[发明专利]无透镜叠层衍射图像重构方法、系统、设备和存储介质

说明书

本发明提供一种无透镜叠层衍射图像重构方法、系统、设备和存储介质。其方法包括：S1.获取空间光调制器的灰度‑相位幅值曲线，以及系统的物理参数；S2.获取目标图案，并将所述目标图案进行K‑1次叠层平移获得K张调制图案；S3.将步骤S2获得的K张调制图案输入至空间光调制器，并在传感器平面对物体经过散射的衍射像进行强度采集以获得衍射强度图像序列﹛I¹，…Iⁱ，…I^K﹜；S4.将步骤S1获得的灰度‑相位幅值曲线、系统的物理参数以及步骤S3获得的衍射强度图像序列结合ePIE算法进行迭代重构，得到物体高分辨率的幅值和相位分布信息。该方法和系统无需机械扫描或更换介质就可以重构物体高分辨率的幅值和相位分布信息，且需要的图像数量少，鲁棒性高，灵活性强。

技术领域

本发明涉及无透镜相干衍射成像(Lensless coherent diffrative imaging，LCDI)，特别是基于波前调制的叠层衍射图像重构方法，尤其涉及一种无透镜叠层衍射图像重构方法、系统、计算机设备和计算机可读存储介质。

背景技术

无透镜显微技术(Lens-freeMicroscopy)是一种直接将样品与电荷耦合元件(CCD)或互补金属半导体氧化物芯片(CMOS)等光电传感器紧密靠近，无需光学元件就可以直接对样品成像的技术。在经典的无透镜显微系统中，主要组成部分有光源、样品以及光电传感器，因此，光电传感器的分辨率大小将直接限制成像的分辨率。由于无透镜显微系统中没有加入任一透镜，就很好的解决了传统的光学显微成像需要在视场与分辨率之间折衷的问题，也可以很好地避免由于透镜自身引起的像差问题。同时和价格昂贵，体量重大以及需要专业技术人员操作的传统分析检测仪器相比，无透镜显微技术原理简单，价格低廉，方便携带，有助于检测人员对物体进行实时观察分析。但如果涉及到相干领域，为了恢复物体的相位信息，主流的GS或HIO算法对物体的孤立性以及光源的相干性有很高的要求。因此传统的无透镜相干衍射成像多在光源条件苛刻的X射线同步辐射平台上实验。

在1969年，Hoppe首次提出了叠层扫描成像(Ptychography)的概念，其目的是为了能够确定性地解出复振幅物体的相位信息。叠层扫描相干衍射成像系统通过二维移动孔径光阑或者样品获得多张对应于样品不同部位的强度衍射图。叠层成像通过记录数据的高冗余度来提高相位恢复算法的收敛性和降低对实验条件的要求。随着重构算法的发展，叠层扫描成像质量得到了显著地提升，应用范围也不断扩大。2004年Rodenburg等人提出一种叠层衍射成像算法(PtychographicIterativeEngine，PIE)，使用多张强度图样取代传统单张强度图样，利用数据的冗余性大大降低LCDI对物体以及光源的严格限制，并且极大提高算法的收敛性。这种叠层扫描技术与波前调制技术，共同为无透镜相干衍射成像在实验室的可见激光条件下，对常见生物组织细胞物体实现显微成像提供了可能。

现有主流实验室内的无透镜相干衍射成像技术，一般分为两种，一种是无透镜同轴全息成像技术，又称片上全息。系统中物体和传感器的距离非常接近，然后通过改变LED光源的波长，照射角度等方法采集多组数据，但这种基于干涉的方法不够稳定和鲁棒。另一种是基于散射介质的无透镜成像系统，其在传感器前面或者光源后面对波前进行随机调制，使得物体信息得到更好的收敛。但这种方法往往需要多种不同的散射介质，并且对于未知的散射介质往往需要采集上千张图片才能较好地重构物体。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种无透镜叠层衍射图像重构方法、系统、计算机设备和计算机可读存储介质，该方法和系统无需机械扫描或更换介质就可以重构物体高分辨率的幅值和相位分布信息，且需要的图像数量少；另外，对参数误差和空间光调制器本身的调制误差具有鲁棒性高，灵活性强的特点。