[发明专利]基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法

说明书

本发明是201410320944.7专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于成像技术领域，特别涉及一种光学成像方法，可用于光学超分辨率成像。

背景技术

传统光学成像的分辨率受衍射极限限制，在可见光范围内难以测量小于200nm的距离，因此突破光学系统衍射极限成像的研究极其迫切。

目前，围绕近场和远场超衍射极限成像的研究，已取得令人瞩目的进展。近场超衍射极限成像方法主要采用纳米探针、等离子超级材料以及负折射率材料制备的完美透镜等对倏逝波进行探测，其分辨率不受瑞利判据的限制。但由于纳米探针、等离子超级材料、负折射率材料的制备需满足很苛刻的条件，工艺极其复杂，且技术还不够成熟，导致其扫描探针易对样品造成损伤，且不利于对活体组织进行观测。

而远场超衍射极限成像方法，如受激发射损耗显微技术、随机光学重建显微技术和光敏定位显微技术等，它们通过探测受激荧光分子的荧光信号分布获取样品的空间信息，可探测样品内部，目前可达20～50nm，而极限条件下可达5.8nm的分辨率。但由于其达到的空间分辨率是以严重牺牲时间分辨率为代价的，导致成像过程复杂、耗时长，难以实现实时观测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，以精简材料制备工艺、简化成像过程、提高成像分辨率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术思路是：采用结构光作为成像光源，照明观测目标，借助随机散射介质得到图像，并将其传输至主控计算机中，通过计算成像方法重建出最终的观测目标，获得高质量的超分辨率图像。

二.基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统，包括光学子装置和超衍射极限成像装置，其中：

所述光学子装置，包括光源、两个孔径光阑、扩束器、空间光调制器、四个透镜、λ/4波片、三个反射镜和挡光板；光源发射的光束依次经过第一孔径光阑、扩束器、第一反射镜后照明到空间光调制器上，产生0级光、+1级光和-1级光，这三级光通过第一透镜被平行分开，经λ/4波片得到圆偏振光，再依次通过第二反射镜和第二透镜、第二光阑和第三透镜进行扩束，并借助挡光板挡掉中间的0级光，保留+1级光和-1级光，再经第三反射镜后通过第四透镜，使得+1级光和-1级光在焦平面上发生干涉，产生结构光以照亮观测目标；

所述超衍射极限成像装置，包括三个透镜、第三孔径光阑、随机散射介质、CCD相机；经照亮的观测目标依次经过第五透镜、第三孔径光阑和第六透镜减小整个光束的直径，使光束在随机散射介质中发生强散射，再经第七透镜进行光束能量会聚后，由CCD相机接收图像。

三.基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，包括如下步骤：

(1)对CCD相机采集到的原始图像进行图像亮度均一化处理，以消除由光源波动对图像亮度的影响；

(2)对图像亮度均一化处理后的图像进行傅立叶变换操作，获得对应的频谱；

(3)通过控制空间光调制器在0°、45°、90°和135°每个方向上输入三个不同的相位值，组成3×3线性方程组并求解，以分离出每个方向上的0级、+1级和-1级频谱成像信息；

(4)由四个方向上分离出的0级、+1级和-1级频谱成像信息的重叠区域，得到四组结构光照明的频率分量k_i，i∈{0°,45°,90°,135°}；

(5)利用余弦函数的傅里叶变换特性，将得到的四组结构光照明的频率分量k_i进行频率拼接，得到扩展频谱k₀±k_i，其中k₀为原始频率分量；

(6)利用角谱理论在频率域内获取随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m；

(7)根据结构光照明扩展的频谱k₀±k_i和随机散射介质的传输矩阵数据立方体E_m，通过成像图像重建ASCIRA算法重建出观测目标图像。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明依据超衍射极限成像和结构光照明成像的原理，设计了基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像系统，与现有光学系统相比，材料制备工艺简单，系统结构易实现，成像分辨率明显提高。

2)本发明利用角谱理论，设计基于结构光照的随机散射光学超衍射极限成像方法，与现有成像方法相比，既滤掉了杂散光又保留了观测目标的高频信息，且有效的缩减了成像时间，提高了成像分辨率。