对称照明在傅里叶叠层成像中的应用

傅里叶叠层成像技术是一种全新的能够恢复出大视场下高分辨率图像的技术,而较长的采样时间限制了傅里叶叠层成像的实际应用.本文阐述了一种利用对称照明提高傅里叶叠层成像速度的方法,研究了傅里叶叠层成像在空域和频域上的对称性,指出在不考虑相位的情况下,利用对称照明可提高照明强度,减少傅里叶叠层成像所需要的图像数,同时可以提高傅里叶叠层成像图像重建的速度.实验表明使用对称照明可以在不改变算法复杂性的前提下,得到与传统傅里叶叠层成像同样的高分辨率,且所需的图像数减少约50%,采样时间减少约70%,图像重建时间减少约50%.基于对称照明的方法将促进傅里叶叠层成像技术在实时成像中的应用.     

加权切趾传递函数约束的傅里叶叠层显微成像

傅里叶叠层显微成像技术(FPM)是一种新型显微成像技术,该方法巧妙地结合了相位恢复算法和合成孔径的理念,解决了大视场与高分辨率难以兼备的问题.在传统计算中,往往将FPM成像过程近似为相干成像,即将LED视为点光源,进而相干传递函数作为最优解的频谱支持域约束.但是,严格来说,LED是扩展的非相干光源,因此这种不恰当的近似...     

相干X射线衍射成像的数字模拟研究

相位重建是实现X 射线相干衍射成像的关键, 它利用远场采集的样品傅里叶相干衍射花样、结合过采样理论,再采用迭代算法复原样品的相位信息. 文中采用数字模拟的方法, 利用小尺寸二维非周期性图形作为物场, 研究了过采样比对重构结果的影响, 研究发现, 迭代次数为1000 次时最佳过采样比的范围是3—7 之间. 利用噪声模拟方法, 研究了噪声对相位重建的影响, 找到了完成相位重建的噪声限是信噪比不能低于10. 分析了重构结果中孪生像以及随机平移的产生原因, 并给出了相应的解决办法, 结果表明, 此方法可有效地提高重构图像的质量. 关键词： 相干X射线衍射成像 过采样 相位重建算法 显微成像     

相干场成像技术接收镜精度对传递函数的影响

根据相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)接收镜的特点, 研究了接收镜偏差对相干场成像技术光学传递函数的影响, 推导了光学传递函数与接收光路光程均方差的关系式. 该式表明相干场成像技术的光学传递函数是接收光路光程均方差与频差乘积的平方的负指数函数. 为确定接收系统精度提供了理论依据. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 误差 光学传递函数     

面向下一代数字病理成像分析仪的高通量全彩色傅里叶叠层显微成像术（特邀）（英文）

傅里叶叠层显微成像术是近年来提出的新型计算成像技术,它有效解决了传统显微成像中分辨率与视场制约的问题,无需对样本进行机械扫描便能获得十亿像素级的高通量图像,有效解决传统数字病理扫描仪器的拼接伪影、重影、拼接成功率低、景深狭小、效率偏低等问题。近年来更是发现其不单是解决视场与分辨率制约的工具,更是解决一系列权衡问题的范式,从而迸发出源源不绝的生命力与应用潜力。本文全方位概述了傅里叶叠层显微成像术技术9个方面的发展趋势,简介了其起源与基本原理,着重综述了其在面向下一代数字病理成像分析仪的多个阶段与最新进展。指出其在这一应用方向上已进入“10-100”的产业化阶段。讨论了其产生大规模社会经济效益的可能性,其极有可能给数字病理行业及其上下游相关行业带来突破进展。尽管如此,作为典型交叉领域仍有不尽人意之处,包括科学问题、技术问题、工程问题及行业问题,需要多方共同努力推进,展望了未来技术与工程发展方向。     

相干场成像技术分辨率研究

根据光学传递函数的相关理论, 推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数, 给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式, 为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据. 在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 分辨率 光学传递函数     

基于凸优化的傅里叶叠层成像技术研究

在傅里叶叠层成像(FPM)过程中采集的低分辨率图像会对重建图像质量产生直接影响,已有的研究提出用图像超分辨率重建技术和对低分辨率图像进行传统去噪处理的方法来解决该问题,但超分辨率重建的方法需要采集大量的原始图像,会加大采集端的时间损耗,而传统去噪算法会造成原始信息丢失,严重影响重构图像质量.因此论文引入凸优化算法,噪声...     

相干场成像原理局限性分析

研究了相干场成像技术(又称傅里叶望远术)的基本原理,从理论上分析其局限性,明确定义测量对象并通过曲面积分推导成像过程中的数学关系.结果表明,该技术的重建图像中含测量对象表面的梯度信息,其对物体表面反射率分布的测量是不准确的,并进行了计算机仿真验证.这为评估该技术成像结果和进一步发展相干场三维成像提供借鉴.     

基于傅里叶叠层显微成像的LED阵列位置校正方法

傅里叶叠层显微成像(FPM)利用LED阵列角度变化的光照来克服低数值孔径物镜的分辨率限制.在传统的FPM系统中,LED阵列的位置误差将会给图像重建过程带来严重影响.因此准确校正LED阵列的位置对于提高重建图像质量至关重要.为了解决这一问题,提出一种基于遗传退火优化算法的位置校正方法.首先分析LED阵列、样品及物镜数值孔...     

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

利用相干X射线衍射成像“过采样”采集样品的远场相干衍射图样, 结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息. 三维重建过程中, 边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分. 本文采用数字模拟的方法, 利用灰度值图像作为物空间的样品, 研究并实现了边界条件的自动寻找, 重建结果显示比以往采用较“松”的边界约束更为精确. 利用噪声模拟方法, 研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响. 研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干X射线衍射成像, 并找到了适用于相干X射线衍射成像噪声滤除的有效方法. 研究表明, 此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响. 利用模拟三维纳米金颗粒作为样品, 完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建, 在有随机噪声的影响下, 也得到了很好的重建结果, 并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27. 关键词： X射线相干衍射成像 过采样 三维相位重建 显微成像     

傅里叶望远镜大气湍流模拟实验

傅里叶望远术是一种能对深空暗弱目标进行高分辨率成像的技术.为了验证大气湍流对傅里叶望远镜系统的影响,进行了实验室环境下大气湍流模拟实验研究.在三束光傅里叶望远镜实验系统上,通过控制射频驱动器的输出功率来模拟光强抖动,改变射频驱动器的瞬时频率来模拟相位抖动.给出了实验理论依据,推导了湍流强度与实验变量的关系.实验在弱湍流闪烁和相位抖动两种情况下,分别给单束光和三束光加随机扰动并计算其Strehl比.结果表明,只在单束光上加扰动时重建图像影响不大;在三束光上加扰动时,弱湍流光强抖动对傅里叶望远镜系统的成像效果影响具有较大的随机性,而相位抖动会严重影响系统成像质量.因此,消除光强抖动和相位抖动影响是图像重建算法改进应该考虑的一个关键因素.     

微结构形貌的光场显微三维重构分辨率增强技术

扫描式的测量技术是目前微结构表面形貌测量的主流技术,但需要高精度的机械扫描、较长的测量时间。针对其问题,结合光场显微技术和傅里叶叠层显微技术,提出了一种分辨率增强的三维重构技术,通过在常规显微成像系统中加入光学编码元件,使用单次曝光而获得被测工件的光学切片序列,基于傅里叶叠层显微技术实现了对切片图像横向分辨率的增强,克服了光场成像技术中的分辨率损失。实验证明,提出的三维重构技术对于微结构表面加工过程的在线测量具有较好的应用前景。     

模拟退火算法色差校正的傅里叶叠层显微彩色成像技术

提出一种基于模拟退火算法的自动聚焦方法,可以分别重建三种照明色光的高分辨率图像,从而实现高分辨率彩色图像的构建.模拟仿真和分辨率靶及生物切片样品实验结果均表明,即使色差较严重的显微系统,利用该方法也能准确地获得高分辨率彩色图像,极大降低了对显微镜的性能要求,扩展了傅里叶叠层彩色成像的适用范围.     

方形孔径的宏观傅里叶叠层超分辨成像研究

随着成像系统小型化发展，透镜和光阑不再必须是圆形的，方形孔径更有利于收集微成像器件完整孔径的光场。研究了基于方形孔径的宏观傅里叶叠层成像技术，利用成像传感器及其傅里叶域自然的矩形结构，更有效利用方形孔径的合成来提高成像分辨率。数值模拟和实验验证表明：边长和直径相等的方形孔径与圆形孔径相比，方形孔径具有高光通量和宽传递函数的优势，可实现更高的成像分辨率、速度和信噪比。     

准相位闭合在傅里叶望远镜图像重构算法中的应用

为了采用T型激光发射阵列的傅里叶望远镜对深空暗、弱、小目标进行高分辨率成像探测,研究了T型发射阵列情况下的图像重构算法.借鉴点面激光发射阵列,提出了准相位闭合概念,分别得到了T型发射阵列的最小二乘法(LMS)和加权噪声的Wiener滤波图像重构算法,完善了T型激光发射配置的傅里叶望远镜成像系统,为实际工程系统的实施奠定了技术基础.在不同成像信噪比条件下对整体系统数值模拟发现:相比直接傅里叶逆变换方法,重构图像成像质量有所提升,特别是当成像信噪比较低时,如SNR为50时,LMS和加权噪声的Wiener滤波方法重构图像的斯特里尔比分别提高了7%和8.4%,证实了该方法的可行性和正确性.     

叠层相干衍射成像算法发展综述

随着同步辐射技术的发展和光源相干性的提升,叠层相干衍射成像(ptychography)得到快速发展.叠层相干衍射成像算法解决了传统相干衍射成像算法收敛速度较慢、容易陷入局部最优解和算法停滞等问题,具有成像视场大、算法鲁棒性强、对误差容忍性高、应用范围广等优点,正成为相干衍射成像领域的热点研究方向.本文首先介绍了叠层相干衍射成像算法提出的背景;然后详细总结了叠层相干衍射成像算法的发展脉络、主要的算法流程以及应用场景,并且介绍了叠层相干衍射成像与人工智能结合的新算法及应用潜力;最后介绍了叠层相干衍射成像算法具体的并行化实现及常用软件包.本文有助于建立叠层相干衍射成像领域算法本身、人工智能以及计算方法全局研究视角,对于促进叠层相干衍射成像方法学的系统发展具有重要的参考意义.     

多光束激光相干成像孔径偏差对成像质量影响

多光束激光相干场成像技术突破传统概念，采用微小频移的光束组两两干涉提取目标的傅里叶分量，通过目标频谱傅里叶逆变换获得目标高分辨率图像。该技术仍处于实验室原理验证向实体阵列过渡的研究阶段。在这一过程中多种影响因素对成像质量产生着影响。其中发射阵列的孔径位置误差分布规律以及控制范围一直缺乏较为系统的理论支撑。从傅里叶望远镜发射阵列的光场传输特性入手，分析了在基线不同位置引入孔径误差时对成像质量的影响。并分析出孔径位置精度的要求与分布规律，同时针对这一分布规律提出了孔径位置的相对误差精度，计算机仿真分析得出相对误差精度应控制在5%以内不影响成像质量。该研究为傅里叶望远镜发射阵列的设计与装调提供了理论依据，为傅里叶望远技术的工程化实现奠定一定的理论基础。     

小孔扫描傅里叶叠层成像的关键参量研究

小孔扫描傅里叶叠层成像术已在三维全息重聚焦和超分辨宏观成像领域显示出巨大的潜力。对小孔扫描傅里叶叠层成像技术的关键参量对光场恢复质量的影响进行了研究,根据小孔扫描傅里叶叠层成像的迭代算法,通过仿真实验研究了小孔的交叠率和孔径大小对光场恢复质量的影响。仿真结果表明:在相同孔径情况下,小孔交叠率存在一个阈值,当交叠率大于该阈值时,光场恢复质量随交叠率增大而显著提高;在相同交叠率情况下小孔孔径越小光场恢复质量越高。该研究成果对小孔扫描傅里叶叠层成像术在进一步应用中的参数优化能起到一定程度的理论指导作用。     

湍流大气成像系统长曝光传递函数的研究

采用傅里叶变换法对在Kolmogorov谱大气湍流下望远镜的长曝光成像进行了模拟,给出了湍流大气成像系统长曝光传递函数的数值模拟方法,求出了在此情况下的长曝光传递函数。给出了大气湍流在Kolmogorov谱假设下成像系统长曝光传递函数的理论值。基于空间目标为点目标的假设,提出了一种湍流大气成像系统长曝光传递函数的测量方法。对由三种方法获取的大气湍流长曝光传递函数进行了比对分析。结果表明,由三种方法获取的大气湍流长曝光传递函数基本上是一致的,由傅里叶变换法模拟和实际测量得到的传递函数是合理的。     

分数域滤波的分数傅里叶变换光学成像性能分析

将分数域滤波同光学成像相结合,提出了一种基于Lohmann Ⅰ型的带有滤波孔径的两级联分数傅里叶变换光学成像系统.根据分数傅里叶变换和菲涅耳衍射之间的关系以及分数傅里叶变换的分数阶可加性,结合分数域滤波分析了分数傅里叶变换光学成像的基本理论.以点扩散函数和调制传递函数作为评价成像质量的准则,详细分析了不同分数阶光学系统...