基於壓縮感知的可見光域疊層衍射成像理論與實驗研究

《基於壓縮感知的可見光域疊層衍射成像理論與實驗研究》是依託中國科學院大學，由王雅麗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於壓縮感知的可見光域疊層衍射成像理論與實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王雅麗
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

針對目前成像領域解析度與高數據量之間的矛盾，提出了將壓縮感知理論套用於疊層衍射成像，以達到降低獲取數據量獲得高解析度復振幅成像的目的。本項目首先研究並設計壓縮採樣原理套用於疊層衍射成像中的稀疏矩陣構建及求解算法；光學成像系統中測量矩陣的構建方法及復振幅圖像的重算法。提出了採用照明探針隨機稀疏入射以及隨機相位調製稀疏信號兩種模式實現壓縮採樣。設計兩種對應模式的稀疏矩陣和最佳化測量矩陣，構建簡單的、強健的、對採樣矩陣限制較少的基於此理論的相位恢復算法。建立實驗系統，進行可見光域實驗，驗證算法的有效性。此外，探索基於壓縮感知的疊層成像進行超分辨成像的研究。本項目的研究為壓縮感知套用於其他波段提供一個研究基礎，並且揭示了壓縮感知理論在高解析度成像、實時成像等諸多領域潛在的套用價值。

結題摘要

本項目圍繞著基於壓縮感知的疊層衍射成像展開。疊層衍射成像是一種新興的無透鏡衍射成像技術，利用相互交疊的衍射圖樣能夠快速的恢復物體的復振幅信息。項目提出了一種旋轉相位編碼與照明光束相匹配的疊層成像方法。採用分塊均勻分布的旋轉相位調製器對衍射光進行調製，在探測面獲得了相應的衍射圖樣。 這種照明光束與相位匹配的方式有效地增加了解的約束條件，具有收斂速度快、抗噪聲及抗位置偏差能力強等優點。與隨機相位調製相比， 本算法所引入的旋轉相位調製器構造簡單、使用便捷， 因而在實時顯微成像、超分辨成像等領域將具有更高的實用價值。另外，為了提高疊層成像質量，提出了基於CPU和GPU的兩種分塊復振幅重建並行算法。 並通過模擬實驗研究了不同待測樣品尺寸、不同分塊、不同孔徑數目對並行加速效果的影響。模擬實驗結果表明: 兩種並行算法可正確地恢復出樣品的復振幅信息，並且顯著提升了重建速度，使得重建耗時比傳統疊層成像算法有了數量級的下降， 在一定程度上解決了成像效率與成像質量之間的矛盾，有望實現準實時成像，為疊層成像在相關領域更廣泛的套用提供了一定的技術指導。實驗結果同時表明：在最優分塊時，並行重建加速比與樣品的大小有關，樣品越大，加速效果越明顯；同一個樣品在不同分塊下重建會得到不同的加速比，這與硬體設備密切相關, 而成像中孔徑的數目不會對並行加速比產生明顯的影響。實驗研究了多波長照明毫米量級厚樣品的三維疊層成像。通過樣品沿軸多層切片的方式, 在模擬實驗和光學實驗中均實現了對毫米量級厚樣品的三維疊層衍射成像模擬實驗結果表明，單波長並不能很好地恢復三維厚樣品，從而有必要引入多波長光束照明， 隨著波長數量的增加， 三維厚樣品的復原質量不斷提高。 利用所建光學實驗裝置, 在三波長照明條件下取得了最好的成像與分離效果。研究結果對提高厚樣品三維疊層衍射成像的質量具有現實意義。