基于合成相位传递函数的非干涉相位成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学成像技术，特别是一种基于合成相位传递函数的非干设相位成像 方法。
【背景技术】
[0002] 对于生物细胞等几乎透明的物体而言，相位信息非常重要。然而，物体的相位信息 无法通过相机直接拍摄得到，因此近几年在表面检测、光学元件、生物细胞显微成像等领域 中，定量相位测量已经成为国内外研究者的关注热点。目前，已经发展出了许多相位恢复的 方法，例如数字全息法、相移干设法、光强迭代法、光强传输方程法、合成孔径扫描法等等。 在运些定量相位成像方法中，光强传输方程法由于其具有非干设、无需相位解包裹、适用于 部分相干照明、无需复杂的实验装置和计算等优点，获得了广泛关注。但是，光强传输方程 法在求解过程中抑制了相位的低频成分，所W恢复出的相位往往含有大量低频噪声。如何 消除运些噪声成为了发展光强传输方程法的重要难题。
[0003] 光强传输方程法带来的低频云雾状噪声主要受四个因素影响：采样平面间距、 采样面数、物体的吸收、光强图像的信噪比。由此，国内外发展出了许多去除低频噪声的 方法。比如Soto等人提出一种有限差分噪声抑制法有效的去除了云雾噪声（文献[1] M.SotoandE.Acosta，"Improvedphaseimagingfromintensitymeasurementsin multipleplanes. "Appl.Opt. 46, 7978-7981 (2007).)，但是运种方法恢复的相位丢失了 高频成分。在国内，左超等人提出一种基于SG差分滤波器的最优频率选择法（文献巧] C.Zuo,Q.Chen,Υ.Yu,andA.Asundi，"Transport-of-intensityphaseimagingusing Savitzky-Golaydifferentiationfilter-theoryandapplications. "Opt.Express21， 5346-5362 (2013).)，该方法利用SG滤波器拟合不同阶数的光强轴向偏导数，再通过带通 滤波器选择最优的频率来组合精确恢复出物体的相位信息，但是，运种方法对于强吸收大 相位物体不能准确恢复相位。之后他又提出了一种迭代补偿的方法来恢复强吸收大相位 物体的相位信息（文献[3]C.Zuo，Q.Qien，L.Huang,andA.Asundi，叩basediscrepan巧 analysisandcompensationforfastFouriertransformbasedsolutionofthe transportofintensityequation. "Opt.Express22,17172-17186 (2014).)。另一方 面，为了减少采样面数，一些学者将等间隔采样发展到了非等间隔采样，在轻微离焦处采 样面密集一些，而大离焦下采样间隔逐渐增大，运样就能W较少的面数采集到更多信息。 此后，化laggis等人提出了最优采样间隔选择法来选择运些非等间隔的采样面位置（文 南犬[4]K.Falaggis，T.Kozacki，andM.Kujawinska，"Optimumplaneselectioncriteria forsingle-beamph曰seretriev曰1techniquesb曰sedonthecontrasttr曰nsfer 化nction."化t.Lett. 39, 30-33 (2014).)，但是该方法必须在已知采集的光强图像的信噪 比的前提下才能准确选择最优采样间隔，而运是在实际情况中很难预知的。由此可见，如何 实现精度又高速度又快的对强吸收大相位物体进行非干设定量相位成像仍然是非干设定 量相位成像中一项技术难题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于合成相位传递函数的非干设相位成像方法，既能 减少恢复相位所需的光强图像的数量，减少数据采集所需时间，又能准确恢复出物体的相 位分布，并且不论是弱吸收弱相位物体还是强吸收大相位物体，都能精确的重建物体的相 位信息。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于合成相位传递函数的非干设相位成 像方法，步骤如下：首先用相机拍摄一组物体沿光轴方向指数间隔分布的不同深度处的光 强图像；其次假设物体是弱吸收和弱相位的，根据合成相位传递函数求解初始相位图；最 后将初始相位图代入合成相位传递函数迭代补偿算法，求解出准确的相位图。
[0006] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)本发明采取沿光轴方向指数间隔的采 样方法拍摄光强图像，相比于传统的等间隔采样，运样能显著减少恢复相位所需的光强图 像的数量，减少数据采集所需时间，而且最小的离焦面距离是根据物镜数值孔径计算得出 的，保证了重建相位的精度不低于物镜的成像精度。（2)本发明根据非干设相位成像原理在 没有引入任何对于物体吸收与相位大小的假设前提下提出了相位重构迭代补偿算法，运样 不论是弱吸收弱相位物体还是强吸收大相位物体，都能精确的重建物体的相位信息。
[0007] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明基于合成相位传递函数的非干设相位成像方法的流程图。
[0009] 图2为对一个强吸收大相位的物体进行非干设相位成像的仿真实验结果示意图。 图2(a)是物体的真实相位图；图2(b)是物体聚焦时的光强图；图2(c)是使用最优频率选 择法从等间隔采样数据1中恢复的相位图；图2(d)是使用最优频率选择法从等间隔采样数 据2中恢复的相位图；图2(e)是使用最优频率选择法从等间隔采样数据3中恢复的相位 图；图2(f)是使用高斯回归法从指数间隔采样数据中恢复的相位图；图2(g)是使用合成 相位传递函数法未进行迭代补偿前的相位图；图2化）是W图2(f)中恢复的相位图为初始 值通过文献[3]中的补偿方法补偿误差后重构的相位图；图2(i)是使用合成相位传递函数 法进行迭代补偿后的相位图。
[0010] 图3为对SMCC-7721人体肝癌细胞样品进行非干设相位成像的实验结果示意图。 图3(a)是使用最优频率选择法从等间隔采样数据1中恢复的相位图；图3(b)是使用最优 频率选择法从等间隔采样数据2中恢复的相位图；图3(c)是使用最优频率选择法从等间隔 采样数据3中恢复的相位图；图3(d)是使用高斯回归法恢复并通过文献[3]中的补偿方法 补偿误差后重构的相位图；图3(e)是使用合成相位传递函数法经过迭代补偿的相位图。
【具体实施方式】
[0011] 结合图1，本发明首先利用相机拍摄一组物体沿光轴方向指数间隔分布的不同深 度处的光强图像，然后假设物体是弱吸收和弱相位的，根据合成相位传递函数求解初始相 位图，最后再将初始相位图代入合成相位传递函数迭代补偿算法，最终求解出准确的相位 图，具体实现步骤如下：
[0012] 步骤一：用相机拍摄一组物体沿光轴方向指数间隔分布的不同深度处的光强图 像。运些图像在光轴方向的位置分别为（0, ±Zi，+Z2, +Z3,…，±zj，其中0表示聚焦面 位置，其余的位置按照如下公式计算：
[0013]
[001引其中，α为设定的最小信噪比阔值参数，取值在0到1之间，本发明中取0 = ：^. ΝΑ为显微物镜的数值孔径，λ为实验中所用的照明光的中屯、波长，31为圆周率常数，arcsin( ·)为求反正弦的函数，zi为最小的离焦距离。β表示指数间隔分布的指数系数， Ζ。表示第η个面的离焦距离，η= 2,3，…，N，Z。l表示第n-l个面的离焦距离，N表示沿光 轴正方向离焦的总面数。
[0017] 步骤二：假设物体是弱吸收和弱相位的，根据合成相位传递函数求解初始相位图， 根据合成相位传递函数求解初始相位图的公式为：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[002引其中，fi，α=1，2，···，Ν+Ι)为一组空间频率，η表示第η个离焦面，Ν表示沿光 轴正方向离焦的总面数，U，V分别为频域中横纵方向的坐标，sin[ ·]为求正弦值的函数， 巧"7*./表示空间频率范围在[fwi，fJ之间的带通滤波器，0FQ；(u，v)为构造的合成相位传 递函数，如，V，:J为Zn位置处拍摄到的光强图像的频谱，/(W，r.-为-Zn位置处拍摄到的 光强图像的频谱，知vj为构造的合成相位频谱，I。为聚焦面的光强图像，F1{ ·}为求 逆傅立叶变换的函数，钱为求出的初始相位图。
[0023] 步骤Ξ:将初始相位图代入本发明提出的合成相位传递函数迭代补偿算法，求解 出准确的相位图，求解出准确