一种基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法

本发明属于光学显微成像，具体是一种基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，能够在厚介质层条件下快速校正系统像差，得到清晰的高分辨图像。

背景技术：

1、从科学研究的前沿阵地到工业生产的质量管控，显微成像技术在医学，生物学，材料学等多个关键领域都扮演着不可替代的角色。然而，传统显微成像系统在很大程度上受到经典光学理论与物理极限的限制，高分辨率与大视场难以兼得，严重制约了各领域的发展。为了应对这个难题，发明了机械扫描与图像拼接技术、合成孔径技术、空域叠层成像技术等，虽然在一定程度上扩展了系统的sbp,但是它们本质上都依赖于高精度的物理位移或复杂的干涉光路，对硬件的要求极高，进而导致较高的硬件成本与较低的成像效率。除此以外，成像过程中的像差也难以有效校正。在各种新型成像技术相继发明与实际应用的迫切需求下，傅里叶叠层显微成像技术（fpm）应运而生。该技术整合了合成孔径与相位恢复的思想，使用多角度的平面波照射样品，再经过低数值孔径的物镜成像，然后在频域合成每次成像引入的频率信息，最后得到大视场的高分辨率图像，用算法的数学约束代替了硬件的精度要求，并且系统像差也可以通过后期计算来精确补偿。

2、物镜在光学设计时通常将标准盖玻片的厚度（0.17mm）计入像差补偿路径，以保证物镜在工作距离内实现理想的成像质量。然而，在高通量成像中，样本通常被置于容器中进行观测。这类容器通常由毫米级的玻璃或塑料材料构成，厚度远大于标准盖玻片。对于傅里叶叠层成像系统而言，带有物体信息的光波场需穿过该透明厚介质层后再进入物镜成像，由于折射率不匹配与长距离传播，从而引入较大的像差，直接影响了相位恢复的准确性。尤其在使用高数值孔径物镜时，这些像差会被进一步放大，这种误差限制了计算成像方法在实际应用场景中的性能。得益于傅里叶叠层显微成像(fpm)独特的算法，即使在非理想光学条件下，仍能通过联合优化实现高质量图像重建和系统像差的校正。最具代表性的有 epry算法和ao-qpi 算法。epry 算法首次在 fpm 框架中实现了样品频谱与系统光瞳函数的联合恢复，但高度依赖频谱重叠冗余，重建的效率较低。ao-qpi 作为一种计算自适应光学校正方法，引入 zernike 多项式对瞳孔像差进行参数化建模，虽然能对动态像差进行实时补偿，但其参数维度高且对于厚介质层条件下产生的复杂高阶像差的补偿能力有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出了一种基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，解决了现有傅里叶叠层成像系统在针对带有透明厚介质层的样品成像时相位恢复不准确的问题，实现厚介质层条件下像差的精准校正。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，包括：

3、步骤1：采用led阵列对样品进行环形匹配照明，利用傅里叶叠层显微成像系统采集在不同角度照明下的明场光强图；

4、步骤2：通过反卷积算法获取样品的初始化复振幅分布，再对所述初始化复振幅分布进行傅里叶变换，得到样品复振幅的初始化频谱；

5、步骤3：构建透明厚介质层内的分段传播模型，并分别构建对应前向传播与反向传播过程的两个孔径函数模型，使用两个孔径函数模型中的两个传播距离因子来计算得到一个综合孔径像差函数模型，即光瞳函数；

6、步骤4：依次对每幅明场光强图对应的频域子孔径区域施加强度约束，交替更新样品频谱与光瞳函数；其中，光瞳函数的更新通过更新所述传播距离因子实现；

7、步骤5：重复步骤4，每轮迭代结束时判断收敛条件，直到误差收敛，同时输出高分辨率的样品重建图和系统光学像差。

8、本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）与现有像差校正技术相比，本发明需优化的参数维度低，对数据冗余要求不高，校正效率高。（2）对于透明厚介质层引起的像差校正过程相对独立，把原有多维度的像差校正问题分为多步进行，提升了校正速度。

1.一种基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，步骤1中所述环形匹配照明表示所点亮的灯珠的照明数值孔径等于物镜的数值孔径，呈环形分布。

3.根据权利要求1所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，步骤2中获取样品的初始化频谱的具体方法为：

4.根据权利要求1所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，步骤3中构建对应前向传播与反向传播过程的两个孔径函数模型与，使用两个孔径函数模型中的两个传播距离因子来计算得到一个综合孔径像差函数模型的具体方法为：

5.根据权利要求1所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，步骤4中更新样品频谱的具体过程为：

6.根据权利要求5所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，步骤4中，所述光瞳函数与样品频谱同步更新，光瞳函数的更新通过更新两个传播距离因子实现，具体过程为：

7.根据权利要求1所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，步骤5中，判断收敛条件并输出结果的具体方法为：

8.根据权利要求4所述的基于傅里叶叠层显微的大像差高鲁棒校正方法，其特征在于，所述前向传播为携带样品信息的光波在透明厚介质层内部的传播过程，所述反向传播为携带样品信息的光波传播至物镜物方焦平面形成虚像的传播过程；