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对称照明在傅里叶叠层成像中的应用

更新时间：2019-12-30 03:02:56 大小：1M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：傅里叶叠层成像 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

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.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 22 (2017) 224201  
∗
对称照明在傅里叶叠层成像中的应用  
张雷雷1)2) 唐立金1) 张慕阳1) 梁艳梅1)†  
1)(南开大学现代光学研究所, 光学信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300350)  
2)(中国洛阳电子装备试验中心, 光电测试与评估技术重点实验室, 洛阳 471003)  
( 2017 年 3 月 10 日收到; 2017 年 8 月 19 日收到修改稿 )  
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.  
关键词: 对称照明, 傅里叶叠层成像, 图像重建  
PACS: 42.30.–d, 87.64.M–, 42.30.Wb  
DOI: 10.7498/aps.66.224201  
较长的曝光时间 [1]. 为了提高 FP 的速度, 国内外  
学者进行了大量的研究. 传统 FP 需要对同一 LED  
采集多个不同曝光时间的低分辨率图像, 然后进  
行高动态范围合成, Dong 等 [14] 将稀疏采样引入  
FP, 通过一个模板剔除低分辨率图像中过曝光和  
过暗的像素, 将传统 FP 图像数从多于 445 幅减少  
到 225 幅. Bian 等 [15] 提出了基于内容的自适应照  
明方式, 筛选出傅里叶频谱中信息最丰富的区域对  
应的低分辨率图像, 利用FP重建高分辨率图像, 可  
以减少 30%—60% 的采样时间. Zhang 等 [16] 基于  
内容的自适应照明原理, 提出了自学习FP技术, 使  
用低分辨率图像预测频谱信息最丰富的区域, 且仅  
点亮这些区域所对应的 LED, 可以减少约 70% 的  
低分辨率图像. Guo 等 [17] 研究了LED 灯板布局对  
成像效果的影响, 并设计了一种非均匀圆形 LED  
照明器, 与传统 LED阵列相比, 可以减少50%的图  
像数, 且能获得更好的恢复效果. 这些方法都采用  
单个灯顺序点亮的方式, 仍然受限于 LED 的亮度.  
1 引  
言
傅里叶叠层成像技术 (Fourier ptychography,  
FP) 是近几年发展起来的一项全新的用于恢复样  
品高分辨率强度和相位的技术 [1−11]. FP 使用简单  
的设备和简练的算法, 实现了样品大视场条件下的  
高分辨成像, 同时可进行三维重聚焦 [12,13]. FP 系  
统将传统显微镜中的照明系统替换为一个可编程  
控制的发光二极管 (LED) 阵列, 依次点亮各 LED  
产生不同方向的照明光, 对样品频谱产生不同程度  
的迁移, 并记录在一系列低分辨图像中. 对这些低  
分辨图, 通过频域和空域的迭代更新, 重建出更丰  
富的样品频谱信息. 最后, 经逆傅里叶变换得到样  
品的高分辨率强度图和相位图. FP 解决了物镜数  
值孔径对分辨率的限制, 使得低数值孔径的物镜也  
能得到高分辨率.  
限制 FP速度的主要因素是较多的低分辨图像  
数量和较低的 LED 强度导致的电荷耦合器 (CCD)  
∗
国家自然科学基金 (批准号: 11374167) 和国家重点研发计划 “数字诊疗装备研发” 重点专项 (批准号: 2016YFC0101002) 资助的  
课题.  
†
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
224201-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 22 (2017) 224201  
Dong 等 [18] 提出光谱复用和相干态解析方法, 通过  
kyi), 其对样品进行照明时, 输出的复振幅分布为  
同时点亮两个相邻的 LED, 然后对其频谱进行解  
算, 可以减少 50% 的图像数. 使用该原理同时点亮  
红绿蓝三色LED, 可实现黑白相机采集并恢复出高  
xix+kyi  
Ai(x, y) = h(x, y) ⊗ (A (x, y) ej(k  
y)),  
obj  
(1)  
式中 Ai(x, y) 为第 i 个 LED 照明时系统的输出复  
振 幅 分 布, h(x, y) 为 系 统 相 干 点 扩 散 函 数, ⊗  
分辨率彩色图像. Tian 等提出多路复用照明 [19]  
和
计算照明 [20] 同时随机点亮4—8 个LED, 然后在迭  
代过程中将低分辨率图像的强度和频谱进行分解,  
恢复出高分辨率图像, 将 FP 所需图像数减少到 21  
幅, 达到同样的分辨率传统FP需要173幅. 上述多  
灯照明的方法减少了 FP 所需图像的数目, 但恢复  
过程中需要更多的时间.  
经过几年的发展, FP 的成像速度得到了很大  
提高, 但仍不能满足实时采样的需求. 本文利用  
FP 在空域和频域的对称性, 提出了一种对称照明  
FP (symmetry illumination Fourier ptychography,  
SFP), 在不关注样品相位的情况下, 利用对称照明,  
不仅能够减少 FP 所需的图像数量, 而且能提高照  
明的亮度. 该方法可以直接与其他提高 FP 速度的  
方法结合, 不增加系统和算法的复杂性.  
表示卷积算子, A (x, y) 为样品的复振幅分布,  
obj  
ej(k  
y) 表示第 i 个 LED 的单位入射平面波.  
xix+kyi  
同理, 第 n − i+1 个 LED 照明时, 其输出复振幅  
分布为  
An−i+1(x, y)  
x(n−i+1)x+ky(n−i+1)  
= h(x, y) ⊗ (A (x, y) ej(k  
y)).  
obj  
(2)  
考虑到第i个LED与第n−i+1个LED存在中心对  
称关系, 则  
An−i+1(x, y)  
xix+kyi  
= h(x, y) ⊗ (A (x, y) e−j(k  
y)). (3)  
obj  
若忽略样品的相位, 则样品 A (x, y) 为一实函数,  
obj  
可以得到  
2
2
|Ai(x, y)| = |An−i+1(x, y)| ,  
(4)  
2 FP中的对称性  
2
2
式 中, |Ai(x, y)| = Ii(x, y), |An−i+1(x, y)|  
=
2.1 空域对称性  
In−i+1(x, y) 分别表示第 i 个 LED 和第 n − i+1 个  
LED 照明时, 系统输出的光强. 由于 CCD 只能记  
录样品的光强, 而不能记录相位, 因此对称位置的  
LED照明时, 系统采集到的低分辨率图像具有相同  
的强度分布. 图 2 给出了两组对称照明时的输出强  
度的对比图. 其中图 2 (a1) 和 (a2) 为输入图像的强  
度和频谱. 图 2 (b1) 和 (b2) 以及图 2 (c1) 和 (c2) 为  
两组对称照明下的输出图像, 分别对应于图 2 (a2)  
中红色和蓝色的频谱区域.  
傅里叶叠层成像系统通常包含 LED 阵列、样  
品、物镜、筒镜(tube lens)和相机五个部分. 本文采  
用了 195 mm 共轭的物镜构成的单筒显微镜, 因此  
没有筒镜, 系统原理图如图 1 所示. 物镜齐焦距离  
为 45 mm, 机械筒长为 150 mm. LED 阵列与样品  
的距离远大于系统的成像范围, 因此单个 LED 可  
以看作相干点光源. LED 发出的近似平行光, 照射  
样品, 经过物镜的放大, 利用相机采集不同角度照  
明下的样品强度分布.  
由于对称位置的两个灯不相干, 因此同时点亮  
时, 系统出射强度符合非相干叠加的原理, 像的强  
度是单个LED照明时的两倍.  
镜筒  
物镜  
Ii(n−i+1)(x, y)  
=Ii(x, y) + In−i+1(x, y) = 2Ii(x, y),  
(5)  
样品  
傅里叶平面  
相机  
式中, Ii(nꢀ−i+1)ꢀ(x, y) 表示第 i 个和第 n − i+1 个  
LED 同时照明时系统输出的强度分布. 对于相位  
特征不明显的薄生物样品, 用对称照明能得到相近  
的强度分布. 而且在 FP 实验中, 很容易实现光的  
对称照明, 因此在忽略样品相位、仅考虑其强度分  
布时, 可以通过同时点亮对称的两个灯来减少所需  
低分辨率图像的数量, 并提高照明的强度.  
LED 阵列  
图 1 FP 系统原理图  
Fig. 1. Schematic diagram of FPM.  
假定 LED 阵列包含 n 个 LED 点源, 中心灯的  
坐标为 (n+1)/2. 第 i 个 LED 对应的波矢为 (kxi,  
224201-2  

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