[發明專利]無透鏡疊層衍射圖像重構方法、系統、設備和存儲介質

有效

• 申請號: 202110553085.6
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113281979B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 張永兵;何超;季向陽
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: G03H1/04
• 分類號: G03H1/04;G03H1/08
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發明提供一種無透鏡疊層衍射圖像重構方法、系統、設備和存儲介質。其方法包括：S1.獲取空間光調制器的灰度?相位幅值曲線，以及系統的物理參數；S2.獲取目標圖案，并將所述目標圖案進行K?1次疊層平移獲得K張調制圖案；S3.將步驟S2獲得的K張調制圖案輸入至空間光調制器，并在傳感器平面對物體經過散射的衍射像進行強度采集以獲得衍射強度圖像序列﹛I¹，…Iⁱ，…I^K﹜；S4.將步驟S1獲得的灰度?相位幅值曲線、系統的物理參數以及步驟S3獲得的衍射強度圖像序列結合ePIE算法進行迭代重構，得到物體高分辨率的幅值和相位分布信息。該方法和系統無需機械掃描或更換介質就可以重構物體高分辨率的幅值和相位分布信息，且需要的圖像數量少，魯棒性高，靈活性強。

技術領域

本發明涉及無透鏡相干衍射成像(Lensless coherent diffrative imaging，LCDI)，特別是基于波前調制的疊層衍射圖像重構方法，尤其涉及一種無透鏡疊層衍射圖像重構方法、系統、計算機設備和計算機可讀存儲介質。

背景技術

無透鏡顯微技術(Lens-freeMicroscopy)是一種直接將樣品與電荷耦合元件(CCD)或互補金屬半導體氧化物芯片(CMOS)等光電傳感器緊密靠近，無需光學元件就可以直接對樣品成像的技術。在經典的無透鏡顯微系統中，主要組成部分有光源、樣品以及光電傳感器，因此，光電傳感器的分辨率大小將直接限制成像的分辨率。由于無透鏡顯微系統中沒有加入任一透鏡，就很好的解決了傳統的光學顯微成像需要在視場與分辨率之間折衷的問題，也可以很好地避免由于透鏡自身引起的像差問題。同時和價格昂貴，體量重大以及需要專業技術人員操作的傳統分析檢測儀器相比，無透鏡顯微技術原理簡單，價格低廉，方便攜帶，有助于檢測人員對物體進行實時觀察分析。但如果涉及到相干領域，為了恢復物體的相位信息，主流的GS或HIO算法對物體的孤立性以及光源的相干性有很高的要求。因此傳統的無透鏡相干衍射成像多在光源條件苛刻的X射線同步輻射平臺上實驗。

在1969年，Hoppe首次提出了疊層掃描成像(Ptychography)的概念，其目的是為了能夠確定性地解出復振幅物體的相位信息。疊層掃描相干衍射成像系統通過二維移動孔徑光闌或者樣品獲得多張對應于樣品不同部位的強度衍射圖。疊層成像通過記錄數據的高冗余度來提高相位恢復算法的收斂性和降低對實驗條件的要求。隨著重構算法的發展，疊層掃描成像質量得到了顯著地提升，應用范圍也不斷擴大。2004年Rodenburg等人提出一種疊層衍射成像算法(PtychographicIterativeEngine，PIE)，使用多張強度圖樣取代傳統單張強度圖樣，利用數據的冗余性大大降低LCDI對物體以及光源的嚴格限制，并且極大提高算法的收斂性。這種疊層掃描技術與波前調制技術，共同為無透鏡相干衍射成像在實驗室的可見激光條件下，對常見生物組織細胞物體實現顯微成像提供了可能。

現有主流實驗室內的無透鏡相干衍射成像技術，一般分為兩種，一種是無透鏡同軸全息成像技術，又稱片上全息。系統中物體和傳感器的距離非常接近，然后通過改變LED光源的波長，照射角度等方法采集多組數據，但這種基于干涉的方法不夠穩定和魯棒。另一種是基于散射介質的無透鏡成像系統，其在傳感器前面或者光源后面對波前進行隨機調制，使得物體信息得到更好的收斂。但這種方法往往需要多種不同的散射介質，并且對于未知的散射介質往往需要采集上千張圖片才能較好地重構物體。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出一種無透鏡疊層衍射圖像重構方法、系統、計算機設備和計算機可讀存儲介質，該方法和系統無需機械掃描或更換介質就可以重構物體高分辨率的幅值和相位分布信息，且需要的圖像數量少；另外，對參數誤差和空間光調制器本身的調制誤差具有魯棒性高，靈活性強的特點。