專利名稱：一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)掃描領(lǐng)域，具體的說，涉及一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)掃描全息技術(shù)，簡稱0SH，是一種基于菲涅爾波帶板掃描的非傳統(tǒng)成像技術(shù)，即通過二維光學(xué)掃描實現(xiàn)對目標(biāo)的高分辨率三維成像，它在生物醫(yī)學(xué)成像、熒光物體成像、三維全息電視系統(tǒng)以及光學(xué)遙感等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景 。而通過光學(xué)掃描全息技術(shù)獲得的二維全息圖，包含了物體完整的三維信息，因此在光學(xué)掃描全息技術(shù)中對物體全息圖的一個重要分析處理步驟就是物體的切片成像，即物體任意二維切面的圖像重構(gòu)。而物體任意二維切面圖像重構(gòu)中的難點在于如何消除來自物體其他層面的噪聲，即離焦噪聲。切片成像是一個典型的圖像處理中的逆問題，同時也是一個不適定問題。文獻(xiàn)《OpticalScanning Holography with MATLAB》提出了一種傳統(tǒng)的切片成像方法，即用物體的全息圖與待重構(gòu)切片處的菲涅爾波帶板共軛進(jìn)行卷積運算，從而實現(xiàn)切片成像，但由于無法消除隔離噪聲，因此其應(yīng)用受到極大的制約。文獻(xiàn)((Three-dimensional microscopy and sectional image reconstructionusing optical scanning holography》介紹了一種逆成像算法,此迭代算法能夠?qū)崿F(xiàn)軸向分辨率為I毫米左右的切片成像，并能有效抑制離焦噪聲，但其無法在更小的軸向尺寸下實現(xiàn)良好成像。文獻(xiàn)((Depth resolution enhancement in optical scanning holography witha dual-wavelength laser source》提出了一種利用雙波長激光器提高切片成像軸向分辨率的方法，其利用輸出波長分別為632nm和543nm的激光器，獲取兩組物體全息圖，進(jìn)而將軸向分辨率提高至2. 5微米左右，但由于在光學(xué)系統(tǒng)中同時工作的兩個不同波長引入了較大的噪聲，導(dǎo)致其實用性受到極大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于降低切片成像中的離焦噪聲，提出一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，通過兩次掃描，為切片成像這一不適定逆問題引入更多的線性方程組，從而實現(xiàn)高分辨率的切片成像。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，包括以下步驟
(1)第一偏振分束器將同一光源發(fā)出的光分為兩束，將該兩束光分別經(jīng)過處理后再通過第二偏振分束器聚光，聚合后的光在待測物體上產(chǎn)生干涉形成菲涅爾波帶板；
(2)利用二維掃描鏡控制該菲涅爾波帶板的偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對待測物體的第一次二維掃描，得到包含切片信息Vf的第一矩陣方程；(3)將待測物體向二維掃描鏡的方向移動距離Δζ，對該待測物體進(jìn)行第二次二維掃描，得到包含切片信息P的第二矩陣方程；
(4)將第一矩陣方程和第二矩陣方程整合，使切片成像過程轉(zhuǎn)化為一個最小化線性方程，并且根據(jù)共軛梯度算法，求解出切片信息Ψ。其中，所述步驟(I)中形成菲涅爾波帶板的具體步驟如下
(Ia)通過第一偏振分束器將光分成兩束；
(Ib) —束光通過第一光瞳形成平面波,另一束光通過第二光瞳形成球面波；
(Ic)平面波與球面波通過第二偏振分束器聚合，在待測物體上產(chǎn)生干涉形成時變的菲 涅爾波帶板，該菲涅爾波帶板的值為
h (X, z) = -J(x2 +y))( I )
2m Iz
其中4 X z為該物體的空間坐標(biāo)，k為光的波數(shù)。為了得到第一矩陣方程，所述步驟(2)中待測物體為兩個離散切片的集合，兩個切片的軸向位置分別為Z1和Z2,因此得到第一矩陣方程的具體實現(xiàn)方式如下
(2a)將該待測物體進(jìn)行第一次二維掃描，并得到二維全息圖
SlsXf) = IiP(XlJjZ1)Ij*h(x,y,z2)(2)
其中復(fù)函數(shù)爐為該待測物體的幅度信息，同時*代表二維卷積；
(2b)將菲涅爾波帶板在&和4處的值分別轉(zhuǎn)換為矩陣Ab)和gog ；
(2c)將二維全息圖與矩陣Afe7)和H人Z2)結(jié)合起來得到第一矩陣方程
r廠 ψ、
G1 =+ H1 ( ) +5=(^1( ) H1 ( )]. . +' = H,+ nI ⑶
L%_
其中為高斯白噪聲，該高斯白噪聲是長度為#的一維矢量矩陣。為了得到第二矩陣方程，所述步驟(3)中得到第二矩陣方程的具體實現(xiàn)方法如下
(3a)將該待測物體向二維掃描鏡的方向移動距離ΛΖ，因此兩個切片的新軸向位置
為
Σ\%= Zi-hz⑷
Zl1 = Zi- Δζ ;(5)
(3b)按照第一次二維掃描得到第一矩陣方程的方法得到第二矩陣方程
I·「,, -T U/λ
G2 = H2(Z1 )ψχ + H2(ζ^)ψ2 + n2 = H2(Z1) H-Xz2) . +n2 = Η2ψ+η2 (6)
.+ *L *L%」* * Λ
其中n2為高斯白噪聲，該高斯白噪聲是長度為N2的一維矢量矩陣。進(jìn)一步的，求解出切片信息P的方法如下
(4a)將第一矩陣方程和第二矩陣方程整合，得到
權(quán)利要求
1.一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)第一偏振分束器將同一光源發(fā)出的光分為兩束，將該兩束光分別經(jīng)過處理后再通過第二偏振分束器聚光，聚合后的光在待測物體上產(chǎn)生干涉形成菲涅爾波帶板； (2)利用二維掃描鏡控制該菲涅爾波帶板的偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對待測物體的第一次二維掃描，得到包含切片信息妒的第一矩陣方程； (3)將待測物體向二維掃描鏡的方向移動距離ilz，對該待測物體進(jìn)行第二次二維掃描，得到包含切片信息妒的第二矩陣方程； (4)將第一矩陣方程和第二矩陣方程整合，使切片成像過程轉(zhuǎn)化為一個最小化線性方程，并且根據(jù)共軛梯度算法，求解出切片信息W。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，其特征在于，所述步驟(I)中形成菲涅爾波帶板的具體步驟如下 (Ia)通過第一偏振分束器將光分成兩束； (Ib) —束光通過第一光瞳形成平面波,另一束光通過第二光瞳形成球面波； (Ic)平面波與球面波通過第二偏振分束器聚合，在待測物體上產(chǎn)生干涉形成時變的菲涅爾波帶板，該菲涅爾波帶板的值為 其中4 X ^為該物體的空間坐標(biāo)，k為光的波數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，其特征在于，所述步驟(2)中待測物體為兩個離散切片的集合，兩個切片的軸向位置分別為Z1和&，因此得到第一矩陣方程的具體實現(xiàn)方式如下 (2a)將該待測物體進(jìn)行第一次二維掃描，并得到二維全息圖 )(2) 其中復(fù)函數(shù)為該待測物體的幅度信息，同時*代表二維卷積； (2b)將菲涅爾波帶板在&和4處的值分別轉(zhuǎn)換為矩陣Ab)和gog ； (2c)將二維全息圖與矩陣Afe7)和H人Z2)結(jié)合起來得到第一矩陣方程其中為高斯白噪聲，該高斯白噪聲是長度為#的一維矢量矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，其特征在于，所述步驟(3)中得到第二矩陣方程的具體實現(xiàn)方法如下 (3a)將該待測物體向二維掃描鏡的方向移動距離Az，因此兩個切片的新軸向位置為
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4任意一項所述的一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，其特征在于，求解出切片信息W的方法如下 (4a)將第一矩陣方程和第二矩陣方程整合，得到
6.(4b)將所述矩陣方程(7)轉(zhuǎn)化為最小化線性方程
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于兩次掃描的高分辨率光學(xué)掃描全息切片成像方法，屬于光學(xué)掃描領(lǐng)域，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)中對任意二維切片的圖像重構(gòu)時存在較大離焦噪聲的缺陷。本發(fā)明在二維掃描鏡上對該物體進(jìn)行第一次二維掃描，得到包含切片信息的第一矩陣方程后將該物體向二維掃描鏡的方向移動距離，對該物體進(jìn)行第二次掃描，得到包含切片信息的第二矩陣方程；然后將第一矩陣方程和第二矩陣方程整合為一個最小化線性方程，將該線性問題的求解轉(zhuǎn)化為最小化問題，通過引入共軛梯度算法，實現(xiàn)切片成像。通過上述方案，本發(fā)明實現(xiàn)了高精度的切片成像，并且大大減少了離焦噪聲，適用于各個領(lǐng)域。
文檔編號A61B5/00GK102805613SQ20121028609
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者歐海燕, 王秉中 申請人:電子科技大學(xué)