[发明专利]一种点扩散函数重建方法

说明书

本发明公开了一种点扩散函数重建方法，包括：(1)输入目标点扩散函数；(2)针对输入的目标点扩散函数进行采样；(3)将采样得到的每个点看作一个偶极子进行初始相位和初始振幅估计；(4)计算得到偶极子在瞳面上的辐射场；(5)通过辐射场得到瞳面上的振幅和相位分布；(6)通过得到的振幅和相位生成点扩散函数；(7)将点扩散函数与目标点扩散函数比较，若满足要求，则输出得到的振幅和相位分布；若不满足要求，则更新初始相位和初始振幅，返回步骤(4)。本发明直接由目标点扩散函数得到瞳面上的相位及振幅分布，大大提高了计算效率。并且，由于偶极子辐射的光是向随机方向传播的，该方法可以扩展到多个具有多个光瞳面的显微系统。

技术领域

本发明设计光学工程领域，具体是涉及一种点扩散函数重建方法。

背景技术

聚焦光斑(Tightly Focused Spots)广泛应用于光学存储、光学操控、光学微细加工、全息显示器和远场光学显微镜。对于聚焦光斑的不同的应用场景，人们需要对聚焦光斑进行相应的操控。在超分辨显微成像领域，特别是在受激辐射光淬灭显微镜(STEDMicroscopy)中，对于聚焦光斑的操控尤为重要。如果有一个好的聚焦光斑，那么显微镜的分辨率将会更高。

聚焦光斑又被称为点扩散函数(Point Spread Function，简称PSF)，是描述光学系统对点光源解析能力的函数。因为点光源在经过任何光学系统后都会由于衍射而形成一个扩大的像点，这个像点就是点扩散函数。

在给定输入参数的情况下，利用矢量衍射公式得到系统的点扩散函数是容易的，但是还无法对其进行操控。为了得到人们所需要的点扩散函数，科学家们研究出了点扩散函数的操控技术(也称为点扩散函数重建技术)，即，给定一个目标点扩散函数，通过一定的算法，得到产生该点扩散函数所需的输入参数，这些输入参数构成的函数被称为瞳函数，这些输入参数一般指入射光在瞳面上的振幅和相位。

近些年来，点扩散函数的操控得到了很大的发展。比如游尚挺等人2015年在Optics Letters上面发表的题为《Iterative phase-retrieval method for generatingstereo array of polarization-controlled focal spots》的文章提出了一种基于G-S算法的相位反演方法，该方法虽然能够实现相位反演，但是其经过了大量的迭代计算，因此所需的计算时间极长，并且只适用于单个瞳函数系统，很难扩展到需要同时构建多个瞳函数的情况，比如4Pi显微系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种点扩散函数重建方法。在保证重建点扩散函数的质量的前提下，通过避免迭代，或者用少次数迭代，从而快速获得重构点扩散函数所需的瞳函数，加快了运算速率。

本发明采用将任意一个目标点扩散函数看作位于不同位置的多个具有不同初始相位和振幅的偶极子的组合。将目标点扩散函数的每一个点(像素)看作一个偶极子，将每个点的强度值看作对应偶极子的振幅，得到一种计算效率高的点扩散函数重建方法。具体如下：

一种点扩散函数重建方法，包括如下步骤：

(1)输入目标点扩散函数；

(2)针对输入的目标点扩散函数进行采样，读取每个点的坐标信息和强度信息(主要是指点的像素值)；

(3)将采样得到的每个点看作一个偶极子进行初始相位和初始振幅估计；

(4)计算得到偶极子在瞳面上的辐射场；

(5)通过辐射场得到瞳面上的振幅和相位分布；

(6)通过得到的振幅和相位生成点扩散函数；

(7)将步骤(6)中生成的点扩散函数与目标点扩散函数比较，若满足要求，则输出得到的振幅和相位分布；若不满足要求，则更新初始相位和初始振幅，返回步骤(4)～(7)。