞, 代伟佳, 石慧明, 龚昌妹, 骆秋桦, 刘飞, 杜娟, 彭立根, 李慧娟 申请人:西安电子科技大学