基于LED阵列优化的傅里叶叠层显微成像研究.pdfVIP

摘要

在传统成像系统中，分辨率和成像视场之间的竞争是一个长期存在的问题,其只能捕获具

有精细细节的小区域图像或者具有粗糙细节的大区域图像。傅里叶叠层显微成像(Fourier

ptychographicmicroscopy，FPM)技术是一种解决显微成像系统中这一内在矛盾的新技术。它

将高吞吐量和高分辨率成像的挑战从改善光学的物理局限性领域转移到计算领域。

在传统FPM系统中，可编程LED阵列用作其光源，相机通过LED阵列不同角度照明下

拍摄一组低分辨率图像，计算机对这些低分辨图像进行空域和频域的迭代更新，最终重建出

高分辨率图像。但不足之处在于，无论是可编程LED阵列长时间曝光导致FPM重建效率低

下的问题还是可编程LED阵列的位置偏移导致FPM重建图像质量差的问题，都限制了FPM

的成像性能。本文从FPM基本原理出发，介绍了FPM的成像模式及重建算法，并针对FPM

中的重要参数进行分析与研究，并着重围绕LED阵列照明系统进行研究，分析其对FPM整

体的影响。从LED阵列优化出发，对FPM的图像重建效率和图像重建质量两方面进行探索

与改进：

(1)根据LED阵列、待测样本及物镜的成像位置关系，得到所有LED照明单元在傅里

叶空间的理论可扩展光谱分布范围。利用FPM重建算法，按照位置顺序依次对仅缺单个LED

照明并利用剩余LED照明下记录的一系列低分辨率图像进行重建。并同时引入图像质量评价

函数来分析对比仅缺单个LED照明下重建图像与全LED照明下重建图像之间的差异值并记

录成差异矩阵。将差异矩阵进行颜色差异化对比分析，从而根据色差总结出LED重要照明位

置，并推理出最佳角度照明方案。实验结果表明,在保持重建图像质量不受损的前提下，本论

文提出的菱形照明方法能有效提高FPM成像效率。

(2)分析在传统FPM成像系统中LED阵列位置误差对CCD传感器记录的低分辨率图像

的偏移作用，并研究该低分辨率图像参与高分辨率图像重建后对重建图像质量的影响。为了

解决LED阵列误差问题，本论文提出一种基于遗传退火优化的位置校正方法，通过分析LED

阵列，样本和物镜数值孔径的相对位置给入射波矢量带来的影响，采用遗传退火优化算法，

对LED阵列的误差位置估计全局误差参数，利用全局误差参数在重建过程中可以快速、准确

地对LED阵列位置进行校正，仿真和实验证明该方法能够显著提高重建图像的质量。

关键词：傅里叶叠层显微成像、高分辨率、大视场、角度照明、位置校正

ABSTRACT

Thecompetitionbetweenresolutionandtheimagingfieldofviewisalong-standingproblemin

traditionalmicroscopicsystems,onlyasmallareaimagewithfinedetailsoralargeareaimagewith

coarsedetailscanbecaptured.Fourierptychographicmicroscopy(FPM)technologyisanew

technologythatsolvesthisinherentcontradictioninmicroscopicimagingsystems.Ittakesthe

challengeofhigh-throughputandhigh-resolutionimagingfromthedomainofimprovingthephysical

limitationsofopticstothedomainofcomputation.

InatraditionalFPMsystem,aprogrammableLEDarrayisusedasitslightsource.Thecamera

capturesasetoflow-resolutionimagesunderdifferentanglesofilluminationthroughtheLEDa