[发明专利]基于矩阵分解的无透镜全息显微散斑噪声去除方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于矩阵分解的无透镜全息显微散斑噪声去除方法及装置。去除方法的步骤如下：S1关闭光源，采集暗场图像；S2打开光源，采集光源均匀照射下的明场图像；S3，在传感器上方放置含有微粒的溶液样本，保证样本到传感器距离远小于样本到光源的距离；打开光源，采集样本的全息图像序列；S4对需要计算的任意一张全息图像进行平场校正；S5对校正之后的全息图像采用矩阵分解算法进行噪声分离，将其分解成微粒的全息图和背景噪声两部分；S6对计算出的全息图像进行更进一步的图像分析处理工作。本发明能去除掉散斑噪声和样本多次反射产生的干涉条纹噪声，实现高精度的动态三维成像。

技术领域

本发明属于无透镜显微领域，尤其涉及一种去除全息显微成像中的散斑噪声的方法及其装置。

背景技术

大量的现有和新兴的应用将受益于对于微粒运动的定位、表征或追踪，如生物医学、流体力学和软物质领域中的胶体球、纳米棒、蛋白质聚集体等的定位与追踪，水质检测中污染物的表征等。

先前的对于微粒的追踪与表征等相关研究建立在标准的倒置光学显微镜上，用准直、衰减的HeNe激光器替代传统的白炽照明器和聚光器。利用常规的目镜来放大干涉图案，然后用灰度摄像机记录全息图。然而，这种技术受到视场(FOV，field-of-view)和成像分辨率二者互相制衡的影响。标准的光学显微镜的高放大倍率代表了更小的视场，因而阻碍了其在需要大视野下定位、识别、追踪多个微粒的情况下的应用。为了获得高分辨率和大视场的图像，需要机械扫描和拼接来扩大有限的视场，这不仅使成像过程复杂化，而且显着增加了这些系统的总体成本。即使如此，时间分辨率仍然会受到影响。

无透镜全息显微镜近年来已经成为新的成像技术。与基于透镜的传统全息显微镜相比，无透镜全息显微镜直接采样透过物体的光线，而无需在物体和传感器平面之间使用任何成像透镜，因此空间带宽积与空间分辨率不再相关。具有单倍放大率(样本与传感器平面距离极小，几乎不存在放大)的无透镜全息显微镜具有与成像传感器一致大小的视场，而不需要任何透镜和其他中间光学元件。这进一步允许成像装置的简化，同时有效地避免了传统的基于透镜的成像系统中不可避免的光学像差和色散。此外，整个系统结构紧凑，成本效益高，为资源有限的环境中大视场下多微粒的同时定位和表征提供了一种可能的解决方案。

然而，先前的研究中，系统难以处理散斑噪声和由于样本内部的反射造成的周期性条纹干扰，在受到噪声干扰影响下，只能实现对样本的粗略成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种去除无透镜全息显微成像中的散斑噪声的方法及其装置，实现在宽视场下对样本进行高精度动态三维成像。

本发明采用的技术方案为：

基于矩阵分解的无透镜全息显微散斑噪声去除方法，步骤如下：

S1：关闭光源，采集暗场图像；

S2：打开光源，采集光源均匀照射下的明场图像；

S3：在传感器上方放置含有微粒的溶液样本，保证样本到传感器距离远小于样本到光源的距离；打开光源，采集样本的全息图像序列；

S4：对需要计算的任意一张全息图像进行平场校正；平场校正的具体方法为：将步骤S1中采集的暗场图像表示为I_d，将步骤S2中采集的明场图像表示为I₀，将步骤S3中采集的全息图像序列中需要计算的任意一张全息图像表示为I，对图像I进行平场校正后的图像Ic表示为：

S5：对校正之后的全息图像采用矩阵分解算法进行噪声分离，将其分解成微粒的全息图和背景噪声两部分；具体方法为：

首先，使用采集到的全息图像序列建立数据矩阵D，其中每一列y_i对应一帧观测样本，将改矩阵分解为

D＝A+E