一种基于光栅相位衬度的成像系统及方法

技术领域

本发明涉及相位恢复技术领域，尤其涉及一种基于光栅相位衬度的成像系统及方法。

背景技术

相位恢复是光学测量与成像技术领域的一个重要课题。在某些特定领域，如光学测量、材料物理学、自适应光学、X射线衍射光学、电子显微学、生物医学成像领域，大部分样本都属于相位物体。这类物体的振幅透射率分布均匀，但折射率或厚度的空间分布不均匀，因此相位物体的光波振幅改变甚小，相位改变却非常大。人眼或其他光学探测器都只能判断物体的振幅变化而无法判断其相位的变化，因此也就不能“看见”相位物体，即不能区分相位物体内厚度或折射率不同的各个部分。所以对于这些领域，获取相位信息显得尤为重要。

由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅或强度十分容易。因此，可以将由强度分布来恢复相位这一过程作为数学上的一个逆问题，即相位恢复问题。基于非干涉的相位恢复方法可以大体分为两大类，即迭代法与直接法。

迭代法：基于迭代运算的相位复原法于1972年由Gerchberg等在研究电子显微镜的相位恢复问题时首次提出，该算法称为GS(Gerchberg-Saxton)算法。该方法指出，当待测光波场在像平面和远场衍射平面的光强分布已知时，可以通过衍射计算迭代的方式求解光场波前相位。GS算法的提出具有开创性的意义，但也存在很多问题。这些问题一方面是求解逆问题时所固有的，譬如解的存在性与唯一性问题。另一方面则是由迭代算法本身引起的，如算法经过最初几次迭代后收敛速度减慢甚至陷入停滞、陷于局部(非全局)极小值。

直接法：光强传输方程于1983年由Teague利用亥姆霍兹方程在傍轴近似条件下首次推导得出。TIE是一个二阶椭圆型偏微分方程，阐明了平行于光轴方向上光强度的变化量与垂直于光轴平面上光波的相位的定量关系。该方法区别于迭代相位恢复算法的一大特点是没有利用传统的衍射计算公式来迭代恢复相位，而是在待求平面上的光强分布(直接测量)以及光强轴向微分(通过采集离焦光强进行数值差分估计得到)已知的情况下，通过数值求解光强传输方程直接获取相位信息，从而不需要任何迭代求解过程。

目前，国内外大多数的相位恢复研究都是在显微镜系统上开展的。然而显微镜系统在大视场的情况下难以获得高分辨率的固有矛盾限制了它在实际中的进一步应用。无透镜成像技术具有大视场与高分辨率兼得的特点，但目前针对无透镜的相位恢复技术操作繁琐，算法复杂度高，使其难以在实际中获得广泛的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于光栅相位衬度的成像系统，包括：

一光源装置，用于发射部分相干光；

一准直装置，设置于所述光源装置的光线出射口，用于将所述部分相干光转换为准直光；

一光栅组件，设置于所述准直装置的下方，所述光栅组件的上方放置有一样品，所述准直光由复数个照射角度依次照射在所述样品上分别形成折射光线，所述折射光线经由所述光栅组件处理形成强度变化的光信号；

一图像探测器，设置于所述光栅组件的下方，用于接收所述光信号以形成所述样品的在每个所述照射角度对应的相位衬度图像；

一三维重建系统，连接所述图像探测器，用于根据各所述相位衬度图像进行三维重建得到所述样品的三维图像。

优选的，所述三维重建系统包括：

一第一处理单元，用于分别提取每个所述相位衬度图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的所述像素点的所述光强值与位于奇数行的所述像素点的所述光强值之间的第一比值；

一第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于根据各所述第一比值处理得到对应的所述折射光线入射至所述光栅组件的的入射角度；

一重建单元，连接所述第二处理单元，用于根据各所述入射角度进行三维重建得到所述样品的三维图像。

优选的，所述三维重建系统还包括一预处理单元，连接所述第二处理单元，所述预处理单元包括：

一图像获取模块，用于获取所述光栅组件上方未放置所述样品时，所述准直光由预定的复数个所述照射角度直接照射在所述光栅组件上，所述图像探测器采集得到的每个所述照射角度对应的基准图像；

一图像处理模块，连接所述图像获取模块，用于分别提取每个所述基准图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的所述像素点的所述光强值与位于奇数行的所述像素点的所述光强值之间的第二比值；

一数据存储模块，分别连接所述图像获取模块和所述图像处理模块，用于建立所述照射角度与对应的所述第二比值之间的对应关系曲线并保存；

所述第二处理单元根据各所述相位衬度图像中对应的所述第一比值于所述对应关系曲线中匹配得到对应的所述照射角度作为所述入射角度。

优选的，所述光栅组件集成于所述图像探测器的上方。

优选的，所述图像探测器为包含多个像素的面阵探测器。

优选的，所述光栅组件包括一第一光栅和一第二光栅，所述第一光栅与所述第二光栅相互垂直。

优选的，所述第一光栅和所述第二光栅之间的间距的取值范围为[400纳米，600纳米]。

优选的，所述第一光栅和所述第二光栅由金属材料制成，所述金属材料的厚度的取值范围为[100纳米，300纳米]。

优选的，所述第一光栅的周期的取值范围为[400纳米，600纳米]，所述第二光栅的周期的取值范围为[800纳米，1000纳米]。

优选的，所述准直光沿所述图像探测器的X轴或Y轴倾斜不同的角度形成所述照射角度。

优选的，所述照射角度的取值范围为[-90度，90度]。

一种基于光栅相位衬度的成像方法，应用于上述的基于光栅相位衬度的成像系统，包括：

步骤S1、发射部分相干光；

步骤S2、将所述部分相干光转换为准直光；

步骤S3、所述准直光由复数个照射角度照射在放置于光栅组件上的样品上分别形成折射光线，所述折射光线经由所述光栅组件处理形成强度变化的光信号；

步骤S4、接收所述光信号以形成所述样品的在每个所述照射角度对应的相位衬度图像；

步骤S5、根据各所述相位衬度图像进行三维重建得到所述样品的三维图像。

优选的，所述步骤S5包括：

步骤S51、分别提取每个所述相位衬度图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的所述像素点的所述光强值与位于奇数行的所述像素点的所述光强值之间的第一比值；

步骤S52、根据各所述第一比值处理得到对应的所述折射光线入射至所述光栅组件的的入射角度；

步骤S53、根据各所述入射角度进行三维重建得到所述样品的三维图像。

优选的，执行所述步骤S52之前，还包括一预处理过程，包括：

步骤A1、获取所述光栅组件上方未放置所述样品时，所述准直光由预定的复数个所述照射角度直接照射在所述光栅组件上，所述图像探测器采集得到的每个所述照射角度对应的基准图像；

步骤A2、分别提取每个所述基准图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的所述像素点的所述光强值与位于奇数行的所述像素点的所述光强值之间的第二比值；

步骤A3、建立所述照射角度与对应的所述第二比值之间的对应关系曲线并保存；

所述步骤S52中，根据各所述相位衬度图像中对应的所述第一比值于所述对应关系曲线中匹配得到对应的所述照射角度作为所述入射角度。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：将光栅组件与图像探测器相结合，使成像系统具备了无透镜成像兼具大视场和高分辨率的特点，同时降低了系统的复杂度，降低了操作的复杂度与成像设备的体积，进一步提高了设备的集成度，可以更好地推动无透镜相位恢复系统的实用化。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施方式中，一种基于光栅相位衬度成像系统的结构示意图；

图2为本发明的较佳的实施方式中，一种基于光栅相位衬度的成像系统的原理示意图；

图3为本发明的较佳的实施方式中，对应关系曲线的示意图；

图4为本发明的较佳的实施方式中，未放置样品时，图像探测器记录的基准图像；

图5为本发明的较佳的实施方式中，放置样品后，图像探测器记录的相位衬度图像；

图6为本发明的较佳的实施方式中，三维重建结果的示意图；

图7为本发明的较佳的实施方式中，光栅组件的结构示意图；

图8为本发明的较佳的实施方式中，一种基于光栅相位衬度的成像方法的流程示意图；

图9为本发明的较佳的实施方式中，根据相位衬度图像进行三维重建的过程示意图；

图10为本发明的较佳的实施方式中，预处理过程的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于光栅相位衬度的成像系统，如图1和图2所示，包括：

一光源装置1，用于发射部分相干光；

一准直装置2，设置于光源装置1的光线出射口，用于将部分相干光转换为准直光；

一光栅组件3，设置于准直装置2的下方，光栅组件3的上方放置有一样品4，准直光由复数个照射角度依次照射在样品4上分别形成折射光线，折射光线经由光栅组件3处理形成强度变化的光信号；

一图像探测器5，设置于光栅组件3的下方，用于接收光信号以形成样品4的在每个照射角度对应的相位衬度图像；

一三维重建系统6，连接图像探测器5，用于根据各相位衬度图像进行三维重建得到样品的三维图像。

具体地，在成像领域中，为了在高分辨率的前提下获得大的视场，常采用的技术手段是图像拼接法，但是这样做需要采用精密的机械移动与复杂的算法计算，不仅耗时而且精度也较低。为了进一步解决该问题，无透镜成像是一个趋势。本实施方式中，通过将光栅组件3和图像探测器5相结合，使得在相衬成像领域中应用无透镜成像技术成为可能。

作为优选的实施方式，上述光源装置1可以是LED光源，上述准直装置2和光源装置1可以一体化设置，在调整准直光的照射角度时，同步调整光源装置1和准直装置2的照射方向。光源装置1产生的部分相干光经由准直器成为准直光，该准直光为平行光，该平行光照射到样品4上并穿透样品时，会发生吸收、散射、折射等物理现象，折射后的出射光线携带有特定空间位置中的材料信息，通过在样品4和图像探测器5之间设置光栅组件3，上述出射光线经过光栅组件3会产生相位变化信息，该相位变化信息的外在表现为光强的变化，即该出射光线经由光栅组件3后会形成强度变化的光信号，该强度变化的光信号中包含被折射光线的折射角信息，最后由图像探测器5接收携带有相位变化信息的光信号并记录形成相位衬度图像。由于上述相位衬度图像包含了准直光照射在样品4上产生的相位变化信息，三维重建系统6可以根据不同照射角度的相位衬度图像对样品4内部的相位分布进行三维重建，进而获取样品4的三维图像。整个成像系统具备了无透镜成像兼具大视场和高分辨率的特点，同时降低了系统的复杂度，只需对照射角度进行调整，省去了繁琐的操作，可以更好地推动无透镜相位恢复系统的实用化。

作为优选的实施方式，上述复数个照射角度包括至少三个照射角度，该三个照射角度可以是垂直与图像探测器5表面的照射角度，以及相对该垂直照射角度分别左右偏移10度的照射角度，则图像探测器5记录的相位衬度图像为三幅，分别对应于三个照射角度。

作为优选的实施方式，三维重建系统6包括：

一第一处理单元61，用于分别提取每个相位衬度图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的像素点的光强值与位于奇数行的像素点的光强值之间的第一比值；

一第二处理单元62，连接第一处理单元61，用于根据各第一比值处理得到对应的折射光线入射至光栅组件3的的入射角度；

一重建单元63，连接第二处理单元62，用于根据各入射角度进行三维重建得到样品的三维图像。

作为优选的实施方式，以垂直照射角度为例，准直光在以垂直于图像探测器5表面的照射角度照射样品4时，此时由于样品内部折射率不均匀或者厚度不均匀，将会使原本垂直于准直光的波面发生改变，而在样品4内部，准直光的传播方向与波面的法线重合。上述第二处理单元62优选利用已经建立好的入射角度与上述比值的对应关系曲线，恢复出经过样品后不同点折射光的角度，进而恢复出经过样品后的波前，由此波前则可以恢复出样品内部折射率分布以及三维结构。由波前恢复出样品内部折射率分布及三维结构的详细过程请参考此文献：“Boundary-artifact-freephaseretrievalwiththetransportofintensityequationII:applicationstomicrolens characterization”(OpticsExpress,第22卷，第15期，第18310-18324页，2014年)。

作为优选的实施方式，三维重建系统6还包括一预处理单元64，连接第二处理单元62，预处理单元64包括：

一图像获取模块641，用于获取光栅组件上方未放置样品时，准直光由预定的复数个照射角度直接照射在光栅组件上，图像探测器采集得到的每个照射角度对应的基准图像；

一图像处理模块642，连接图像获取模块641，用于分别提取每个基准图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的像素点的光强值与位于奇数行的像素点的光强值之间的第二比值；

一数据存储模块643，分别连接图像获取模块641和图像处理模块642，用于建立照射角度与对应的第二比值之间的对应关系曲线并保存；

第二处理单元62根据各相位衬度图像中对应的第一比值于对应关系曲线中匹配得到对应的照射角度作为入射角度。

作为优选的实施方式，如图3所示，为上述对应关系曲线，对应关系曲线上的各圆圈分别代表每个照射角度对应的第二比值，上述预定的复数个照射角度可以是沿图像探测器5的X轴或Y轴的[-90度，90度]范围内每间隔5度进行一次照射。由于光栅组件上方未放置样品，准直光直接入射至光栅组件，并形成一个特定光强变化的基准图像，如图4所示，该预定的复数个照射角度即为入射至光栅组件的入射角度。在放置样品后，为了能提取出定量的折射角信号，最简单的途径是在光强和样品折射角之间建立线性关系。为此，在放入样品前，将平行光以不同角度照射光栅组件，从而获得不同照射角度与光强变化的线性关系，在放入样品后，平行光照射在样品上，样品会在水平方向和垂直方向产生正的或者负的折射角，不同折射角的光线会在图像探测器上对应不同的强度，从而获得样品沿水平方向的折射衬度像和沿垂直方向的折射衬度像形成样品的相位衬度图像，如图5所示。基于无样品时所测得的入射角度与图像探测器的偶数行像素所记录的光强与奇数行像素所记录的光强的比值的对应关系曲线和有样品时不同照射角度的相位衬度图像，能够对样品的结构进行三维重建，如图6所示，为基于如图5所示的相位衬度图像和如图3所示的对应关系曲线进行三维重建的结果示意。

进一步地，如图3中可以看出，入射角度与对应比值之间的对应关系曲线并非单调的，在实际的测量过程中，需要改变入射光的照射角度，引入一个额外的相位，从而唯一确定第一比值与入射角度的对应关系。引入相位的详细推导过程可参考郑国安编著的《Fourier PtychographicImaging》(p22-27，ISBN:9781681742724)。

作为优选的实施方式，光栅组件3集成于图像探测器5的上方。

作为优选的实施方式，图像探测器5为包含多个像素的面阵探测器。

作为优选的实施方式，如图7所示，光栅组件3包括一第一光栅31和一第二光栅32，第一光栅31与第二光栅32相互垂直。

具体地，本实施方式中，面阵探测器具有多个相互垂直布置的像素，为保证图像探测器5能够准确成像，光栅组件3的结构需要与图像探测器5像素分布一致，因此需要设置第一光栅31与第二光栅32相互垂直，该相互垂直关系为空间上相互垂直，即第一光栅31和第二光栅32分布于相互平行的两个平面上，作为优选的实施方式，第一光栅31和第二光栅32之间的间距的取值范围为[400纳米，600纳米]。

作为优选的实施方式，第一光栅31和第二光栅32由金属材料制成，金属材料的厚度的取值范围为[100纳米，300纳米]，该金属材料可以是铜。

作为优选的实施方式，第一光栅31的周期的取值范围为[400纳米，600纳米]，第二光栅32的周期的取值范围为[800纳米，1000纳米]。

作为优选的实施方式，准直光沿图像探测器5的X轴或Y轴倾斜不同的角度形成照射角度，从而便于获得样品准确的组织结构信息。

作为优选的实施方式，照射角度的取值范围为[-90度，90度]。

一种基于光栅相位衬度的成像方法，应用于上述的基于光栅相位衬度的成像系统，如图8所示，包括：

步骤S1、发射部分相干光；

步骤S2、将部分相干光转换为准直光；

步骤S3、准直光由复数个照射角度照射在放置于光栅组件上的样品上分别形成折射光线，折射光线经由光栅组件处理形成强度变化的光信号；

步骤S4、接收光信号以形成样品的在每个照射角度对应的相位衬度图像；

步骤S5、根据各相位衬度图像进行三维重建得到样品的三维图像。

作为优选的实施方式，如图9所示，步骤S4包括：

步骤S51、分别提取每个相位衬度图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的像素点的光强值与位于奇数行的像素点的光强值之间的第一比值；

步骤S52、根据各第一比值处理得到对应的折射光线的入射角度；

步骤S53、根据各入射角度进行三维重建得到样品的三维图像。

作为优选的实施方式，执行步骤S52之前，还包括一预处理过程，如图10所示，包括：

步骤A1、获取光栅组件上方未放置样品时，准直光由预定的复数个照射角度直接照射在光栅组件上，图像探测器采集得到的每个照射角度对应的基准图像；

步骤A2、分别提取每个基准图像中的各像素点的光强值，并计算位于偶数行的像素点的光强值与位于奇数行的像素点的光强值之间的第二比值；

步骤A3、建立照射角度与对应的第二比值之间的对应关系曲线并保存；

步骤S52中，根据各相位衬度图像中对应的第一比值于对应关系曲线中匹配得到对应的照射角度作为入射角度。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。