专利名称：一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法
技术领域：
本发明属于光学扫描领域，具体的说，涉及一种基于两次扫描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0SH，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《OpticalScanning 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 reconstructionusing 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I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 witha 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，提出一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，通过两次扫描，为切片成像这一不适定逆问题引入更多的线性方程组，从而实现高分辨率的切片成像。本发明采用的技术方案如下
一种基于两次扫描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，将该两束光分别经过处理后再通过第二偏振分束器聚光，聚合后的光在待测物体上产生干涉形成菲涅尔波带板；
(2)利用二维扫描镜控制该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Vf的第一矩阵方程；(3)将待测物体向二维扫描镜的方向移动距离Δζ，对该待测物体进行第二次二维扫描，得到包含切片信息P的第二矩阵方程；
(4)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化线性方程，并且根据共轭梯度算法，求解出切片信息Ψ。其中，所述步骤(I)中形成菲涅尔波带板的具体步骤如下
(Ia)通过第一偏振分束器将光分成两束；
(Ib) —束光通过第一光瞳形成平面波,另一束光通过第二光瞳形成球面波；
(Ic)平面波与球面波通过第二偏振分束器聚合，在待测物体上产生干涉形成时变的菲 涅尔波带板，该菲涅尔波带板的值为
h (X, z) = -J(x2 +y))( I )
2m Iz
其中4 X z为该物体的空间坐标，k为光的波数。为了得到第一矩阵方程，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Z1和Z2,因此得到第一矩阵方程的具体实现方式如下
(2a)将该待测物体进行第一次二维扫描，并得到二维全息图
SlsXf) = IiP(XlJjZ1)Ij*h(x,y,z2)(2)
其中复函数炉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4处的值分别转换为矩阵Ab)和gog ；
(2c)将二维全息图与矩阵Afe7)和H人Z2)结合起来得到第一矩阵方程
r厂 ψ、
G1 =+ H1 ( ) +5=(^1( ) H1 ( )]. . +' = H,+ nI ⑶
L%_
其中为高斯白噪声，该高斯白噪声是长度为#的一维矢量矩阵。为了得到第二矩阵方程，所述步骤(3)中得到第二矩阵方程的具体实现方法如下
(3a)将该待测物体向二维扫描镜的方向移动距离ΛΖ，因此两个切片的新轴向位置
为
Σ\%= Zi-hz⑷
Zl1 = Zi- Δζ ;(5)
(3b)按照第一次二维扫描得到第一矩阵方程的方法得到第二矩阵方程
I·「,, -T U/λ
G2 = H2(Z1 )ψχ + H2(ζ^)ψ2 + n2 = H2(Z1) H-Xz2) . +n2 = Η2ψ+η2 (6)
.+ *L *L%」* * Λ
其中n2为高斯白噪声，该高斯白噪声是长度为N2的一维矢量矩阵。进一步的，求解出切片信息P的方法如下
(4a)将第一矩阵方程和第二矩阵方程整合，得到
权利要求
1.一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，其特征在于，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，将该两束光分别经过处理后再通过第二偏振分束器聚光，聚合后的光在待测物体上产生干涉形成菲涅尔波带板； (2)利用二维扫描镜控制该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，得到包含切片信息妒的第一矩阵方程； (3)将待测物体向二维扫描镜的方向移动距离ilz，对该待测物体进行第二次二维扫描，得到包含切片信息妒的第二矩阵方程； (4)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化线性方程，并且根据共轭梯度算法，求解出切片信息W。
2.根据权利要求I所述的一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，其特征在于，所述步骤(I)中形成菲涅尔波带板的具体步骤如下 (Ia)通过第一偏振分束器将光分成两束； (Ib) —束光通过第一光瞳形成平面波,另一束光通过第二光瞳形成球面波； (Ic)平面波与球面波通过第二偏振分束器聚合，在待测物体上产生干涉形成时变的菲涅尔波带板，该菲涅尔波带板的值为 其中4 X ^为该物体的空间坐标，k为光的波数。
3.根据权利要求I所述的一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，其特征在于，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Z1和&，因此得到第一矩阵方程的具体实现方式如下 (2a)将该待测物体进行第一次二维扫描，并得到二维全息图 )(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4处的值分别转换为矩阵Ab)和gog ； (2c)将二维全息图与矩阵Afe7)和H人Z2)结合起来得到第一矩阵方程其中为高斯白噪声，该高斯白噪声是长度为#的一维矢量矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中得到第二矩阵方程的具体实现方法如下 (3a)将该待测物体向二维扫描镜的方向移动距离Az，因此两个切片的新轴向位置为
5.根据权利要求I 4任意一项所述的一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，其特征在于，求解出切片信息W的方法如下 (4a)将第一矩阵方程和第二矩阵方程整合，得到
6.(4b)将所述矩阵方程(7)转化为最小化线性方程
全文摘要
本发明公开了一种基于两次扫描的高分辨率光学扫描全息切片成像方法，属于光学扫描领域，主要解决了现有技术中对任意二维切片的图像重构时存在较大离焦噪声的缺陷。本发明在二维扫描镜上对该物体进行第一次二维扫描，得到包含切片信息的第一矩阵方程后将该物体向二维扫描镜的方向移动距离，对该物体进行第二次扫描，得到包含切片信息的第二矩阵方程；然后将第一矩阵方程和第二矩阵方程整合为一个最小化线性方程，将该线性问题的求解转化为最小化问题，通过引入共轭梯度算法，实现切片成像。通过上述方案，本发明实现了高精度的切片成像，并且大大减少了离焦噪声，适用于各个领域。
文档编号A61B5/00GK102805613SQ20121028609
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者欧海燕, 王秉中 申请人:电子科技大学