傅里叶叠层成像关键技术研究

Fourier ptychographic imaging technology has the advantages of large visual field, high resolution and quantitative phase imaging, which magically compromises contradiction between resolution and field of view. In recent years, it has been widely used in the optical microscope, biomedicine, life sciences and other research fields. In order to improve the efficiency of image acquisition and reconstruction precision, based on its working principle, this project conducts three aspects of research: light source positioning error correction, global iterative optimization, multiplex-mode coded illumination, aimed at resolving these key scientific problems: light source misalignment error, error accumulation in iterations and separation of spectrum aliasing. The research of this project can enrich and develop the theory and method of Fourier ptychographic imaging technology, and further expand the depth and breadth of its application.

傅里叶叠层成像技术融合了大视场、高分辨率、定量相位成像等诸多优点，有力地调和了视场与分辨率的矛盾，近年来已经在光学显微、生物医学、生命科学等领域获得了大量研究和广泛关注。为提高图像采集效率和重构精度，本项目基于其工作原理，在光源空间定位误差修正、全局迭代优化算法以及多模态复合编码照明三方面展开研究，旨在解决光源对准、分步迭代误差积累、混叠频谱准确分离等关键科学问题。本项目的研究能够丰富和发展傅里叶叠层成像的理论和方法，可进一步拓展傅里叶叠层成像技术应用的深度和广度。

傅里叶叠层成像技术是近年来发展出的一种大视场、高分辨率、定量相位计算显微成像技术，该方法整合了相位恢复和合成孔径的概念。在成像系统中，样品被不同角度的平面波照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像，导致在物镜后焦面上物体的频谱被平移到对应的不同位置。因此，一些本来超出物镜数值孔径的频率成分被平移到物镜数值孔径以内从而能够传递到成像面进行成像。这样就实现了使用一个低数值孔径、低放大率的物镜同时获得大视场和高分辨率的成像结果。近年来该技术已经在光学显微、生物医学、生命科学等领域获得了大量研究和广泛关注，并取得了一定的研究成果。本项目围绕傅里叶叠层成像中的关键技术开展了以下几个方面的研究。.（1）LED阵列空间定位误差校正：为实现不同入射角度光源与重构频谱区域的精确对应，本项目根据成像系统模型，研究了在LED阵列平面分别引入定位误差分量，结合各自图像频谱信息，建立了LED阵列平面与重构频谱面的映射关系，采用了模拟退火、光强分布估计等相关算法，修正误差影响。同时借助三维重建系统，对系统进行了标定，从而提高LED位置精确估计，提高了迭代效率与重建精度。.（2）建立了基于全局的优化迭代算法：傅里叶迭代成像过程中，多个入射角度平面波照明所对应的低分辨率图像都将参与频谱迭代过程，为解决傅里叶叠层成像过程中误差积累的问题，提高重构精度，本项目建立了一种全局迭代的优化方法，从而将误差均匀分配，保证整体重构结果平整、稳健。.（3）多模态复合编码照明：傅里叶叠层成像需要记录大量图像，采集时间长，后期处理数据量大，导致成像效率偏低，为提高采集效率和处理效率，本项目开展了多模态复合编码照明研究，设计建立了哈达码编码照明方案，采用多个LED同时发光，形成入射角度复合光束照明。保证采集图像的亮度，并利用分离算法实现了单个LED照明光对应的图像分离，从而提高了系统重建效率。