[發明專利]基于矩陣分解的無透鏡全息顯微散斑噪聲去除方法及裝置

有效

• 申請號: 201810368143.6
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108562541B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 曹汛;華夏;黃燁;楊程;閆鋒
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G03H1/04;G03H1/32
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

本發明公開了一種基于矩陣分解的無透鏡全息顯微散斑噪聲去除方法及裝置。去除方法的步驟如下：S1關閉光源，采集暗場圖像；S2打開光源，采集光源均勻照射下的明場圖像；S3，在傳感器上方放置含有微粒的溶液樣本，保證樣本到傳感器距離遠小于樣本到光源的距離；打開光源，采集樣本的全息圖像序列；S4對需要計算的任意一張全息圖像進行平場校正；S5對校正之后的全息圖像采用矩陣分解算法進行噪聲分離，將其分解成微粒的全息圖和背景噪聲兩部分；S6對計算出的全息圖像進行更進一步的圖像分析處理工作。本發明能去除掉散斑噪聲和樣本多次反射產生的干涉條紋噪聲，實現高精度的動態三維成像。

技術領域

本發明屬于無透鏡顯微領域，尤其涉及一種去除全息顯微成像中的散斑噪聲的方法及其裝置。

背景技術

大量的現有和新興的應用將受益于對于微粒運動的定位、表征或追蹤，如生物醫學、流體力學和軟物質領域中的膠體球、納米棒、蛋白質聚集體等的定位與追蹤，水質檢測中污染物的表征等。

先前的對于微粒的追蹤與表征等相關研究建立在標準的倒置光學顯微鏡上，用準直、衰減的HeNe激光器替代傳統的白熾照明器和聚光器。利用常規的目鏡來放大干涉圖案，然后用灰度攝像機記錄全息圖。然而，這種技術受到視場(FOV，field-of-view)和成像分辨率二者互相制衡的影響。標準的光學顯微鏡的高放大倍率代表了更小的視場，因而阻礙了其在需要大視野下定位、識別、追蹤多個微粒的情況下的應用。為了獲得高分辨率和大視場的圖像，需要機械掃描和拼接來擴大有限的視場，這不僅使成像過程復雜化，而且顯著增加了這些系統的總體成本。即使如此，時間分辨率仍然會受到影響。

無透鏡全息顯微鏡近年來已經成為新的成像技術。與基于透鏡的傳統全息顯微鏡相比，無透鏡全息顯微鏡直接采樣透過物體的光線，而無需在物體和傳感器平面之間使用任何成像透鏡，因此空間帶寬積與空間分辨率不再相關。具有單倍放大率(樣本與傳感器平面距離極小，幾乎不存在放大)的無透鏡全息顯微鏡具有與成像傳感器一致大小的視場，而不需要任何透鏡和其他中間光學元件。這進一步允許成像裝置的簡化，同時有效地避免了傳統的基于透鏡的成像系統中不可避免的光學像差和色散。此外，整個系統結構緊湊，成本效益高，為資源有限的環境中大視場下多微粒的同時定位和表征提供了一種可能的解決方案。

然而，先前的研究中，系統難以處理散斑噪聲和由于樣本內部的反射造成的周期性條紋干擾，在受到噪聲干擾影響下，只能實現對樣本的粗略成像。

發明內容

本發明的目的在于提供一種去除無透鏡全息顯微成像中的散斑噪聲的方法及其裝置，實現在寬視場下對樣本進行高精度動態三維成像。

本發明采用的技術方案為：

基于矩陣分解的無透鏡全息顯微散斑噪聲去除方法，步驟如下：

S1：關閉光源，采集暗場圖像；

S2：打開光源，采集光源均勻照射下的明場圖像；

S3：在傳感器上方放置含有微粒的溶液樣本，保證樣本到傳感器距離遠小于樣本到光源的距離；打開光源，采集樣本的全息圖像序列；

S4：對需要計算的任意一張全息圖像進行平場校正；平場校正的具體方法為：將步驟S1中采集的暗場圖像表示為I_d，將步驟S2中采集的明場圖像表示為I₀，將步驟S3中采集的全息圖像序列中需要計算的任意一張全息圖像表示為I，對圖像I進行平場校正后的圖像Ic表示為：

S5：對校正之后的全息圖像采用矩陣分解算法進行噪聲分離，將其分解成微粒的全息圖和背景噪聲兩部分；具體方法為：

首先，使用采集到的全息圖像序列建立數據矩陣D，其中每一列y_i對應一幀觀測樣本，將改矩陣分解為

D＝A+E