高通量快速傅里叶叠层显微成像技术研究进展

傅里叶叠层显微术（Fourier ptychographic microscopy,FPM）是一极具前景的计算成像技术,它具有高分辨率、大视场、无标记和定量相位等优势。由于它灵活的系统、高对比度的成像结果、无需干涉装置和光源机械扫描部件,在数字病理学、体外细胞无标记观察和实时监测等方面得到了大量的研究和应用。文中主要介绍了FPM技术的系统误差校正方法、基于FPM的高通量显微成像和高速显微成像技术研究的基本原理、研究现状和最新进展,提出了目前面临的问题以及未来的发展趋势。     

基于多尺度特征融合网络的傅里叶叠层成像

傅里叶叠层成像是一种实现光学系统高分辨率、大视场成像的技术。传统FP方法的高分辨率重建过程需要较高的孔径重叠率,导致采集图像数量较多,采样效率低。此外,FP重建算法的复杂度高,重建时间长。针对以上问题,本文结合深度学习,提出一种基于多尺度特征融合网络的傅里叶叠层成像算法,通过改进的特征金字塔卷积神经网络,能够从稀疏采样的低分辨振幅图像中提取特征信息并进行融合,实现超分辨的复图像重建。实验结果表明,在相同采样条件下,与传统方法相比,本文提出的深度学习算法提高了图像重建的质量,减少了90%以上的重建时间,并且对高斯噪声的鲁棒性较高。所提出的方法能够将相邻频域子孔径间的重叠率从50%降低至25%,减少50%的采集图像数量,大幅提高采样效率。     

基于离散剪切波变换的傅里叶叠层成像算法研究

本文为了提高傅里叶叠层成像的图像重建质量,提出基于离散剪切波变换的傅里叶叠层成像,将离散剪切波作为稀疏基,利用其多尺度和各向异性的特点对图像进行稀疏重构。实验证明:该算法能够显著提升图像重建质量,并且具有良好的稳定性和鲁棒性。     

波长复用傅里叶叠层显微术的关键参数研究

波长复用傅里叶叠层显微术(WMFPM)是为了提 高傅里叶叠层显微术的采集效率和进一步获取高分辨率彩色图 像而提出的,但是目前选用实验系统器件参数时没有确定的方向。为了研究波长复用傅里叶 叠层显微系统 的关键参数对恢复彩色图像质量的影响,仿真实验分别研究了空间采样率、频 谱重叠率以及 二者结合对最终恢复质量的影响,结果表明:在相同的频谱重叠率下,空间采样率需要 满足空域采样 要求才能保证恢复质量,所以要选择满足空间采样要求的相机像素尺寸;在相同的空间采样 率下,频谱重 叠率在50%之间,可以达到较好的恢复质 量,因此需要根据实际的实验条件选择合适的LE D和样品之间的距离。研究结果对设计系统和选用最佳的系统参数提供了一定的指导作用。     

傅里叶叠层显微术的照明光强校正研究北大核心CSCD

傅里叶叠层显微术(FPM)是一种新型的计算显微成像技术,FPM与传统显微术照明方式不同,常采用可编程LED阵列进行不同角度照明,而LED灯珠发射光强与角度有关,随角度增大光强迅速减弱,不同角度照明光强不能保证一致,导致重建图像质量下降。因此,在进行相位迭代反演计算过程中,需要对不同角度照明拍摄的图像进行光强校正。介绍了不同角度照明光强不均一的原因,通过数值模拟,探讨了对不同角度照明光强进行校正的必要性,最后给出了物理上光强校正的实验结果。     

傅里叶叠层显微术的照明光强校正研究北大核心CSCD

傅里叶叠层显微术(FPM)是一种新型的计算显微成像技术,FPM与传统显微术照明方式不同,常采用可编程LED阵列进行不同角度照明,而LED灯珠发射光强与角度有关,随角度增大光强迅速减弱,不同角度照明光强不能保证一致,导致重建图像质量下降。因此,在进行相位迭代反演计算过程中,需要对不同角度照明拍摄的图像进行光强校正。介绍了不同角度照明光强不均一的原因,通过数值模拟,探讨了对不同角度照明光强进行校正的必要性,最后给出了物理上光强校正的实验结果。     

空间频谱约束傅里叶叠层成像重建方法

傅里叶叠层成像是一种能够同时实现大视场和高分辨的成像方法,公开发表的文献表明其空间分辨率极限由照明数值孔径和物镜数值孔径决定。为了进一步提高其分辨率,提出了频域和空间约束傅里叶叠层重建方法:利用传统重建算法获得的空间频谱进行频域约束,以传统重建算法获得的图像进行空间约束;该方法基于一个假设:图像具有稀疏特性;从传统重建算法获得的图像中提取所需的频域和空间约束条件,不需要额外采集数据和硬件改进。仿真和实验结果表明:与传统无约束重建方法相比,提出的算法能够提高分辨率和改善对比度,空间分辨率提高幅度高达~26%。     

无透镜编码叠层显微成像原理及研究进展（特邀）

叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法,目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用,分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术,具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式,以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展,分析了其成像性能,重点介绍了其在生物医学方面的相关应用,并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。     

选择型照明傅里叶叠层成像提取粒子尺度

提出了一种粒子尺度信息提取方法,通过将傅里叶叠层思想应用到粒子尺度信息提取中实现了比/NA更高的空间分辨率。在传统的傅里叶叠层成像系统中,采用一个二维LED阵列作为光源以获得不同角度的照明,通过扫描阵列中的所有LED,获取一系列低分辨图像,然后利用这些低分辨图像生成一幅高分辨图像。为了减少所需的低分辨图像幅数,进一步提出了选择型照明傅里叶叠层成像提取粒子尺度信息的方法,通过分布在一个圆周上的LED提取粒子尺度信息,根据分辨率极限公式给出了圆周半径的选择方法。仿真结果结果表明提出的方法在不损失精度的前提下能够大幅度减少需要的低分辨图像幅数。     

傅里叶变换红外成像系统

Varian公司推出一种适合傅里叶变换红外成像应用的快速红外成像系统．这种成像系统使用该公司自己生产的显微镜、焦平面列阵探测器和快速扫描光谱仪。该     

对傅里叶频谱的坐标变换

在傅里叶计算全息中,只要对虚拟物的频谱进行简单的坐标变换,就可获得虚拟物的多种形式的再现像,如切变、旋转和翻转等。本文阐明了此种坐标变换的原理和方法,给出了与理论相符合的实验结果,并讨论了可能出现的问题。     

傅里叶望远镜成像原理对比验证

为了有效开展傅里叶望远镜成像原理的外场实验,建立了傅里叶望远镜成像过程模型并进行了定量模拟,同时搭建了实验室仿真实验进行对比验证。首先,根据傅里叶望远镜成像原理将成像过程分解为多个阶段。然后,依据不同阶段对探测波面的不同作用建立了相应的波动光学模型,并在确定望远镜配置参数的基础上开展了成像过程的模拟验证。最后,搭建了相同配置的室内仿真实验并完成了对比验证和影响因素分析。结果表明:定量模拟验证与实验室内仿真验证有较好的一致性,在探测波长532 nm、信噪比大于等于100的情况下均能较好地重构出目标图像。对比验证可为傅里叶望远镜后续的外场实验提供参考。     

无成像镜全反射傅里叶变换成像结构光谱检测的机理

全反射傅里叶变换成像光谱仪在航空航天遥感等领域具有重要的应用。专门设置的柱面镜和准直系统,使得光路结构复杂,不仅增加了成像光谱议光学设计和安装调试、维护的难度,同时也增加了成像光谱议的重量和光能的损耗。提出了一种无成像镜实现成像光谱检测的结构,对其检测机理进行了研究。对波长632.8 nm、940 nm和3000 nm进行光谱检测的仿真实验表明,其光谱测量误差小于1%。     

傅里叶望远镜对实际有纵深目标成像的研究

为了实现傅里叶望远镜对有纵深的真实目标高分辨率成像,利用成像基本公式,采用先直观定性分析后计算机定量仿真的方式开展研究。原理分析得出米级纵深目标的回波最大延迟时间差为6.7 ns。定性分析指出信号周期远大于6.7 ns时,傅里叶望远镜可以对米级纵深目标成像;信号周期约为6.7 ns或则更小时,成像质量将严重下降。定量分析先给出回波最大延迟与信号周期比从0至1/8范围内的重构图像结果和Strehl值的比较,得出延迟与周期之比小于1/32时还能获得可识别目标重构图像的结论。然后再比较分块数分别为2、4和8时重构图像结果及Strehl值,得出在满足信号周期远大于最大延迟条件下,目标纵深变化对成像无影响的结论。通过对纵深在10 m以内目标的仿真研究,得出外差频率低于466 k Hz的信号可重构出可识别的目标图像的结论。     

无成像镜全反射傅里叶变换成像结构光谱检测的机理研究

全反射傅里叶变换成像光谱仪在航空航天遥感等领域具有重要的应用。专门设置的柱面镜和准直系统，使得光路结构复杂，不仅增加了成像光谱议光学设计和安装调试、维护的难度，同时也增加了成像光谱议的重量和光能的损耗。提出了一种无成像镜实现成像光谱检测的结构，对其检测机理进行了研究。对波长632.8nm、940nm和3000nm进行光谱检测的仿真实验表明，其光谱测量误差小于1%。