本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像領(lǐng)域，特別涉及一種基于機器學(xué)習(xí)的高速像差校正方法。

背景技術(shù)：

在顯微成像用于生物組織深區(qū)成像時，光路中由于光學(xué)元器件的生產(chǎn)精度誤差以及生物組織折射率不均勻性引起的波前像差會嚴(yán)重影響光斑的聚焦情況，并且隨著成像深度的增加，信噪比和分辨率降低，成像質(zhì)量急劇下降。針對這一現(xiàn)象，研究者們提出了許多解決方案，其中自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是較為常用且效果良好的解決手段。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)提高成像質(zhì)量的原理如下：首先利用波前傳感器實時測量各種干擾引起的光學(xué)系統(tǒng)的波前畸變，然后通過波前校正器如變形鏡、空間光調(diào)制器等對畸變進(jìn)行補償，恢復(fù)衍射極限。傳統(tǒng)的自適應(yīng)校正算法的弱點是校正速度非常慢，研究者們也提出了一系列加快校正速度的算法，比如COAT算法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于機器學(xué)習(xí)的高速像差校正方法，結(jié)合機器學(xué)習(xí)理論與自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)中澤尼克多項式重構(gòu)入射波前進(jìn)行像差校正。本發(fā)明能夠通過大量的樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)，建立起一個非線性映射關(guān)系，快速得到焦斑所對應(yīng)的入射波前澤尼克系數(shù)組合，從而重構(gòu)波前，進(jìn)行像差校正。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是針對散射介質(zhì)較深層處實現(xiàn)高速高分辨顯微成像，采用以下步驟：

1)平行光束先經(jīng)過不加載波前相位分布(即置零)的空間光調(diào)制器(SLM)反射，再經(jīng)過透鏡聚焦，在焦平面位置得到理想的聚焦光斑(艾里斑)；

2)利用澤尼克多項式進(jìn)行處理獲得一系列的波前相位分布；波前相位分布用于加載到空間光調(diào)制器上，調(diào)制入射光波前相位分布情況。

3)針對步驟2)獲得的每一波前相位分布，將該波前相位分布加載到空間光調(diào)制器上，平行光束先經(jīng)過加載有波前相位分布的空間光調(diào)制器反射，再經(jīng)過透鏡聚焦，在焦平面位置得到一畸變聚焦光斑；

4)將步驟3)獲得的各個畸變聚焦光斑的光強分布I與其各自對應(yīng)的在空間光調(diào)制器中加載的波前相位分布下的各項澤尼克系數(shù)a_k一起輸入到機器學(xué)習(xí)中進(jìn)行訓(xùn)練獲得具有非線性映射關(guān)系的校正模型；

5)在待測情況下，平行光束先經(jīng)過不加載波前相位分布的空間光調(diào)制器反射，再經(jīng)過透鏡聚焦，到達(dá)焦平面位置前穿過待測散射介質(zhì)，在焦平面位置得到待測散射介質(zhì)的畸變聚焦光斑圖；

7)利用機器學(xué)習(xí)得到的非線性映射關(guān)系，將待測散射介質(zhì)的畸變聚焦光斑圖的光強分布輸入到步驟4)獲得的校正模型中，獲得對應(yīng)的各項澤尼克系數(shù)a_k的數(shù)值；

8)將步驟7)中得到的各項澤尼克系數(shù)a_k的數(shù)值進(jìn)行處理獲得校正相位分布，校正相位分布用于校正入射光波前，然后重復(fù)步驟5)并將校正相位分布加載到空間光調(diào)制器上，使入射平行光束經(jīng)過空間光調(diào)制器和散射介質(zhì)后的聚焦光斑接近理想聚焦光斑，實現(xiàn)像差校正。

所述步驟2)具體是：利用澤尼克多項式的前n項采用以下公式計算獲得入射光束的波前相位分布：

其中，a_k表示第k項澤尼克系數(shù)，k＝1,2,3,4,5,6,...n，Z_k表示澤尼克多項式的第k項表達(dá)式，n表示澤尼克多項式的項數(shù)；

對每一項澤尼克系數(shù)a_k依次進(jìn)行等間隔取值，獲得一系列的波前相位分布。

所述的對每一項澤尼克系數(shù)a_k依次進(jìn)行等間隔取值獲得一系列的波前相位分布具體是：

先對第一項澤尼克系數(shù)a₁等間隔取值，在第一項澤尼克系數(shù)a₁每一取值下對第二項澤尼克系數(shù)a₂等間隔取值，再在第二項澤尼克系數(shù)a₂每一取值下對第三項澤尼克系數(shù)a₃等間隔取值，以此方式完成對所有項澤尼克系數(shù)a_k的等間隔取值，以各項澤尼克系數(shù)a_k的不同取值組合作為一波前相位分布，從而獲得一系列的波前相位分布。即針對各項澤尼克系數(shù)a_k的所有等間隔取值進(jìn)行排列組合，獲得各項澤尼克系數(shù)a_k等間隔取值下的不同取值組合作為波前相位分布。

所述各項澤尼克系數(shù)a_k進(jìn)行等間隔取值的間隔相同或者不同。

所述步驟8)中校正相位分布具體采用以下方式獲得：將步驟7)中得到的各項澤尼克系數(shù)a_k的數(shù)值取負(fù)值后代入以下公式表示的澤尼克多項式波前相位函數(shù)中，獲得校正相位分布：

其中，a_k表示第k項澤尼克系數(shù)，k＝1,2,3,4,5,6,...n，Z_k表示澤尼克多項式的第k項表達(dá)式，n表示澤尼克多項式的項數(shù)。

所述步驟4)中機器學(xué)習(xí)具體是對輸入的各個畸變聚焦光斑的光強分布I與波前相位分布下的各項澤尼克系數(shù)a_k先依次進(jìn)行降維降噪分析、權(quán)重分析處理后提取關(guān)鍵特征，然后建立非線性映射關(guān)系y＝f(x₁,x₂,...,x_n)作為校正模型，其中x表示澤尼克系數(shù)的數(shù)值，y表示不同畸變情況下畸變聚焦光斑的光強分布。

所述步驟5)待測散射介質(zhì)也是利用澤尼克多項式表示的，其系數(shù)組合不在訓(xùn)練庫中。

本發(fā)明是首先產(chǎn)生足量的樣本庫，樣本庫中包含一系列一一對應(yīng)的澤尼克系數(shù)組合和焦斑光強分布圖，通過機器學(xué)習(xí)對其進(jìn)行降維分解，提取關(guān)鍵信息訓(xùn)練樣本庫，先初步得到一個非線性映射關(guān)系。給定一定數(shù)量的散射后的焦斑光強分布圖作為測試樣本，對澤尼克多項式每一項進(jìn)行影響因子權(quán)重分析，誤差允許范圍分析，最后調(diào)整算法參數(shù)最終得到一個精度高的非線性映射關(guān)系作為校正模型。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的方法校正速度快且精確度高,通過本發(fā)明方法能夠高速而準(zhǔn)確地校正波前像差，解決了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)算法速度慢的問題，實現(xiàn)生物組織較深層高速高分辨顯微成像。

本發(fā)明的實施將首次實現(xiàn)結(jié)合機器學(xué)習(xí)理論的高速光學(xué)像差校正，顯著提高厚生物組織樣本的顯微成像分辨率，同時也為自適應(yīng)光學(xué)提供一種全新的快速光學(xué)像差校正算法。

附圖說明

圖1(a)和圖1(b)分別為本發(fā)明方法中沒有散射介質(zhì)和有散射介質(zhì)時的光路示意圖。SLM表示空間光調(diào)制器，CMOS表示cmos相機。

圖2為本發(fā)明方法流程圖。

圖3為實施例用機器學(xué)習(xí)建立的非線性映射關(guān)系得到的澤尼克系數(shù)組合，用于像差校正的結(jié)果。其中(a)為重構(gòu)的波前相位a1＝0；a2＝0.004；a3＝-0.006；a4＝0.002；a5＝-0.0012；a6＝0.0016；(b)為校正前的焦斑；(c)為校正后的光斑。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

由于波前探測器的使用會增加光路的復(fù)雜度，帶入波前測量誤差等一系列問題，因此本發(fā)明不使用波前探測器，而是直接根據(jù)聚焦光斑分布情況來分析得到波前相位分布。

本發(fā)明的實施例如下：

1)平行光束先經(jīng)過不加載波前相位分布的空間光調(diào)制器反射，再經(jīng)過透鏡聚焦，在焦平面位置得到理想的聚焦光斑；

2)利用澤尼克多項式采用以下公式計算獲得入射光束的波前相位分布：

其中，a_k表示第k項澤尼克系數(shù)，k＝1,2,3,4,5,6,...n，Z_k表示澤尼克多項式的第k項表達(dá)式，n表示澤尼克多項式的項數(shù)；

對每一項澤尼克系數(shù)a_k依次進(jìn)行等間隔取值，獲得一系列的波前相位分布。

在(-0.8,0.8)范圍內(nèi)以0.4為間隔選取澤尼克系數(shù)a2和a3，兩者排列組合可得到25個不同的波前相位分布。其中一個表達(dá)式為ψ₁＝-0.8Z₂+0.4Z₃；

3)針對步驟2)獲得的每一波前相位分布，將每個波前相位分布依次加載到空間光調(diào)制器上，平行光束先經(jīng)過空間光調(diào)制器反射，再經(jīng)過透鏡聚焦，在焦平面位置得到對應(yīng)的25個畸變聚焦光斑；

4)將步驟3)獲得的各個畸變聚焦光斑的光強分布I與其各自對應(yīng)的波前相位分布下的各項澤尼克系數(shù)a_k一起輸入到機器學(xué)習(xí)中進(jìn)行訓(xùn)練。對輸入的各個畸變聚焦光斑的光強分布I與波前相位分布下的各項澤尼克系數(shù)a_k先依次進(jìn)行降維降噪分析、權(quán)重分析處理后提取關(guān)鍵特征，然后通過極限學(xué)習(xí)機(ELM)，稀疏隨機投影等方法建立起非線性映射關(guān)系y＝f(x₁,x₂,...,x_n)作為校正模型，其中x表示澤尼克系數(shù)的數(shù)值，y表示不同畸變情況下畸變聚焦光斑的光強分布。

5)平行光束先經(jīng)過不加載波前相位分布的空間光調(diào)制器反射，再經(jīng)過透鏡聚焦，到達(dá)焦平面位置前穿過待測散射介質(zhì)，在焦平面位置得到待測散射介質(zhì)的畸變聚焦光斑圖；

7)將待測散射介質(zhì)的畸變聚焦光斑圖的光強分布輸入到步驟4)獲得的校正模型中，獲得對應(yīng)的各項澤尼克系數(shù)a_k的數(shù)值；

8)將步驟7)中得到的各項澤尼克系數(shù)a_k的數(shù)值取負(fù)值后代入以下公式表示的澤尼克多項式波前相位函數(shù)中，獲得校正相位分布：

其中，a_k表示第k項澤尼克系數(shù)，k＝1,2,3,4,5,6,...n，Z_k表示澤尼克多項式的第k項表達(dá)式，n表示澤尼克多項式的項數(shù)。

然后重復(fù)步驟5)并將校正相位分布加載到空間光調(diào)制器上，使入射平行光束經(jīng)過空間光調(diào)制器和散射介質(zhì)后的聚焦光斑接近理想聚焦光斑，實現(xiàn)像差校正，實現(xiàn)散射介質(zhì)較深層處高速高分辨顯微成像。