孪生图像消除的数字全息成像技术的制作方法

1.本发明涉及数字全息领域，并且更准确地说，涉及一种在数字全息成像中去除孪生图像的方法。


背景技术：

2.数字全息术是一种用传感器记录表示由物体衍射的波的相位和振幅的全息图的方法。全息图记录由照明光束和由成像物体衍射的光生成的干涉图案的强度空间分布。全息图使得使用数字重建算法经由计算重建物体的图像成为可能。更准确地说，成像物体的相位和吸收特性是通过全息图的反向传播来获得的，反向传播是使用例如基于瑞利-索末菲(rayleigh-sommerfeld)衍射理论的传播算法来计算的。
3.数字全息术特别用于生物成像，因为它有对透明物体(诸如生物细胞或生物体)成像的能力，并且特别是在数字全息显微镜中。具体地，与其他成像方法相反，数字全息术不需要注入染料来使透明物体可见，也不需要使用可能损坏被成像生物物体的高能辐射(例如x-射线)。
4.全息成像旨在发现被成像物体的相移空间分布和吸收空间分布。具体地，被成像物体的这些特性使得能够精确地表征被成像物体，并且因此使得例如能够识别它。
5.在各种全息术方法中，在线全息术具有高的相位灵敏度，并且因此是最适合对低相位生物物体成像的方法。
6.然而，在线全息术有一个主要的缺点，即存在孪生图像或正位图像，这是由于全息图中相位信息的损失而导致的，全息图只记录强度。孪生图像是出现在全息图中的伪影，是由相对于全息图的平面与被成像物体对称布置的附加成像物体造成的。由于孪生图像是失焦的，因此在相位图像和吸收图像的重建过程中，它会导致被成像物体的形状失真，这可能会妨碍对这些图像的利用。


技术实现要素：

7.本发明旨在允许在在线全息术期间去除由于孪生图像的存在而产生的伪影。
8.为此，本发明提供了一种数字全息成像方法，包括以下步骤：
9.1)通过全息术获得全息图，所述全息图表示在被成像物体的全息图坐标处的全息图平面中由照明光束和放置在成像轴上的物体坐标处的所述被成像物体之间的相互作用引起的干涉的空间强度分布，
10.2)实施多次迭代，每次迭代包括以下步骤：
11.2.a)通过包括对应于全息图的强度空间分布的振幅空间分布和相位空间分布的全息图场反向传播到物体坐标，确定包含被成像物体的吸收空间分布和相移空间分布的物体场，
12.2.b)通过将吸收空间分布的值降低到吸收阈值以下以及通过将相移空间分布的值降低到相移阈值以下，对被成像物体的吸收空间分布和相移空间分布的值进行阈值处
理，吸收阈值和相移阈值随着每次迭代而降低，
13.2.c)通过将物体场再传播到全息图坐标，确定包括修改后的振幅空间分布和修改后的相位空间分布的修改后的全息图场，
14.2.d)用修改后的相位空间分布取代全息图场的相位空间分布，全息图场的振幅空间分布被保留，
15.3)将被成像物体的相移空间分布和吸收空间分布确定为最后一次迭代的物体场的相移空间分布和吸收空间分布。
16.本发明有利地由以下各种特性来补充，这些特性可以单独实施或以它们的各种可能组合来实施：
[0017]-在阈值处理期间，低于吸收阈值的吸收空间分布的值和低于相移阈值的相移空间分布的值被设置为零；
[0018]-吸收阈值取决于吸收空间分布的最大值，并且相移阈值取决于包含在物体场中的相移空间分布的最大值；
[0019]-在第一次迭代中，吸收阈值和/或相移阈值分别对应于吸收空间分布或相移空间分布的最大值的40％和15％之间；
[0020]-在每次迭代中，吸收阈值和/或相移阈值减小吸收空间分布或相移空间分布的最大值的1％至6％；
[0021]-在最后一次迭代中，吸收阈值和相移阈值被设置为零；
[0022]-在阈值处理期间，吸收空间分布的值和相移空间分布的值在迭代期间被保持为正或零；
[0023]-在迭代之前，通过将强度空间分布的值除以对应于全息图坐标处的照明光束的强度的背景图像值来对全息图场进行归一化；
[0024]-阈值处理包括对修改后的吸收空间分布和修改后的相移空间分布的平滑；
[0025]-全息图场和/或物体场具有随着迭代而增加的空间分辨率。
附图说明
[0026]
本发明的其他特征、目的和优点将从以下描述中变得显而易见，以下描述纯粹是说明性的和非限制性的，并且必须参考附图来阅读，其中：
[0027]-图1是示出根据本发明的一个可能实施例的方法的主要步骤的流程图，
[0028]-图2示意性地示出了根据本发明的一个可能实施例的用于获取全息图的全息成像系统的一个示例，
[0029]-图3示出了根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例的细菌簇的全息图，
[0030]-图4a示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，从图3的全息图确定的初始相移空间分布，
[0031]-图4b示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，从图3的全息图确定的初始吸收空间分布，
[0032]-图4c示出了图4a中细菌的相移值的分布图，
[0033]-图4d示出了图4b中细菌的吸收值的分布图，
[0034]-图5a示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，第一次迭代之后的相移空间分布，
[0035]-图5b示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，第一次迭代之后的吸收空间分布，
[0036]-图5c示出了图5a中细菌的相移值的分布图，
[0037]-图5d示出了图5b中细菌的吸收值的分布图，
[0038]-图6a示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，第五次迭代之后的相移空间分布，
[0039]-图6b示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，第五次迭代之后的吸收空间分布，
[0040]-图6c示出了图6a中细菌的相移值的分布图，
[0041]-图6d示出了图6b中细菌的吸收值的分布图，
[0042]-图7a示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，第二十次迭代之后的相移空间分布，
[0043]-图7b示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第一示例中，第二十次迭代之后的吸收空间分布，
[0044]-图7c示出了图7a中细菌的相移值的分布图，
[0045]-图7d示出了图7b中细菌的吸收值的分布图，
[0046]-图8a示出了根据本发明一个可能实施例的方法的实施方式的第二示例中，由成像系统获取的聚苯乙烯珠的全息图，
[0047]-图8b示出了该方法的实施方式的第二示例的聚苯乙烯珠的照片，
[0048]-图9a示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第二示例中，在第一次迭代之前，从图8a的全息图确定的初始相移空间分布，
[0049]-图9b示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第二示例中，在第一次迭代之前，从图8b的全息图确定的初始吸收空间分布，
[0050]-图10a示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第二示例中，第二十次迭代之后的相移空间分布，
[0051]-图10b示出了在根据本发明的一个可能实施例的方法的实施方式的第二示例中，第二十次迭代之后的吸收空间分布。
具体实施方式
[0052]
参考图1，数字全息成像方法首先包括获得通过全息术成像的物体的全息图(步骤s01)，通常通过在线全息术。为了实施本发明，全息术不必是在线的，但在在线全息术的情况下，孪生图像的问题是最尖锐的。全息图可以通过各种方式获得，但获得的方式并不影响该方法。特别地，获取全息图的形式是不重要的，因为全息图代表由成像物体生成的干涉的强度空间分布。
[0053]
作为非限制性示例，图2示意性地示出了用于通过放置在全息成像系统的图像平面中的数字图像传感器2对物体1成像的在线全息成像系统。成像系统定义了成像轴6，为了简单起见，该成像轴在这里由对应于光轴的直线表示，但根据成像系统的光学部件的配置，
其可以由定义光的路径的一组连续的直线组成。物体1被放置在成像轴6上的物体坐标zo处，而图像传感器2被放置在全息图坐标zh处并且垂直于成像轴6。因此，全息图表示由放置在成像轴6上的物体坐标zo处的成像物体1和照明光束之间的相互作用引起的干涉在全息图平面(x，y)中的强度空间分布h(x,y)。
[0054]
光源4被配置为通过足够相干的光的照明光束在全息成像系统的视场中照明物体1。光源4可以产生照明光，或者简单地是传输该照明光的光纤的末端。照明光束具有全息成像所需的常规特性，而没有特别的附加约束。因此，照明光束可以是单色的(例如具有大约500nm的波长)，或者可能由例如一个接一个地使用的多个波长组成。全息成像系统在此配备有显微镜物镜8(此处通过入射透镜8a和出射透镜8b示意性地示出)，其放置在样品1和数字图像传感器2之间。然而，显微镜物镜8是可选的，本发明不限于采用透镜的全息显微镜。这里描述的布置当然是一个非限制性的示例。可以使用任何全息成像系统，无论其是否采用显微镜物镜等。因此，只要给定的全息成像系统能够获取其中出现由物体1生成的干涉图案的图像，该全息成像系统就适合于实施该方法。相反，需要知道用于获取所获得的全息图的物体坐标zo和全息图坐标zh。
[0055]
在获取全息图期间，光源4发射参考照明光束，该参考照明光束可以被认为是沿着成像轴6在z方向上传播的参考平面波，并且可以被描述为：
[0056]
r(z)＝aexp(j2πz/λ)
[0057]
其中a为光源4发射的参考波的振幅，λ为参考波的波长。物体1被放置在成像轴6上的坐标zo处，并且由于其衍射特性，将散射入射参考光。这导致由物体1散射的波，其被表示为o(x,y,z)。散射波o(x,y,z)和参考波r(z)在图像传感器2处干涉以形成全息图，在全息图坐标zh处限定全息平面(在x,y中)，全息图坐标zh是图像传感器2在成像轴6上的坐标。由于数字图像传感器2仅对电磁场的强度敏感，因此全息图对应于全息图坐标zh处的总场的强度空间分布h(x,y,zh)，其被指定为全息图场：
[0058]
h(x，y，zh)＝|r(zh)+o(x，y，zh)|2[0059]
在没有物体1的情况下，将仅检测到参考波的强度，并且全息图场将是：
[0060]
h(x，y，zh)＝|r(zh)|2＝|a|2＝b(zh)
[0061]
b(zh)被称为在全息图坐标zh处的背景图像。
[0062]
散射波o(x,y,z)通过复数传输函数t(x,y)与入射波r(z)相关，使得o(x,y,z)＝t(x,y)r(zo)，并且由散射波o(x,y,z)和参考波r(z)的相加产生的总场u(x,y,z)可以被写为：
[0063]
u(x，y，zo)＝r(zo)(1+t(x，y))
[0064]
这种关系可以被重写，以反映参考波被物体1吸收并使其相移的事实：
[0065][0066]
其中a(x,y)是吸收，以及是由于物体1引起的相移。这些可以直接从物体1的特性(结构、成分等)中导出。因此，吸收a和相移也可以被认为是与物体1有关的特性，尽管也与某些参数有关，诸如照明光束的参考波的波长。
[0067]
在继续该方法之前，可以使用全息图坐标zh处的背景图像b(zh)来实施由全息图表示的强度空间分布h(x,y)的归一化(步骤s02)。将强度空间分布h(x,y)的值除以具有均匀
强度值b的背景图像b(zh)，相当于将照明光束的参考波的振幅a设置为1，并且因此允许简化计算。因此，在下文中，振幅a将被认为等于1。
[0068]
然后，该方法包括实施迭代步骤(步骤s03)，该迭代步骤旨在经由光场的反向传播和再传播的多个循环来确定成像物体1的相位和吸收a特性，以便找到未保留在全息图中的总场的相位。在这些循环期间，对相位和吸收a应用越来越严格的阈值处理，以便仅保留最高振幅的区域，其他区域逐渐消失。迭代次数尤其取决于所应用的阈值的减小。通常，迭代次数至少为8次，并且优选地至少为12次。
[0069]
对应于物体场u(x,y,zo)到全息图坐标zh的传播的全息图场是复场，其包括由全息图的强度空间分布h(x,y)表示的振幅空间分布和相位空间分布ω(x,y,zh)。因此，全息图场被写成：
[0070][0071]
由于图像传感器2仅对电磁场的强度敏感，因此全息图坐标zh处的相位空间分布ω最初是未知的，并且必须被设置为初始化值。它被有利地选择为参考波r(zh)在全息图坐标zh处的相位ω(zh)，其通过直接传播来估计：
[0072]
exp(j2πzh/λ)＝exp(jω(zh))
[0073]
因此，从全息图中，获得初始全息场，该初始全息场包括与全息图的强度空间分布相对应的振幅空间分布和被设置为初始化值的初始相位空间分布。
[0074]
在第一迭代步骤s03a中，通过反向传播到全息图场的物体坐标zo来确定复物体场。反向传播利用光衍射模型，诸如瑞利-索末菲模型或基尔霍夫(kirchhoff)衍射模型。这种光衍射模型使得基于第一点处的场表达式的知识来确定第二点处的光场的表达式成为可能。在这方面，可以有利地在频域中操作，并且特别是使用利用傅立叶变换的平面波角谱方法，如joseph w.goodman的作品“introduction to fourier optics”，mcgraw-hill公司，2005年第3版中所述。
[0075]
在第二次迭代步骤s03b中，提取被成像物体1的吸收空间分布a(x，y)和相移空间分布的值。如上所述，物体场u(x,y,zo)包含被成像物体1的吸收空间分布a(x,y)和相移空间分布(以下和下文中呈归一化形式)：
[0076][0077]
通过与入射到物体1上的参考波的共轭相乘，即乘以exp(-jω(zo))，提取形成复数传输函数的吸收a和位移吸收a和位移的这些值是由全息图场向物体坐标zo反向传播产生的，并且可以由于参考波的存在而被提取。
[0078]
对被成像物体1的吸收a和位移的可能值施加某些约束。首先，由于能量守恒，这意味着物体1的吸收不能导致光振幅因衍射而增加，因此吸收值必须不为负，即a(x,y)≥0。如果出现负吸收值，它们是孪生图像和参考波之间干涉的结果，并且它们被零值取代。此外，相移为正也是必要的，即在绝大多数情况下，被成像物体1确实具有大于或等于光传播介质的折射率的折射率。当被成像物体1是诸如水溶液中的细菌的微生物时，尤其是这种情况。空气中几乎所有的物体都是这样。因此，吸收空间分布a(x,y)的值和相移空间分
布的值在迭代期间被保持为正或零。
[0079]
一旦提取，被成像物体1的吸收空间分布a(x,y)的值和相移空间分布的值通过阈值处理来修改：它们通过将值降低到各自的阈值以下来修改。更准确地说，低于吸收阈值的吸收空间分布a(x,y)的值减小，而低于相移阈值的相移空间分布的值减小。高于吸收阈值的吸收空间分布a(x,y)的值没有减小，并且高于相移阈值的相移空间分布的值也没有减小。低于吸收阈值的吸收空间分布a(x,y)的值和低于相移阈值的相移空间分布的值大大降低，降低了50％以上，优选地降低了75％以上，并且更优选地被设置为零。
[0080]
阈值的值随着每次迭代而减小。优选地，吸收阈值取决于吸收空间分布a(x,y)的值，并且相移阈值取决于相移空间分布的值。优选地，吸收阈值取决于吸收空间分布a(x,y)的最大值，并且优选地取决于吸收空间分布a(x,y)所取的最大值。类似地，相移阈值取决于相移空间分布的最大值，并且优选地取决于移相空间分布所取的最大值。特别地，吸收阈值的值可以对应于吸收空间分布a(x,y)所取的最大值的比例，该比例随着每次迭代而减小。类似地，相移阈值的值可以对应于相移空间分布所取的最大值的比例，该比例随着每次迭代而减小。当然，该比例也可以基于空间分布的多个值来定义，例如，它是平均值或其他指标的比例。
[0081]
例如，在第一次迭代中，被成像物体的吸收空间分布a(x,y)的吸收阈值和/或相移空间分布的相移阈值分别对应于吸收空间分布a(x,y)或相移空间分布的最大值的40％和15％之间，并且优选地分别对应于吸收空间分布a(x,y)或相移空间分布的最大值的30％和20％之间。然后，在每次迭代中，阈值减小吸收空间分布a(x,y)或相移空间分布的最大值的2％至6％。在最后一次迭代中，吸收空间分布a(x,y)的阈值被设置为零，并且被成像物体的相移空间分布的阈值被设置为零。阈值的初始值，以及它们随着每次迭代的减小，特别取决于被成像物体1的性质，并且因此可以与之相适应。如上所述，迭代次数本质上取决于阈值的初始值，以及它们随着每次迭代的减小。阈值的降低可以是规则的或不规则的。
[0082]
只要由孪生图像引起的噪声在振幅上总是低于全息图中被成像物体的表示，则阈值处理去除孪生图像的贡献要多于被成像物体的表示的贡献。具体地，根据定义，被成像物体处于物体场中的焦点处，而孪生图像是失焦的。
[0083]
在应用阈值处理之后，获得了修改后的吸收空间分布a’(x,y)和修改后的相移空间分布这些定义了修改后的复物体场u’(x,y,zo)：
[0084][0085]
优选地，第二迭代步骤包括平滑修改后的吸收空间分布和修改后的相移空间分布，通常通过应用低通滤波，例如高斯滤波等。平滑使得可以避免由阈值处理而在边缘处生成高频分量。优选地，平滑滤波器的大小(即，在滤波期间同时考虑的相邻像素的数量)随着
迭代的进行而减小，例如在阈值减小的同时。这使得可以在迭代结束时定位被成像物体中的显著对比度。
[0086]
在第三迭代步骤(步骤s03c)中，通过将修改后的物体场u’(x,y,zo)再传播到全息图坐标zh来确定修改后的全息图场u’(x,y,zh)。再传播采用与上述反向传播相同的形式，并且因此可以利用光衍射模型，诸如例如瑞利-索末菲模型或基尔霍夫衍射模型。得到的修改后的全息图场u’(x,y,zh)包括修改后的幅度和修改后的相位ω’(x,y,zh)，其反映了在先前的阈值处理步骤中对被成像物体1的吸收和相移所做的修改。在接下来的步骤中，仅利用修改后的相位。
[0087]
在第四迭代步骤(步骤s03d)中，全息图场ω(x,y,zh)的相位被修改后的相位ω’(x,y,zh)取代，而全息图场的振幅被保留。换言之，修改后的全息图场u’(x,y,zh)变为全息图场，修改后的振幅空间分布被初始振幅空间分布所取代。具体地，将回顾的是，全息图代表对应于全息图场u(x,y,zh)的振幅空间分布的强度空间分布h(x,y)。由此可见，全息图场u(x,y,zh)的振幅空间分布由全息图确定，并且不需要被修改。相反，全息图场ω(x,y,zh)的相位没有被设置，并且在每次迭代中被更新。
[0088]
在该第四迭代步骤(步骤s03d)之后，全息图场将因此已经更新了其相位空间分布ω(x,y,zh)，并且新的迭代可以从第一迭代步骤(步骤s03a)开始，然而吸收阈值和移位阈值相对于前一个迭代降低。当满足标准时，诸如例如吸收阈值和/或移位阈值为零或至少低于阈值的标准，迭代循环结束。也可以设置迭代次数，然后标准是已经达到设置的迭代次数。
[0089]
在迭代之后，被成像物体的相移空间分布的值和吸收空间分布的值被确定(步骤s04)为最后一次迭代得到的值。更准确地说，被成像物体的相移空间分布的值和吸收空间分布的值是对应于通过反向传播到最后一个全息图场的物体坐标而获得的最后一个物体场的值。
[0090]
在每次迭代中，都会得到吸收值和相移值。然而，这些值被噪声污染，主要是由于孪生图像。阈值处理允许保留最重要的贡献，而逐渐消除被噪声污染的不太重要的贡献。因此，每次迭代都会降低噪声。与现有方法相比，根据本发明的方法具有快速收敛的优点，并且完全消除了由于孪生图像引起的噪声。
[0091]
作为阈值逐渐降低的结果，该方法可以被解释为首先去除由大多数散射区域中的孪生图像引起的噪声，忽略所有细节。然后，随着阈值的降低，从较少散射的元素中恢复信息。因此，通过首先使用低分辨率全息图场和/或物体场，然后随着迭代的进行，例如在阈值降低的同时，通过增加该分辨率，可以利用这种细节的逐渐恢复来加速该方法的速度。具体地，在迭代开始时，图像仅由散射最多的区域来近似，而随着阈值的逐渐降低，恢复了越来越精细的细节，从而证明了分辨率的增加。在迭代结束时，场可以恢复与初始全息图相同的分辨率。将迭代应用于较低分辨率的场使得有可能大大加快该方法的速度。
[0092]
该方法特别适用于生物成像，其中被成像物体是通过全息显微镜获取的生物样本。具体地，生物来源的物体通常具有轮廓分明的正吸收和相移。因此，生物成像是该方法的优选应用。然而，该方法可以被用于不同于生物物体的物体类型。
[0093]
为了说明迭代的效果，图2至图5d示出了在计算机生成的代表杆状细菌的微菌落的一组物体的全息图上实施这些迭代的第一个示例。图3示出了原始的计算机生成的全息
图，即由图像传感器2记录的强度空间分布h(x,y)生成的全息图。正如可以看到的，由该群体诱发的孪生图像强烈扭曲了组成它的单个细菌的形状。这些杆状细菌包含四个内部散射结构的排列。细菌的吸收率为0.02，以及相移为0.08，内部散射结构的最大吸收率为0.05，以及最大相移为0.1。
[0094]
图4a示出了在全息图场反向传播到物体坐标之后，对应于图3的初始物体场的相移空间分布，而图4b示出了在全息图场向物体坐标反向传播之后，对应于图3的初始物体场的吸收空间分布。图4c示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的相移值的分布图。可以看出，由于孪生图像生成的大量噪声，相移剖面图相当平坦，并且在大约0.05处达到峰值，或者最大相移的一半。因此，噪声阻碍了细菌中的四个内部散射结构被识别和表征。图4d示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的吸收值的分布图。可以看出，由于孪生图像生成的大量噪声，吸收剖面图在大约0.04处达到峰值，或者最大吸收的一半。因此，噪声阻碍了细菌中的四个内部散射结构被表征。
[0095]
图5a示出了第一次迭代之后的空间相移分布，以及图5b示出了吸收空间分布。在该示例中，初始阈值被设置为最大值的25％。图5c示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的相移值的分布图。与图4c的先前剖面图相比，相移剖面图的最大值明显增加，现在大约为0.07。图5d示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的吸收值的分布图。与图4d的先前剖面图相比，吸收剖面图的最大值已增加到约0.05。
[0096]
图6a示出了第五次迭代之后的相移空间分布，以及图6b示出了吸收空间分布。吸收阈值和相移阈值随着每次迭代而逐渐减小。图6c示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的相移值的分布图。与图5c的先前剖面图相比，相移剖面图的最大值明显进一步增加，现在大约为0.09。然而，内部散射结构和细菌之间的值差异仍然很小。图6d示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的吸收值的分布图。与图5d的先前剖面图相比，内部散射结构和细菌之间的值差异已经加剧。
[0097]
图7a示出了第二十次也是最后一次迭代之后的相移空间分布，以及图7b示出了吸收空间分布。吸收和相移阈值在每次迭代中逐渐减小，到最后一次迭代中为零。图7c示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌的纵轴的相移值的分布图。与图6c的先前剖面图相比，相移剖面图的最大值有所增加，现在处于大约0.10。此外，内部散射结构和细菌之间的值差异已经加剧，细菌的吸收值现在接近0.08。因此，确实找到了被成像物体的吸收空间分布的真实值。图7d示出了在两个箭头之间沿着杆状细菌纵轴的吸收值的分布图。与图6d的先前剖面图相比，内部散射结构和细菌之间的值差异被进一步加剧。现在，对应于内部散射结构的最大值达到0.05，而对应于细菌的最小值达到0.02。因此，确实找到了被成像物体的吸收空间分布的真实值。
[0098]
因此，在该示例中，该方法只需20次迭代，就可以完全消除噪声，并找到细菌的相移和吸收的精确值，包括它们的内部散射结构。只要阈值处理消除孪生图像的贡献大于被成像物体的贡献，由于在迭代结束时设置为零的空间区域大，收敛的速度更快。当图像中感兴趣的区域小时，收敛因此会更快。如果图3中的集群包含更多的细菌，即如果有更多感兴趣的物体要被成像，则必须提高迭代次数，以找到准确的相移和吸收值，例如通过更慢地降低阈值。
[0099]
图8a至图10b示出了在实验数据上实施该方法的一个示例。通过干燥胶体悬浮液，
将直径为1.1μm的聚苯乙烯珠随机放置在载玻片上，然后将它们浸入油中，并且获得图8a的全息图。聚苯乙烯珠生成了大的相移，但具有非常低的吸收。作为非限制性示例，用于获取该示例的全息图的全息成像系统是在线全息显微镜系统，其采用在405nm处发射的单色led作为光源4，其半峰全宽为12nm。光源4被放置在离载玻片100nm的位置。全息成像系统包括显微镜物镜8，其数值孔径为100x1.3，放大率为80。cmos传感器被用作图像传感器2。珠子的折射率为约1.63，并且浸油的折射率约为1.53。图8a示出了与背景图像归一化后的全息图。通过比较，图8b示出了相同配置的珠子的非全息图像。
[0100]
类似于图2a和图2b，图9a示出了在全息图场反向传播到物体坐标之后，对应于图8a的初始全息图的相移空间分布，而图9b示出了全息图场向物体坐标反向传播之后，对应于图8a的原始图像的吸收空间分布。这里可以看出，相移空间分布和吸收空间分布再次受到由孪生图像生成的噪声的很大影响。特别地，吸收空间分布包含大的波动，即使珠子被认为具有低的吸收。
[0101]
如上所述，实施了多个迭代循环。图10a示出了第五十次也是最后一次迭代之后的相移空间分布，以及图10b示出了吸收空间分布。吸收阈值和相移阈值在每次迭代中逐渐减小，到最后一次迭代中为零。可以看出，一方面，相移空间分布现在清楚地对应于珠子的分布，诸如图8b所示。另一方面，吸收空间分布的低值正确地反映了聚苯乙烯珠的低吸收。因此，有效地消除了由孪生图像引起的噪声，并且正确地确定了相移空间分布的值和吸收空间分布的值。
[0102]
本发明不限于在附图中描述和示出的实施例。在不脱离本发明的保护范围的情况下，修改仍然是可能的，特别是从各种技术特征的性质或技术等同物的替代的角度来看。

技术特征：
1.一种数字全息成像方法，包括以下步骤：1)通过全息术获得(s01)全息图，所述全息图表示在被成像物体(1)的全息图坐标(z
h
)处的全息图平面中，由照明光束和放置在成像轴(6)上的物体坐标(z0)处的所述被成像物体之间的相互作用引起的干涉的强度空间分布，2)实施(s03)多次迭代，每次迭代包括以下步骤：2.a)通过包括对应于所述全息图的空间强度分布的振幅空间分布和相位空间分布的全息图场反向传播到所述物体坐标，确定(s03a)包含所述被成像物体的吸收空间分布和相移空间分布的物体场，2.b)通过将所述吸收空间分布的值降低到吸收阈值以下以及通过将所述相移空间分布的值降低到相移阈值以下，对所述被成像物体的吸收空间分布的值和相移空间分布的值进行阈值处理(s03b)，所述吸收阈值和所述相移阈值随着每次迭代而降低，2.c)通过将所述物体场再传播到所述全息图坐标，确定(s03c)包括修改后的振幅空间分布和修改后的相位空间分布的修改后的全息图场，2.d)用所述修改后的相位空间分布取代(s03d)所述全息图场的相位空间分布，所述全息图场的振幅空间分布被保留，3)将所述被成像物体的相移空间分布和吸收空间分布确定为最后一次迭代的所述物体场的相移空间分布和吸收空间分布。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在阈值处理期间，低于所述吸收阈值的所述吸收空间分布的值和低于所述相移阈值的所述相移空间分布的值被设置为零。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述吸收阈值取决于所述吸收空间分布的最大值，并且所述相移阈值取决于包含在所述物体场中的相移空间分布的最大值。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第一次迭代中，所述吸收阈值和/或所述相移阈值分别对应于所述吸收空间分布或所述相移空间分布的最大值的40％和15％之间。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在每次迭代中，所述吸收阈值和/或所述相移阈值减小所述吸收空间分布或所述相移空间分布的最大值的1％至6％。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在最后一次迭代中，所述吸收阈值和所述相移阈值被设置为零。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在阈值处理期间，所述吸收空间分布的值和所述相移空间分布的值在迭代期间被保持为正或零。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在迭代之前，通过将所述强度空间分布的值除以对应于所述全息图坐标处的照明光束的强度的背景图像值来归一化所述全息图场。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阈值处理包括平滑所述修改后的吸收空间分布和所述修改后的相移空间分布。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述全息图场和/或所述物体场具有随着迭代而增加的空间分辨率。

技术总结
一种数字全息成像技术，具有以下迭代步骤：a)通过包括对应于全息图强度空间分布的振幅空间分布和相位空间分布的全息图场反向传播到物体坐标，确定(S03a)涉及被成像物体的吸收和相移的空间分布的物体场，b)通过将吸收和相移的空间分布的值降低到各自的阈值以下来对其进行阈值处理(S03b)，阈值在每次迭代中减小，c)通过将物体场再传播到全息图坐标，确定(S03c)包括修改后的振幅空间分布和修改后的相位空间分布的修改后的全息图场，d)用修改后的相位空间分布取代(S03d)全息图场的相位空间分布，被成像物体的相移和吸收的空间分布是最后一次迭代的物体场的相移和吸收的空间分布。布。布。


技术研发人员：祖赫
受保护的技术使用者：拜尔阿斯特公司
技术研发日：2021.10.19
技术公布日：2023/10/20