高保真大景深实时3D显微成像研究

Wavefront coding microscopic imaging, which combines optical design and digital image restoration, can extend the depth of field in one shot, while preserving the imaging resolution. Up to now, researchers around the world have made great progresses in several aspects, such as different kinds of phase masks, optimization method, image restoration algorithm, characteristics of systems, and applications in many fields. But there are some shortcomings, such as the image distortion in the final images, using the adaxial-optics imaging approximating the imaging in whole field of view, impossible to realize the 3D position of target because of the depth information lost in the final image. In this research, we prepare to solve the questions. The non- rotational symmetric phase masks will be used to encode the imaging wavefront. Firstly, the theory of Wavefront coding microscopic imaging in the whole field of view will be studied. Secondly, the influence factors of the image distortion in the final images, also with the rules and characteristics, are prepared to be analyzed. The high fidelity imaging in the whole field of view can be reached by employing the microlens array and double imaging setup to eliminate the differences between both phase transfer functions. Thirdly, based on the theory of stereo vision, the 3D position of targets will be got from the 2D images of the Wavefront coding microscopic imaging. Finally, the high fidelity real-time 3D Microscopic imaging system will be build up. It can make the foundation for the science and engineering application, such as biomedical engineering, materials science and engineering, industrial inspection, and etc.

波前编码大景深显微成像将光学设计和图像复原有机结合，单次曝光即可解决显微系统景深过小问题，同时保持成像分辨率。目前在相位模板设计、优化方法、图像复原算法、系统特性研究以及应用等方面取得了研究成果。但仍存在着不足之处：系统最终图像存在失真现象；研究多采用近轴成像理论近似系统全视场特性；成像时因物体深度信息丢失无法得到物体的3D图像。本项目针对上述问题，采用非旋转对称相位模板作为波前编码元件，研究波前编码显微成像系统的全视场成像理论，分析系统最终所得全视场图像失真的影响因素以及图像失真的规律和特点，并采用微透镜阵列和双光路相位传递函数补偿方案，实现全视场高保真成像目的。此外，引入立体视觉理论，利用波前编码显微成像系统所得2D图像获取目标物体的3D空间位置信息。最终搭建高保真的大视场大景深实时3D远场显微成像系统，为在生物医学、材料科学、工业检测等领域的广泛应用奠定基础。

波前编码成像技术可以应用于显微成像、机器视觉中，增大成像系统的景深，以便单次曝光即可得到更多轴向空间的物体信息，同时保持较高的成像分辨率。由于非旋转对称相位模板具有景深延拓倍数大的优点，经常被用于波前编码大景深成像系统。本项目以经典的立方相位板CPM作为研究对象，主要解决了两个关键问题：1）影响波前编码成像系统最终图像质量的图像失真问题，即最终图像中存在的伪影和图像偏移问题；2）传统的波前编码成像系统成像时，物体的深度信息丢失从而无法获得物体的3D图像。我们首先明确了图像伪影和图像偏移产生的原因——成像和复原时采用的OTF差异导致，更准确说是PTF的差异导致；针对产生的原因，首次提出了共轭双光路频域处理方案，消除PTF差异导致的图像失真问题，仿真和实验均证明了方案的有效性。通过双光路或者CPM180度旋转得到两幅互补图像；然后，对得到的图像进行频域除运算后提取PTF；接着，将某一图像的PTF影响去除后经过逆傅里叶变换得到最终图像。本方案相较之前的方案有以下三个优点：1）不需要测量系统的PSF或者OTF。传统的波前编码成像系统进行图像复原时，一般基于聚焦位置处的PSF进行直接逆滤波或者维纳滤波，而本文方案可以省去此测量，减少了误差产生的来源；2）本方案通过两互补图像处理已经去除了PTF影响，仅保留了EDOF优秀的MTF成分，从而保证了图像中各频率成分不发生因PM引入而导致的图像偏移，有助于对目标物体进行准确定位，同时也可以减轻传统的图像复原方案中因为实际PTF和复原采用PTF差异等导致的图像畸变等问题；3）可以用于实时彩色大景深成像。ZEMAX数值仿真和实验均证明本方法的可行性。为了获得物体的深度信息，我们引入光片显微成像方案，从而实现物体的3D信息的获取。构建了高保真的大景深3D远场显微成像系统，为在生物医学、材料科学、工业检测等领域的广泛应用奠定基础。本课题研究成果有助于扩大波前编码成像系统的使用。