專利名稱：一種基于非均等采樣圖像序列的定量數(shù)字相襯成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字相位成像方法，尤其涉及一種基于非均等采樣圖像序列的定量數(shù)字相襯成像方法，具體地說，就是利用普通數(shù)字光學(xué)顯微鏡平臺上非均等間距采樣的多幅圖像，實(shí)現(xiàn)數(shù)字相位成像。本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)“等間距采樣”的限制條件，不需要增加復(fù)雜的光學(xué)部件，基于數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)相位成像。根據(jù)相位信息可以提高透明或半透明樣本成像的襯度，屬于顯微光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)研究中，很多待觀察樣本是相位樣本。光通過這類樣本以后，光的強(qiáng)度不發(fā)生顯著變化，而光的相位會發(fā)生偏移。普通透射顯微鏡無法清晰地觀察到樣本的結(jié)構(gòu)。相襯顯微鏡能夠把光通過相位樣本后光的相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息，從而方便觀察相位樣本的結(jié)構(gòu)信息，因此在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)和晶體學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 但是，相襯顯微鏡需要昂貴、復(fù)雜的光學(xué)部件，且不同倍數(shù)的物鏡需要不同相襯器件，調(diào)整困難；另外，利用相襯顯微鏡雖可以觀察相位樣本，卻不能直接從觀測樣本圖像定量地分析出相位信息。一種更好的方法就是把光通過相位樣本后相位的變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息來觀察相位樣本的結(jié)構(gòu)信息，這就是光學(xué)顯微鏡應(yīng)用中的相位恢復(fù)問題。定量相位恢復(fù)是數(shù)字顯微相襯成像的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)獲取方式，顯微相位恢復(fù)方法可以分為直接法和間接法。直接法是經(jīng)典的、傳統(tǒng)的相位恢復(fù)方法，如M.弗朗松著(張炳勛譯)“相襯顯微鏡與干涉顯微鏡”文中所介紹的澤爾尼克相襯法。直接法是在顯微鏡上安裝特定的光學(xué)部件，把相位樣本結(jié)構(gòu)所引起的相差信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度信息，直接顯示出來。該方法的缺點(diǎn)是這些光學(xué)部件昂貴、復(fù)雜，且不同倍數(shù)的物鏡需要不同相襯器件，調(diào)整困難；另外，直接法雖可以提供好的相位樣本的觀察圖像，但是不能直接地從觀測樣本圖像定量地分析出相位信息。隨著信息光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由光強(qiáng)度來恢復(fù)光相位的間接方法受到研究人員的重視，與直接相位恢復(fù)方法相比較，該類方法不需要復(fù)雜的光學(xué)部件，而且也不需要強(qiáng)的光源相干性。在定量顯微相位恢復(fù)及相襯成像領(lǐng)域，一般采用基于光強(qiáng)度傳播方程CTransport of Intensity Equation，簡稱TIE)的方法來恢復(fù)光的相位信息，如 C. J.，貝拉爾、C. L.柯爾、B. E.阿爾曼等所著的“定量相位幅值顯微鏡IV 厚樣本成像.”文中通過建立并求解光強(qiáng)度傳送方程恢復(fù)相位信息。TIE通過一個橢圓型偏微分方程建立了軸向強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)和光穿過樣本產(chǎn)生的相位變化之間的關(guān)系。其中，軸向?qū)?shù)估計的精度是決定恢復(fù)相位的精度的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在常用的數(shù)值方法如T.E.古熱逸夫，K. A.紐根特所著的“利用光強(qiáng)度傳播方程實(shí)現(xiàn)快速定量相位成像”文中所描述的離散的傅里葉分析方法或薛斌黨，鄭世玲，姜志國所著的“完全多重網(wǎng)格法求解光強(qiáng)度傳播方程的相位恢復(fù)方法”文中所描述的多重網(wǎng)格方法，在求解光強(qiáng)度傳輸方程時，均采用有限差分的方法估計強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)，及利用測量焦平面圖像的上下兩個錯焦平面的強(qiáng)度圖像的差值除以他們之間的距離得到強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)的估計值。這種方法的精度取決于錯焦圖像的錯焦距離和圖像的噪聲水平。一方面，從理論分析的觀點(diǎn)來看，選擇的錯焦距離越小，用這種方法估計的導(dǎo)數(shù)精度越高。另一方面，由于圖像中不可避免的存在測量噪聲，而錯焦距離越小，強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)精度受噪聲的影響越大，為了抑制噪聲，需要選擇比較大的錯焦距離。因此錯焦距離的選擇需要權(quán)衡兩方面的因素。M.索托，E.阿克斯塔和S.羅伊斯所著的“曲率傳感精度分析光強(qiáng)平面位置優(yōu)化”文中給出了一種計算最優(yōu)錯焦距離的方法，但是這種方法需要已知相位的部分信息，如相位二階導(dǎo)數(shù)的平均值等。D.帕蓋因，A.巴爾特，P. J.麥克馬洪和K. A.紐根特所著的“定量顯微相位-振幅成像技術(shù)III.噪聲效應(yīng)”文中提出用融合的方法即融合兩幅由比較大錯焦距離恢復(fù)的相位圖像和比較小的錯焦圖像恢復(fù)的相位圖像，實(shí)現(xiàn)抑制噪聲并提高相位恢復(fù)精度。但是，該方法的精度受錯焦距離和融合決策的影響較大。為了避免上述問題，可以測量多個錯焦面上的圖像來估計強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)。M.索托和E.阿克斯塔所著的“利用多平面上光強(qiáng)改進(jìn)相位成像精度”文中提出用多個等間距采樣錯焦圖像抑制噪聲的影響；L.沃勒，L 田和G.巴貝斯塔斯所著的“高階強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)的光強(qiáng)傳播相位-振幅成像”文中提出用多個等間距的錯焦圖像估計高階導(dǎo)數(shù)，抑制噪聲并提高相位恢復(fù)精度。但是，在上述工作中，用理想的等間距采用錯焦圖像并沒有考慮到測量的錯焦距離的誤差對最終導(dǎo)數(shù)估計的影響，并且“等間距采樣”的條件嚴(yán)格限制了其實(shí)用性。目前，國內(nèi)在顯微成像領(lǐng)域，薛斌黨和鄭世玲所發(fā)明的專利“一種定量數(shù)字顯微相襯成像方法”(專利號為ZL200910086592. 2)中利用焦平面上顯微樣本的圖像和上下錯焦平面上采集的顯微樣本圖像，實(shí)現(xiàn)定量相位恢復(fù)和顯微相襯成像。但是該專利技術(shù)只能適用于“等間距采用”的兩幅錯焦圖像。在國外，IATIA公司(www. iatia.org.au) 2002年推出了一個具有一定的定量相差分析功能的顯微成像系統(tǒng)，并申請了專利，如K. A.紐根特， D.帕蓋因，A.巴爾特.“輻射波場的相位測定”。但是，該系統(tǒng)仍然需要一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的相差管來獲取顯微圖像序列，而且也只能適用于“等間距采用”的兩幅錯焦圖像；另外，該系統(tǒng)求解光強(qiáng)度傳送方程時需要做嚴(yán)格的先驗(yàn)假設(shè)條件，定量相位恢復(fù)算法對噪聲魯棒性比較差。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種基于非均等采樣圖像序列的定量數(shù)字相襯成像方法。它克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，對錯焦距離誤差的魯棒性高，且不需要特殊光學(xué)部件的定量顯微相襯成像技術(shù)，在普通光學(xué)明場透射光學(xué)顯微鏡平臺上，通過本發(fā)明的軸向?qū)?shù)估計方法和相位恢復(fù)解法，快速實(shí)現(xiàn)定量相位成像。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種基于非均等采樣圖像序列的定量數(shù)字相襯成像方法，該方法的具體步驟如下步驟一光強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集；在普通光學(xué)明場透射光學(xué)顯微鏡平臺上，對厚度小于顯微鏡物鏡景深的樣本成像，采集焦平面和正負(fù)錯焦平面上的多幅強(qiáng)度圖像。焦平面的圖像可以通過自動聚焦算法實(shí)現(xiàn)，錯焦圖像的記錄通過載物臺的移動實(shí)現(xiàn)，同時需要記錄所有強(qiáng)度圖像的錯焦距離。這里定義Itl表示焦平面的圖像，\，111= 1,2,..表示錯焦平面上的圖像，^表示錯焦距離。 本發(fā)明方法中，圖像序列可以采用非均等采樣方法獲取。步驟二 估計軸向光強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)；在顯微鏡中，假設(shè)樣本處于空間坐標(biāo)系(r，z)中，其中r= (x,y)是平面χ-y上的矢量，垂直于光軸Z。那么軸向光強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式可以寫成a/z(r)/&，而在焦平面上光強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)則可以表示成3/。(r) = a/z(r)/&|z=。。為了提高相位恢復(fù)精度，本發(fā)明設(shè)計了一種用多個非均等間隔采樣的光強(qiáng)度估計高階強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)方法。具體敘述如下首先，將焦平面Zm上的光強(qiáng)度Iz(r)在Z = 0即焦平面處做Taylor級數(shù)展開
權(quán)利要求
1. 一種基于非均等采樣圖像序列的定量數(shù)字相襯成像方法，它是在普通數(shù)字光學(xué)顯微鏡平臺和普通個人用計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一光強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集；在普通光學(xué)明場透射光學(xué)顯微鏡平臺上，對厚度小于顯微鏡物鏡景深的樣本成像，采集焦平面和正負(fù)錯焦平面上的多幅強(qiáng)度圖像；焦平面的圖像通過自動聚焦算法實(shí)現(xiàn)，錯焦圖像的記錄通過載物臺的移動實(shí)現(xiàn)，同時需要記錄所有強(qiáng)度圖像的錯焦距離；這里定義Itl 表示焦平面的圖像，\，111= 1，2，..表示錯焦平面上的圖像，^表示錯焦距離；這里，圖像序列采用非均等采樣方法獲取；步驟二 估計軸向光強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)；在顯微鏡中，假設(shè)樣本處于空間坐標(biāo)系(r，ζ)中，其中r = (χ, y)是平面x-y上的矢量，垂直于光軸Z ；那么軸向光強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式寫成S/z(r)/&，而在焦平面上光強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)則表示成
全文摘要
一種基于非均等采樣圖像序列的定量數(shù)字相襯成像方法，它是在普通數(shù)字光學(xué)顯微鏡平臺和普通個人用計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。該方法有四大步驟步驟一光強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集；步驟二估計軸向強(qiáng)度導(dǎo)數(shù)；步驟三用快速傅里葉變換方法求解光強(qiáng)傳播方程；步驟四定量相位成像。本發(fā)明不需要增加復(fù)雜的光學(xué)部件，基于多個非均等采樣的錯焦強(qiáng)度和相位恢復(fù)數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)相位成像。本方法考慮到了錯焦距離的誤差對相位恢復(fù)精度的影響，便于實(shí)際應(yīng)用。它可以用于提高透明或半透明相位樣本成像的襯度，快速實(shí)現(xiàn)定量顯微相襯成像和定量相位分析。本發(fā)明還適用于其他模態(tài)的顯微成像系統(tǒng)，它在顯微光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。
文檔編號G02B21/00GK102313983SQ20111025872
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者薛斌黨, 鄭世玲 申請人:北京航空航天大學(xué)