[发明专利]一种基于傅里叶功率谱探测的单像素相位成像方法

说明书

本发明公开了一种基于傅里叶功率谱探测的单像素相位成像方法，属于相位成像领域：使用部分随机哈达玛矩阵作为测量矩阵；使用LED阵列(1)照明，输入哈达玛矩阵控制其阵点的发光顺序；利用光学傅里叶透镜(4)形成频谱面(5)，由单个光信号探测器(6)测量中央的复合功率信号，利用非对称蒙版消除重影噪声；使用频域压缩感知重建算法与相位恢复算法联合恢复样本的相位信息。本发明使用Fourier ptychography理论作为基础，应用压缩感知理论作为减少采样数据量的方法，能以低采样率采样，显著降低了数据量的同时，获得良好的相位信息，且不会出现halo效应。

技术领域

本发明涉及相位成像领域，特别涉及一种基于傅里叶功率谱探测的单像素相位成像方法。

背景技术

相位成像技术是在生物学、晶体学中有重要应用的技术。该技术指代一系列获取目标物体相位信息的 物理学方法。在生物成像领域，常用于获取未染色样本的结构信息。而在晶体学领域，则常用于X射线探 测金属裂纹、硬X射线检测等方向。目前广泛应用的是1935年Zernike提出的相衬方法，虽有大量的改进， 仍有如下的问题未能解决：

1)Zernike提出的相衬成像方法仍存在着halo效应与shade-off效应等问题，对于样本的观测效果不够 良好，目前的改进都未能完全消除这些效应。

2)目前成像领域需要采集的数据量仍然十分巨大，降低采样数据量仍旧是一种需求。

Fourier ptychographic microscopy(FPM)是一种基于显微平台的图像超分辨重建的方法，可以有效的克 服空间带宽积(space bandwidth product)受限的问题。常见的光学成像平台都会受到空间带宽积的限制，即 如果我们观察的视野范围比较广，那么观测物体的放大倍率就会偏小；反之，如果我们观测物体的放大倍 率比较大，那么视野的范围就会缩小。而FPM方法很好地解决了这一问题，让我们能够获取广视野、高 分辨率的图像，由此，突破了光学成像系统的物理极限。其理论的核心在于使用多角度照明，使得显微镜孔径上的空间频谱发生移动，获得的一系列不同频谱所对应的图像，利用由相位恢复算法衍生的FPM算 法，迭代不同频谱下的图像，进而重建频谱。其主要的实现方式便是使用LED作为光源，并利用FPM算 法进行高分辨恢复。

单像素成像技术是一种基于压缩感知原理的成像技术，通过对测量的信号进行编码测量，可以使用单 个光子探测器件获取信息流，最后使用重建算法重建原始信号。最初由Rice大学的实验组率先完成了实验。 在它们的整套系统中，被拍摄物体的图像经过镜头成像在DMD上，而经过DMD反射的图像又经过二次 镜头聚焦在只有一个像素的传感器上，形成光信号。而在拍摄过程中，DMD上每个镜片反射的明暗矩阵 以伪随机码的形式快速变换，每变化一次形成一个像素的信号。最后，经过将每次的信号和伪随机码综合 进行计算，就得到了物体的影像。该技术对于探测器昂贵而且难以做成阵列的深红外、深紫外领域，有着重要的应用价值。单像素技术所利用的压缩感知理论，是近年来发展的新型采样理论，通过开发信号的稀 疏特性，在远小于Nyquist采样频率的情况下，用随机采样获取信号的离散样本，再通过非线性重建的算 法较为完美地重建信号。这一理论的提出，抛弃了信号的冗余信息，因此该理论在信息论、图像处理、 光学成像和模式识别等领域得到了广泛地应用。