一种用于计算成像的强度背景光抑制方法

1.本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种用于计算成像的强度 背景光抑制方法。


背景技术：

2.非干涉相位恢复是一种广泛应用的计算成像技术，它大大简化了传统 光学成像系统的硬件要求，降低了固有像差的影响。迭代相位恢复作为非 干涉pr的方法之一，允许从一系列采集的图像重建所需的场。
3.如公开号为cn105403508a的中国专利文献公开了一种基于合成相 位传递函数的非干涉相位成像方法，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，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。
4.公开号为cn112629678a的中国专利文献公开了一种通用形状无衍 射迭代计算的快速相位恢复方法，该方法通过将待测波前使用数值正交多 项式模式分解，然后对每一项数值正交多项式基于快速傅里叶变换计算衍 射基函数，然后在衍射面之间利用矩阵运算迭代求解系数梯度，实现了高 速通用形状的波前检测。
5.高灵活性和高通用性使迭代pr成为一种易于访问和易于部署的工具， 特别适合波前传感、超分辨率显微镜和定量相位成像的研究和诊断。迭代 pr使用前向和后向傅里叶变换建立反演场和测量强度场之间的关系，通 常涉及在实验模型参数约束下从相应强度分布估计复杂分布。迭代pr是 光学中的一个反问题，可能存在非唯一性。多图像pr最好能消除局部最 小停滞。
6.pr方法的性能从根本上取决于记录强度数据的质量以及数值pr模 型与实际实验系统之间的匹配精度。放松的支撑约束也会影响重建精度。 采集到的具有较低背景和噪声水平的强度图像是高精度迭代pr方法的必 要条件。在pr模型中，主要的噪声源是相机噪声，包括暗散粒噪声、读 取噪声和光子散粒噪声。服从泊松统计的暗散粒噪声与信号电平无关，但 与传感器的温度有关；读取噪声是相机的固定噪声；光子散粒噪声随强度 变化服从泊松分布。此外，背景的影响也不容忽视。光学车间的环境光会 导致记录图像的背景不均匀。
7.当前研究者们更加关注噪声的去除而忽视了背景光的抑制，背景光抑 制的好坏将直接影响相位恢复波前检测的精度。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于计算成像的强度背景光 抑制方法，通过数学建模获取光斑之外的支持域，并基于多项式实现背景 光抑制与移除，简化了计算成像图像采集流程，拓展了计算成像的应用范 围，提高了波前重建的精度。
9.一种用于计算成像的强度背景光抑制方法，应用于光强图采集的场景， 在激光器
的出射光路上依次布置有扩束器、待测平板、会聚透镜、图像传 感器，包括以下步骤：
10.s1：移动图像传感器，在不同的离焦距离采集n幅含有待测平板波前 误差的离焦衍射光斑；
11.s2：分别设置会聚透镜的焦距s、口径d、每一幅离焦衍射光斑的离 焦位置zj，设置测量面初始的复振幅为全一矩阵；
12.s3：设置图像传感器的像素大小dn及像素数m0×
n0，对每一幅离焦衍 射光斑，获取有效离焦衍射光斑的中心位置(xj,yj)及维度为m
×
m的离 焦衍射光斑；
13.s4：基于标量衍射理论，根据成像系统参数，将测量面初始的复振幅 衍射计算到各个离焦面，获得每个离焦面的估计光斑对估计光斑进 行二值化，得到二值掩膜版mj；
14.s5：对于每幅有效离焦衍射光斑粗糙去除背景光，即冗余光强的 平均值，公式为
[0015][0016]
其中，aj为冗余光强的平均值；
[0017]
s6:利用s5处理后的有效离焦衍射光斑使用相位恢复算法重建待 测波前；
[0018]
s7:基于s6重建的待测波前，计算对应的离焦衍射光斑，并使用s4 所述方法计算得到对应的掩膜版m'j，利用该掩膜版m'j对多项式处理计 算得到nz项数值多项式
[0019]
s8：利用s7计算得到的掩模版m'j提取冗余光强，公式为：
[0020][0021]
利用s7所述的数值多项式拟合冗余光强，得到拟合系数，公式为：
[0022][0023]
s9：计算背景光强度sj，先使用s8计算的前项系数结合泽尼克多 项式zi(u,v)叠加，其余系数与数值多项式叠加；
[0024]
s10：移除背景光强度sj，公式为：
[0025][0026]
s11：利用相位恢复算法重建待测波前。
[0027]
进一步地，步骤s3中，基于质心法计算有效离焦衍射光斑的中心 位置(xj,yj)及维度为m
×
m的离焦衍射光斑。
[0028]
步骤s4中，对估计光斑进行二值化的公式为：
[0029][0030]
其中，σ1是经验值，j是第j幅离焦衍射光斑的索引。
[0031]
步骤s5中，冗余光强的平均值通过以下公式计算：
[0032][0033]
式中，n和m代表多项式的级次。
[0034]
步骤s6和s11中，所述的相位恢复算法为gs算法。
[0035]
步骤s7中，利用该掩膜版m'j对多项式处理计算得到nz项数值多项 式的公式为：
[0036][0037]
其中，zi(u,v)为泽尼克多项式，被应用于计算数值多项式，i是多项 式的索引。
[0038]
步骤s8中，所述计算系数的方法为最小二乘法。
[0039]
步骤s9中，计算背景光强度sj的公式为：
[0040][0041]
式中，ci为数值多项式拟合冗余光强后，得到的系数。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0043]
本发明通过多项式拟合移除衍射光斑的背景光，一是可以用数值多项 式对非均匀背景进行矫正；另一种是根据自然光波前平滑的事实，利用一 些多项式预测光强有效部分的背景。在图像重建过程中，可以迭代地执行 背景矫正方法，以增强去除背景的效果。
附图说明
[0044]
图1为本发明实施例中一种用于计算成像的强度背景光抑制方法的装 置示意图；
[0045]
图2为本发明一种用于计算成像的强度背景光抑制方法的流程图；
[0046]
图3为实施例中本发明所提方法与平均值剔除方法的恢复结果图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是， 以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0048]
如图1所示，作为一种光强图采集实例，在激光器1的出射光路上依 次布置有扩束器2、待测平板3、会聚透镜4、图像传感器5，图像传感器 5固定在精密导轨6上。
[0049]
如图2所示，一种用于计算成像的强度背景光抑制方法，包括以下步 骤：
[0050]
s1：移动图像传感器，在不同的离焦距离采集n幅含有待测平板波前 误差的离焦衍射光斑。
[0051]
s2：分别设置所述会聚透镜的焦距s、口径d、每一幅离焦衍射光斑 的离焦位置zk，设置测量面初始的复振幅为全一矩阵。
[0052]
s3：设置图像传感器像素大小dn及像素数m0×
n0，对每一幅离焦衍射 光斑，获取有效离焦衍射光斑的中心位置(xj,yj)及维度为m
×
m的离焦 衍射光斑。
[0053]
s4：基于标量衍射理论，根据成像系统参数，将测量面初始的复振幅 衍射计算到各个离焦面，获得每个离焦面的估计光斑对估计的光斑 进行二值化，得到二值掩膜版
[0054][0055]
其中，σ1是经验值，j是第j幅离焦衍射光斑的索引；
[0056]
s5：对于每幅有效离焦衍射光斑粗糙去除背景光，即冗余光强的 平均值
[0057][0058]
其中，冗余光强的平均值通过以下公式计算：
[0059][0060]
s6:利用s5处理的离焦衍射光斑使用相位恢复算法重建待测波前；
[0061]
s7:基于s6重建的待测波前，计算对应的离焦衍射光斑，并使用s4 所述方法计算对应的掩膜版m'j，利用该掩膜版m'j对多项式处理计算得 到nz项数值多项式
[0062][0063]
其中，泽尼克多项式zi(u,v)被应用于计算数值多项式，i是多项式的 索引。
[0064]
s8：利用s7所述的掩模版m'j提取冗余光强，
[0065][0066]
利用s6所述的数值多项式拟合冗余光强，得到系数；
[0067][0068]
s9：背景光强度计算先使用s8计算的前项系数结合多项式叠加， 其余系数与数值多项式叠加
[0069][0070]
s10：背景光被移除
[0071][0072]
s11：利用相位恢复算法重建待测波前。
[0073]
考虑到计算速度以及计算精确性s3所述的中心位置计算方法和有效 光斑区域确定为基于质心法计算。
[0074]
考虑到波前重建的速度及精度要求，s6和s11所述的相位恢复算法 为gs算法。
[0075]
为了考虑考虑多项式与像差对应关系以及多项式正交性，s7和s9所 述的多项式为泽尼克多项式。
[0076]
考虑到多项式拟合精度，s8所述的计算系数方法为最小二乘法。
[0077]
下面给出本发明的方法的一个具体实施例，对本发明方法的技术效果 进行说明。
[0078]
这里焦距选择s＝1079
.
41mm，z1,z2,z3＝[-10,-15,-20]mm，口径d＝22
.
9mm， 波前检测的迭代总数n＝5000，泽尼克多项式数量nz＝50，有效光 斑采样数为1024
×
1024。
[0079]
采集三幅离焦衍射图像进行波前的相位和振幅重建，三幅离焦衍射光 斑中添加非均匀背景光，选用的衍射计算模型为菲涅尔衍射模型，图3为 本发明所提方法与平均值剔除方法的恢复结果图。其中，(a)和(d)为 本发明所提方法的恢复的相位和振幅，(b)和(e)为平均值剔除方法恢 复的相位和振幅，(c)和(f)为真实图的相位和振幅。从图中可以看出本 文提出的方法相比于传统方法更加有效。
[0080]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明， 应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡 在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本 发明的保护范围之内。