一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法，屬于光學層析成像領域，可以實時地解決傳統(tǒng)光學掃描技術中重建的截面圖像伴有較大的離焦噪聲的缺陷。本發(fā)明利用光學加密技術中的隨機相位編碼技術，將傳統(tǒng)光學掃描全息系統(tǒng)中的某一路光瞳函數(shù)換成隨機型相位光瞳函數(shù)，把離焦層圖像的重建等效為在錯誤解密秘鑰情況下的解密，這樣重建的截面圖像上疊加的離焦層圖像是統(tǒng)計獨立的高斯白噪聲，從而大大減小了離焦噪聲對聚焦層圖像的影響。同時還可以通過設計一個高斯型濾波器來濾除離焦噪聲，以此來提高系統(tǒng)的縱向分辨率。另外，采用本發(fā)明方法的系統(tǒng)其光學傳遞函數(shù)的帶寬更寬，所重建的截面圖像橫向分辨率更高。
【專利說明】一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學層析成像領域，具體說是一種光學掃描全息層析成像方法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的光學層析成像技術主要采用的是逐層多次掃描記錄方式，因此要花費很多 時間在不同軸向位置層面的掃描上。P〇〇n提出了一種非常規(guī)的數(shù)字全息術--光學掃描全 息術（T. -C. Poon, "Scanning holography and two-dimensional image processing by acousto-optic tw〇-pupil synthesis,，' J. Opt. Soc. Am. A 2, 621 - 627, 1985) 〇 該 技術在采集速度方面具有很大優(yōu)勢，僅用單次二維光學外差掃描就可以獲取到整個三維物 體的數(shù)據(jù)信息，通過這些數(shù)據(jù)可以重建不同軸向位置的截面圖像。從已有的研究可以看出， 光學掃描全息技術是目前最具潛力的層析技術之一，有望成為熒光顯微層析成像的主流技 術。
[0003] 圖1為Poon等人所提出的傳統(tǒng)光學掃描全息成像系統(tǒng)原理圖，通過將兩路光波疊 加形成的衍射圖樣(菲涅爾波帶板）來掃描三維物體。理論分析表明，該掃描記錄過程可等 效為掃描光場與被掃描物體光透過率函數(shù)的卷積運算過程，系統(tǒng)的輸出是復數(shù)全息圖的形 式。在該系統(tǒng)中，三維物體截面圖像的重建是通過所記錄的全息圖與聚焦層的脈沖響應的 共軛相卷積得到的，這樣處理會導致離焦層截面圖像以模糊圖像的形式(離焦噪聲）疊加在 重建的聚焦層截面圖像上，從而使得該系統(tǒng)的縱向分辨率較低。由于這類模糊圖像與所對 應的離焦層圖像存在一定的關系，不同的離焦層表現(xiàn)的離焦噪聲不一樣，因此沒有確定的 規(guī)律，不具有統(tǒng)計特性。目前這類噪聲都是通過后處理方式來濾除，即通過先驗知識進行預 測，然后建立噪聲模型進行濾除。這些方法都比較復雜，計算工作量大且效果有限。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了減小傳統(tǒng)光學掃描全息系統(tǒng)中離焦噪聲對聚焦層圖像的干擾，改善層析效 果，提高系統(tǒng)的分辨率，本發(fā)明提出了一種可以改善光學掃描全息層析成像效果的方法。
[0005] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖和傳統(tǒng)光學掃描全息系統(tǒng)的一樣，不同的只 是光瞳函數(shù)的選取。在本發(fā)明中，將傳統(tǒng)光學掃描全息系統(tǒng)中的光瞳函數(shù)
【權(quán)利要求】
1. 一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 將待測三維物體置于距離透鏡L1后焦平面Z的位置處，記錄編碼階段的復數(shù)全息 圖/; (2) 將一點元物體(針孔）置于距離透鏡L1后焦平面zd的位置處，同時還要按一定規(guī) 則調(diào)整光瞳函數(shù)，記錄解碼階段的復數(shù)全息圖
(3) 通過將編碼階段和解碼階段所記錄的全息圖
和·
|在計算機 上做卷積運算，可以得到重建截面圖像信息
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法，其特征在于， 所述步驟（1)的具體實現(xiàn)過程如下： (la) 頻率為叫的光束通過分光鏡后分成兩路光波，其中一路經(jīng)過聲光移頻器調(diào)制，
使得兩路光波呈現(xiàn)頻率差
，接著這兩路光波分別通過編碼光瞳
和， 兩 個光瞳均放置在透鏡L1的前焦平面上； (lb) 兩路光波經(jīng)合束鏡合束后，再通過透鏡L1匯聚到x-y型兩軸電動旋轉(zhuǎn)臺上的反 射鏡，通過運動控制器來控制光束對三維物體進行逐點掃描，通過理論分析可知，該掃描過 程可等效于卷積運算的過程，且光電探測器輸出的電流信號Ml，)就是掃描光場與物體透 射率函數(shù)卷積的結(jié)果，其中，系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)可表示為
式中的表示復共軛，知為波數(shù),/為透鏡L1的焦距，^和&為空間頻率，z為待測 三維物體到透鏡L1后焦平面的距離； (lc) 輸出電流包含了直流成分和頻率為Δν的交流成分，經(jīng)過中心頻率為Δν 的帶通濾波器（BPF)，濾除直流成分及高頻干擾成分后，得到外差交流信號
(ld) k 分兩路分別與相互正交的兩路單頻信號cos (Λ叫和sin 混 頻，通過低通濾波器（LPF)提取出同相分量和正交分量并作為復數(shù) 全息圖的實部和虛部分別存儲到計算機上，最終在計算機中構(gòu)建的復數(shù)全息圖為
，該復數(shù)全息圖記錄了被掃描三維物體的相位信息，可表示為
(2) 式中的" "和" "分別表示傅里葉及逆傅里葉運算符，&為三維物體某層截面圖像 到透鏡L1后焦平面的距離，表示的是各層截面圖像的透過率函數(shù)；編碼階段采 用的是光瞳函數(shù)為= exp[j2;^(xj)]和?〇^)= 1的光瞳，其中是在區(qū)間 [〇, 1]上服從均勻概率分布的隨機變量；將各參量分別代入（1)、（2)式，則可以得到編碼階 段計算機記錄的復數(shù)全息圖為
其中4表示.?的傅里葉變換。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法，其特征在于， 所述步驟（2)的具體實現(xiàn)如下： (2a)調(diào)整系統(tǒng)的光瞳函數(shù)，4
，而則根據(jù)Gerchberg-Saxton相位迭代恢 復算法確定，然后重復上述編碼階段步驟，只是將三維物體更換為一個點元物體(針孔)，并 記錄所掃描點元物體相應的全息圖，稱為解碼階段的復數(shù)全息圖
(4) 式中4表示點元物體所在位置，
表示的是
的傅里葉變換；
的取值范圍對應于 上述編碼階段所掃描三維物體的各層截面所在位置，以便通過改5
的取值來重建三維物 體的各層截面圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法，其特征在于， 所述的步驟（2)可以預先完成，即在實際應用中，為了盡量滿足實時性的要求，可以事先得 到所有可能取值處對應的解碼階段復數(shù)全息圖，即通過不斷改變點物的擺放位置，重復上 述步驟得到（4)式，來記錄不同軸向位置處的解碼復數(shù)全息圖，并保存到計算機中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善光學掃描全息層析成像效果的方法，其特征在于， 所述的步驟（3)重建得到截面圖像信息爐_可表示為
對于A = ~的截面層(稱為聚焦層)，如果光瞳函數(shù)滿足下面條件：
(6) 則該層截面圖像
將能完全再現(xiàn)；而對于
的那些截面層(稱為離焦 層)，這些離焦層圖像以隨機散斑的形式出現(xiàn)在聚焦層，并且隨著
|的增大，離焦層圖 像變成分布較均勻的背景噪聲
越大，離焦層圖像對聚焦層圖像的干擾越小，最終 越容易被濾除。
【文檔編號】H04N13/00GK104159094SQ201410325966
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】周昕, 王運, 呼有軍 申請人:四川大學