本發(fā)明涉及一種用于獲得波場(chǎng)的橫向相位梯度的方法。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于執(zhí)行該方法的成像系統(tǒng)、一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品以及該方法的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、定量重建復(fù)雜光學(xué)波場(chǎng)允許預(yù)測(cè)其時(shí)間演變和能量流。這種能力為成像帶來了變革；這種能力為成像帶來了變革；使得能夠?qū)崿F(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)(例如，無透鏡成像)，由于介質(zhì)的目標(biāo)屬性(例如，厚度、折射率、電磁場(chǎng)、結(jié)晶學(xué)等)，使得能夠?qū)⑾辔挥米鲗?duì)比度，并且使得能夠表征和校正像差(例如，用于自適應(yīng)光學(xué)器件、光場(chǎng)成像、數(shù)字重新聚焦等)。

2、這類方法的示例包括微分干涉對(duì)比、經(jīng)典全息照相術(shù)、傅立葉全息照相術(shù)、tie/散焦成像、全息照相術(shù)、微透鏡陣列、夏克-哈特曼傳感器、光柵相位對(duì)比和散斑跟蹤。

3、這些方法導(dǎo)致了生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和材料研究的重大進(jìn)展，這繼而推動(dòng)了對(duì)更快、更精確和更強(qiáng)固的新方法的持續(xù)需求。

4、具體而言，需要一種檢索光場(chǎng)相位梯度的方法，該方法是通用的、強(qiáng)固的，并且實(shí)施起來簡(jiǎn)單、快速且廉價(jià)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種用于從至少第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖獲得波場(chǎng)的橫向相位梯度的方法，所述方法包括以下步驟：

2、-使用定位在電磁輻射源與捕獲所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖的電磁輻射檢測(cè)器之間的具有連續(xù)導(dǎo)數(shù)的衰減曲線的第一濾波器，以第一非相干傾斜像差捕獲目標(biāo)的所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖，

3、-使用定位在電磁輻射源與捕獲所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的電磁輻射檢測(cè)器之間的具有連續(xù)導(dǎo)數(shù)的衰減曲線的第二濾波器，以第二非相干傾斜像差捕獲所述目標(biāo)的所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖，其中所述第二非相干傾斜像差不同于所述第一非相干傾斜像差，

4、-至少基于波場(chǎng)強(qiáng)度圖的對(duì)數(shù)差除以所述第一非相干傾斜像差與所述第二非相干傾斜像差之間的差的幅度來確定所述橫向相位梯度。

5、電磁輻射諸如光與具有實(shí)部(振幅)和虛部(相位)分量的復(fù)波場(chǎng)ψ相關(guān)聯(lián)，并且可由具有以下形式的函數(shù)表示

6、

7、其中a是振幅，是相位，并且x和y是相關(guān)聯(lián)平面中的空間坐標(biāo)，該相關(guān)聯(lián)平面橫向于波場(chǎng)的傳播方向z。z軸也可被稱為光學(xué)軸線。光學(xué)軸線定義了一條線，在光學(xué)系統(tǒng)(諸如包括影像設(shè)備系統(tǒng)或顯微鏡系統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng))中沿著該線存在某種程度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。光學(xué)軸線是一條假想的線，其定義了輻射穿過系統(tǒng)傳播的路徑，直至第一次近似。

8、在本公開中，電磁輻射可被稱為光，然而，應(yīng)當(dāng)理解，與光相關(guān)的論述同樣可以適用于光以外的其他形式的電磁輻射。

9、光的相位包含關(guān)于光的有價(jià)值的信息，諸如關(guān)于光傳播的信息。一個(gè)示例是相位可用來確定光的傳播方向。這是因?yàn)闇y(cè)量光的方向與測(cè)量光學(xué)相位的梯度是相同的：

10、

11、其中θx和θy表示垂直于光學(xué)軸線(z軸)的方向x和y上的角度。

12、測(cè)量光強(qiáng)度的問題在于強(qiáng)度中丟失了相位信息，這從下面的公式中清楚地看出：

13、i(x,y)＝|ψ(x,y)|2＝a(x,y)2

14、這種與關(guān)于相位的信息丟失有關(guān)的問題典型地發(fā)生在進(jìn)行物理測(cè)量時(shí)，通常被稱為“相位問題”。

15、通過本發(fā)明的方法，提供了一種從光強(qiáng)度獲得相位信息的有利方式，其中解決了前述的相位問題。由此，本發(fā)明提供了一種新的和有利的光場(chǎng)成像路徑。作為示例，本發(fā)明的方法特別適用于顯微鏡細(xì)胞和其他生物受試者，這些受試者趨向于接近透明，并因此難以使用常規(guī)顯微鏡成像。使用本發(fā)明的方法可允許檢索關(guān)于生物受試者的結(jié)構(gòu)信息，否則使用常規(guī)的光學(xué)顯微鏡技術(shù)不能檢索這些信息。本發(fā)明的方法通過專門利用成像系統(tǒng)中普遍存在的某一類缺陷，以一種相當(dāng)反直覺的方式實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

16、所有物理成像系統(tǒng)本質(zhì)上均有像差，這意指輸出場(chǎng)的強(qiáng)度(典型地是二維的)不同于輸入至成像系統(tǒng)的場(chǎng)的強(qiáng)度。光學(xué)像差可分為兩種類型的像差：相干像差和非相干像差。相干像差只影響波場(chǎng)的相位，并因此是復(fù)雜的，即具有eif(x,y)形式。相干像差的示例包括散焦和球面像差。非相干像差，例如高斯模糊和艾里斑，只影響波場(chǎng)的振幅，并因此是真實(shí)的，即具有ef(x,y)形式。一種特別常見的像差是非相干傾斜像差，其中像差函數(shù)f(x,y)是一階的，例如eτ(x,y)像差。注意，盡管被稱為非相干傾斜，這種像差不需要光學(xué)系統(tǒng)的物理組件中的任一者的物理傾斜(角度的改變)。

17、由于光學(xué)像差存在于大多數(shù)成像系統(tǒng)中，這些像差也存在于顯微鏡系統(tǒng)中。大多數(shù)顯微鏡專家的本能慣例是通過使用像差平衡技術(shù)進(jìn)行校正或者使用基于迭代引擎過程的數(shù)字波前校正來消除傾斜誘發(fā)的像差。然而，利用被非相干傾斜像差污染的顯微圖像來執(zhí)行確定性相位恢復(fù)，而不對(duì)成像的目標(biāo)/對(duì)象施加任何假設(shè)，這與規(guī)范相反。但是，這正是通過本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)的。

18、由于多種原因，根據(jù)本發(fā)明的方法具有優(yōu)點(diǎn)。

19、第一，該方法可用于許多應(yīng)用和設(shè)備中，包括細(xì)胞和其他生物受試者的高速定量相襯成像、全息顯微術(shù)、計(jì)算機(jī)成像設(shè)備諸如手機(jī)影像設(shè)備中(尤其用于圖像的重新聚焦)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(尤其用于測(cè)距)和虛擬現(xiàn)實(shí)視頻捕獲系統(tǒng)(尤其是景深)。

20、第二，該方法是分析性的，并因此不一定依賴于數(shù)值解。這使得該方法簡(jiǎn)單且快速，并因此可用于許多應(yīng)用程序中。

21、第三，該方法不需要關(guān)于感興趣的/正在研究的目標(biāo)的預(yù)先假設(shè)。由此提供了一種方法，該方法可能比用于例如光場(chǎng)成像的現(xiàn)有方法快得多且更強(qiáng)固。

22、此外，該方法的優(yōu)點(diǎn)與其他光場(chǎng)成像系統(tǒng)和方法的優(yōu)點(diǎn)相同。例如，利用本發(fā)明，可以在獲得圖像之后重新聚焦圖像。

23、在本發(fā)明的上下文中，“波場(chǎng)”可被理解為電磁波傳播的空間。電磁波被理解為至少包括微波、紅外光、可見光、紫外光和x射線的波。

24、在本發(fā)明的上下文中，“波場(chǎng)強(qiáng)度圖”可被理解為與波場(chǎng)傳播方向相交的圖像平面中電磁輻射強(qiáng)度的二維映射。換句話說，波場(chǎng)強(qiáng)度圖可被視為描繪輻射強(qiáng)度的圖像。例如，在電磁輻射是光的情況下，波場(chǎng)強(qiáng)度圖可為描繪光強(qiáng)度的圖像。

25、在本發(fā)明的上下文中，“目標(biāo)”被理解為可受到入射電磁輻射并散射電磁輻射的任何種類的物理對(duì)象/受試者。例如，如果電磁輻射包括光，則目標(biāo)可為必須使用光來研究的對(duì)象/受試者。入射在目標(biāo)上的光從目標(biāo)散射，并且可被記錄以提供目標(biāo)的圖像。

26、在本發(fā)明的上下文中，“非相干傾斜像差”被理解為由成像系統(tǒng)組件的幾何上的改變(諸如電磁輻射源的位移、目標(biāo)的位移和濾波器的位移)誘發(fā)的波場(chǎng)中的任何種類的偏差。必須容易理解，傾斜不一定需要光學(xué)系統(tǒng)的物理組件的物理傾斜(即，角度的改變)，因?yàn)榉窍喔蓛A斜像差的效果同樣可通過除組件傾斜以外的其他幾何上的改變來獲得。

27、更具體而言，傾斜是一階光學(xué)像差，其可被描述為

28、

29、其中ψo(hù)ut描述傾斜之后的波場(chǎng)，由表示，被誘發(fā)至入射場(chǎng)ψin。請(qǐng)注意，tau是矢量，并因此也表示像差空間中傾斜像差的方向。

30、發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傾斜畸變波場(chǎng)的波動(dòng)方程可被公式化為

31、

32、并且通過利用以下兩個(gè)方程(分別為程函方程和連續(xù)性方程)

33、

34、可示出，從兩個(gè)強(qiáng)度i1和i2獲得的橫向相位梯度是

35、

36、其中|τ12|表示在第一非相干傾斜像差處獲得的波場(chǎng)強(qiáng)度圖與在第二非相干傾斜像差處獲得的第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖之間的非相干傾斜像差的差的幅度。應(yīng)當(dāng)再次注意，由于對(duì)數(shù)規(guī)則，如上述方程所示，分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)等于分子的對(duì)數(shù)減去分母的對(duì)數(shù)。換句話說，上面的方程還包括對(duì)數(shù)的差。注意，程函方程中的算符可被表示為

37、在本發(fā)明的上下文中，橫向相位梯度被理解為橫向于成像系統(tǒng)的光學(xué)軸線的相位梯度。

38、在本發(fā)明的上下文中，“具有帶連續(xù)導(dǎo)數(shù)的衰減曲線的濾波器”被理解為被布置為使電磁輻射衰減的濾波器，并且其中衰減由曲線描述，其中衰減曲線相對(duì)于位置的導(dǎo)數(shù)在濾波器的工作區(qū)域內(nèi)是連續(xù)的。連續(xù)導(dǎo)數(shù)可為可變連續(xù)導(dǎo)數(shù)或恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)。這類濾波器的使用是一種手段，用于誘發(fā)形式的畸變波場(chǎng)的相關(guān)性，或者包括形式的其他形式的相關(guān)性。濾波器可為分立的物理組件，或者它可為光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)光學(xué)組件所固有的。例如，透鏡自然具有衰減曲線，其可由衰減濾波器等效地表示，該衰減濾波器能夠誘發(fā)如上所述的畸變波形的相關(guān)性。特別是在x射線顯微術(shù)的情況下，x射線透鏡具有高斯衰減曲線，這使得本發(fā)明的方法根本不需要任何單獨(dú)的濾波器即可工作，因?yàn)檫@都是透鏡本身固有的。

39、在本發(fā)明的上下文中，“電磁輻射源”被理解為能夠提供電磁輻射的任何種類的源。例如，當(dāng)電磁輻射包括可見光時(shí)，源可為光源，諸如發(fā)光二極管(led)。

40、電磁輻射源可包括一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的電磁輻射源。例如，它可為單個(gè)源，或者它可為以任何配置分布的多個(gè)源。電磁輻射源可包括第一電磁輻射源和第二電磁輻射源，其中這兩個(gè)源是兩個(gè)不同的實(shí)體。作為示例，電磁輻射源可為被實(shí)施為光板上的led的光源。由此，通過在點(diǎn)亮各個(gè)led之間進(jìn)行切換，可改變光在目標(biāo)上的入射角。

41、在本發(fā)明的上下文中，“電磁輻射檢測(cè)器”被理解為能夠記錄/捕獲波場(chǎng)強(qiáng)度圖的任何種類的設(shè)備。例如，電磁輻射檢測(cè)器可為影像設(shè)備。

42、在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖代表光的強(qiáng)度，所述光包括從400納米至700納米的范圍內(nèi)的頻率。

43、在本發(fā)明的可替代實(shí)施例中，所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖可代表微波輻射、紅外輻射、紫外輻射或x射線輻射的強(qiáng)度。

44、在本發(fā)明的上下文中，“波場(chǎng)強(qiáng)度圖的對(duì)數(shù)差”被理解為第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖的強(qiáng)度(強(qiáng)度值)的對(duì)數(shù)與第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的強(qiáng)度(強(qiáng)度值)的對(duì)數(shù)之間的差。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，這些強(qiáng)度可對(duì)應(yīng)于兩個(gè)波場(chǎng)強(qiáng)度圖中完全相同的像素，即像素位置。熟練的讀者將容易理解，對(duì)數(shù)的差也可意味著分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)，即應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的方法，對(duì)數(shù)的使用也可意味著對(duì)數(shù)的近似值的使用。例如，可使用例如泰勒展開來近似對(duì)數(shù)。對(duì)數(shù)的近似的使用，以及由此對(duì)數(shù)差的近似，對(duì)于該方法的特定實(shí)施方式可為特別的，諸如計(jì)算機(jī)實(shí)施方式，其中通過使用這類近似可顯著降低在大的波場(chǎng)強(qiáng)度圖上執(zhí)行元素對(duì)數(shù)的計(jì)算成本。

45、通過本發(fā)明，預(yù)期在捕獲第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的步驟中使用的電磁輻射源可為相同的電磁輻射源，或者不同的電磁輻射源。例如，第一電磁輻射源可用于捕獲第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖，并且不同于第一電磁輻射源的第二電磁輻射源可用于捕獲第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖。在電磁輻射源相同的情況下，其被理解為是相同的物理實(shí)體。以相似的方式，第一濾波器用于捕獲第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖，并且第二濾波器用于捕獲第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖。第一濾波器和第二濾波器可為相同的濾波器，即它們是相同的物理實(shí)體，或者它們可為不同的濾波器。同樣，電磁輻射檢測(cè)器用于捕獲第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖，該第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖可被表示為第一電磁輻射檢測(cè)器，并且電磁輻射檢測(cè)器用于捕獲第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖，該第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖可被表示為第二電磁輻射檢測(cè)器。第一電磁輻射檢測(cè)器和第二電磁輻射檢測(cè)器可為相同的電磁輻射檢測(cè)器，即它們是相同的物理實(shí)體，或者它們可為不同的電磁輻射檢測(cè)器。預(yù)期根據(jù)本發(fā)明的方法，可使用電磁輻射源、濾波器和電磁輻射檢測(cè)器的任何組合。

46、作為第一示例，單個(gè)電磁輻射源可與第一濾波器、第二濾波器(兩個(gè)濾波器是兩個(gè)不同的濾波器)和單個(gè)電磁輻射檢測(cè)器(單個(gè)實(shí)體)結(jié)合使用。作為第二示例，單個(gè)電磁輻射源可與單個(gè)濾波器(即，在作為濾波器的物理實(shí)體上)和單個(gè)電磁輻射檢測(cè)器(單個(gè)實(shí)體)結(jié)合使用。作為第三示例，第一電磁輻射源和第二電磁輻射源(這兩個(gè)源是兩個(gè)不同的源)可與第一濾波器和第二濾波器(這兩個(gè)濾波器是兩個(gè)不同的濾波器)以及單個(gè)電磁輻射檢測(cè)器(單個(gè)實(shí)體)結(jié)合使用。作為第四示例，第一電磁輻射源和第二電磁輻射源(這兩個(gè)源是兩個(gè)不同的源)可與單個(gè)濾波器(單個(gè)實(shí)體)和單個(gè)電磁輻射檢測(cè)器結(jié)合使用。上述四個(gè)示例還可通過電磁輻射源和濾波器與第一電磁輻射檢測(cè)器和第二電磁輻射檢測(cè)器(這兩個(gè)檢測(cè)器是兩個(gè)不同的檢測(cè)器)結(jié)合而改變，由此總共有電磁輻射源、濾波器和電磁輻射檢測(cè)器的實(shí)施方式的八個(gè)示例。因此，熟練的讀者將容易理解，存在(或不存在)像“第一”和“第二”這樣的規(guī)定本身并不規(guī)定應(yīng)該使用任何特定數(shù)目的特征。

47、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一非相干傾斜像差與所述第二非相干傾斜像差之間的所述差通過在幾何上改變所述電磁輻射源、所述目標(biāo)以及所述第一濾波器和/或所述第二濾波器中的一個(gè)或多個(gè)來實(shí)現(xiàn)。

48、在本發(fā)明的上下文中，“在幾何上改變”包括改變位置和/或取向。通過在幾何上改變所述電磁輻射源、所述目標(biāo)以及所述第一濾波器和/或所述第二濾波器中的一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)然也理解，這些中的任一個(gè)之間的相對(duì)位置和/或取向可改變。

49、通過這類幾何上的改變實(shí)現(xiàn)非相干傾斜像差的差的優(yōu)點(diǎn)在于，可精確地確定傾斜量，并因此在根據(jù)本發(fā)明的方法中將傾斜量精確地計(jì)算在內(nèi)。

50、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一傾斜與所述第二傾斜之間的所述差通過對(duì)所述電磁輻射源執(zhí)行幾何上的改變來實(shí)現(xiàn)。這種幾何上的改變可包括電磁輻射源的位置和/或取向的改變，由此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的照射角度的改變。位置的改變可通過電磁輻射源的橫向位移來實(shí)現(xiàn)。例如，電磁輻射源可在垂直于光學(xué)軸線的平面中物理移動(dòng)。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，通過從由第一電磁輻射源照射目標(biāo)切換至由第二電磁輻射源照射目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的照射角度。

51、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一傾斜與所述第二傾斜之間的所述差通過對(duì)所述目標(biāo)執(zhí)行幾何上的改變來實(shí)現(xiàn)。這種幾何上的改變可包括目標(biāo)的位置和/或取向的改變。位置的改變可例如通過目標(biāo)的橫向位移來實(shí)現(xiàn)。

52、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一傾斜與所述第二傾斜之間的所述差通過對(duì)所述濾波器執(zhí)行幾何上的改變來實(shí)現(xiàn)，所述濾波器具有帶連續(xù)導(dǎo)數(shù)的衰減度。這種幾何上的改變可包括濾波器位置的改變，諸如通過濾波器的橫向位移實(shí)現(xiàn)的改變。

53、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述在幾何上改變包括改變所述目標(biāo)的照射角度、所述第一濾波器和/或所述第二濾波器的橫向位移以及所述目標(biāo)的橫向位移中的一個(gè)或多個(gè)。

54、通過這類幾何上的改變實(shí)現(xiàn)非相干傾斜像差的差的優(yōu)點(diǎn)在于，可精確地確定傾斜量，并因此在根據(jù)本發(fā)明的方法中將傾斜量精確地計(jì)算在內(nèi)。

55、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述幾何上的改變包括所述電磁輻射源對(duì)所述目標(biāo)的照射角度的改變。換句話說，電磁輻射源可位移，諸如橫向地位移，以從另一個(gè)入射角用電磁輻射照射目標(biāo)。另選地，可使用反射鏡來操縱目標(biāo)上的輻射。

56、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述幾何上的改變包括所述第一濾波器和/或所述第二濾波器的橫向位移。

57、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述幾何上的改變包括所述目標(biāo)的橫向位移。

58、橫向位移可被理解為橫向于光學(xué)軸線的位移。

59、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于捕獲所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖的所述電磁輻射源是第一電磁輻射源，其中用于捕獲所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的所述電磁輻射源是第二電磁輻射源，并且其中所述第二電磁輻射源相對(duì)于所述第一電磁輻射源位移。

60、由此實(shí)現(xiàn)了在第一非相干傾斜像差與第二非相干傾斜像差之間改變的有利方式。通過具有相對(duì)于彼此位移的兩個(gè)電磁輻射源，實(shí)現(xiàn)了可通過從第一電磁輻射源的照射切換至第二電磁輻射源的照射來改變目標(biāo)的照射角度。

61、例如，如果電磁輻射包括從光源發(fā)射的光，則電磁輻射/光的兩個(gè)源可為單獨(dú)的led。

62、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一濾波器和/或所述第二濾波器是高斯濾波器。

63、高斯濾波器被理解為具有可基本上由高斯函數(shù)描述的衰減曲線的濾波器，即以下形式的函數(shù)

64、

65、其中a、b和c是常數(shù)，x是變量，例如與位置相關(guān)的變量。

66、顯然，高斯函數(shù)具有連續(xù)導(dǎo)數(shù)，因?yàn)楦咚购瘮?shù)的導(dǎo)數(shù)就是高斯函數(shù)本身，它是連續(xù)函數(shù)。因此，由高斯函數(shù)描述的衰減曲線自然也是具有連續(xù)導(dǎo)數(shù)的衰減曲線。高斯函數(shù)也具有一階分量，即并因此它是傾斜像差。

67、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一濾波器和/或所述第二濾波器定位在所述目標(biāo)與所述電磁輻射檢測(cè)器之間。

68、根據(jù)本發(fā)明的可替代實(shí)施例，所述第一濾波器和/或所述第二濾波器定位在所述電磁輻射源與所述目標(biāo)之間。當(dāng)被稱為在之間時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，濾波器沿著光學(xué)軸線被放置在目標(biāo)與電磁輻射檢測(cè)器之間。

69、根據(jù)本發(fā)明的可替代實(shí)施例，所述第一濾波器和/或所述第二濾波器定位在所述電磁輻射源與所述目標(biāo)之間。

70、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一濾波器和所述第二濾波器是相同的濾波器。

71、通過相同的濾波器應(yīng)當(dāng)理解，第一濾波器和第二濾波器是指完全相同的物理實(shí)體，并且不僅僅是相同類型的兩個(gè)不同的濾波器。應(yīng)當(dāng)注意，相同的物理實(shí)體可指分立的濾波器，或者可指光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)光學(xué)組件(諸如透鏡)中固有的濾波器。

72、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一濾波器和所述第二濾波器是不同的濾波器。

73、通過不同的濾波器應(yīng)當(dāng)理解，第一濾波器和第二濾波器是指兩個(gè)不同的物理實(shí)體，然而不排除這兩個(gè)濾波器不相似。事實(shí)上，濾波器在類型、光學(xué)性質(zhì)和尺寸方面可為相同的。

74、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，檢索所述相位梯度的所述步驟涉及使用以下項(xiàng)

75、

76、其中i1(x1,y1)是位置(x1,y1)處的所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖的強(qiáng)度，其中i2(x1,y1)是位置(x1,y1)處的所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的強(qiáng)度，并且其中|τ12|是所述第一傾斜與所述第二傾斜之間的所述差的所述幅度。

77、上述項(xiàng)可用于確定橫向相位梯度。應(yīng)當(dāng)注意，該項(xiàng)僅形成用于確定橫向相位梯度的公式的一部分。換句話說，可存在應(yīng)用于該項(xiàng)的校正因子，并因此，橫向相位梯度可僅與上述項(xiàng)成比例。然而，這不損害上述項(xiàng)的重要性，這一點(diǎn)確實(shí)是本發(fā)明的主要貢獻(xiàn)。

78、如上述項(xiàng)的分母所示，使用了幅度|τ12|。這個(gè)量表示兩個(gè)波場(chǎng)強(qiáng)度圖之間的非相干傾斜像差的差的幅度，即第一非相干傾斜像差與第二非相干傾斜像差之間的差的幅度。

79、如上述項(xiàng)的分子所示，波場(chǎng)強(qiáng)度圖的對(duì)數(shù)差由該項(xiàng)提供

80、log(i1(x1,y1))-log(i2(x1,y1))

81、在該項(xiàng)中看出，兩個(gè)對(duì)數(shù)表達(dá)式之間存在差；包括第一強(qiáng)度i1的對(duì)數(shù)表達(dá)式和包括第二強(qiáng)度i2的對(duì)數(shù)表達(dá)式。第一強(qiáng)度是由第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖中的坐標(biāo)x1和y1引用的位置的強(qiáng)度，并且第二強(qiáng)度是也由第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖中的坐標(biāo)x1和y1所引用的對(duì)應(yīng)位置的強(qiáng)度。

82、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述強(qiáng)度i1和所述強(qiáng)度i2代表所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖中對(duì)應(yīng)像素的強(qiáng)度。

83、根據(jù)本發(fā)明的方法涉及至少基于波場(chǎng)強(qiáng)度圖的對(duì)數(shù)差來確定橫向相位梯度。具體地，使用的是相應(yīng)波場(chǎng)強(qiáng)度圖的強(qiáng)度值的對(duì)數(shù)。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖具有相似的維度，即，它們可被描述為具有相同的像素?cái)?shù)和像素分布，每個(gè)像素用像素強(qiáng)度值或像素強(qiáng)度或簡(jiǎn)稱強(qiáng)度來描述。例如，波場(chǎng)強(qiáng)度圖可兩者都包括512×512像素、1024×1024像素、1080×1920像素、2048×2048像素或任何其他數(shù)目的像素和像素分布。不管像素?cái)?shù)目和像素分布如何，波場(chǎng)強(qiáng)度圖關(guān)于這些都是相似的。對(duì)于每個(gè)對(duì)應(yīng)的像素對(duì)i1和i2，確定橫向相位梯度。由此可獲得具有與波場(chǎng)強(qiáng)度圖相同的像素?cái)?shù)目和像素分布的目標(biāo)的相位圖像。

84、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述電磁輻射檢測(cè)器包括影像設(shè)備。

85、電磁輻射檢測(cè)器可包括適于捕獲入射光并提供光的圖像表示的影像設(shè)備。

86、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于捕獲所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖的所述電磁輻射檢測(cè)器和用于捕獲所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的所述電磁輻射檢測(cè)器是相同的電磁輻射檢測(cè)器。

87、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法進(jìn)一步包括在諸如電子顯示器上產(chǎn)生橫向相位梯度圖并電子再現(xiàn)所述橫向相位梯度圖的步驟。

88、通過橫向相位梯度圖應(yīng)當(dāng)理解描繪橫向相位梯度的圖像。

89、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，確定所述橫向相位梯度的所述步驟可包括使用所述第一波場(chǎng)強(qiáng)度圖和所述第二波場(chǎng)強(qiáng)度圖的數(shù)字配準(zhǔn)。

90、通過數(shù)字配準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)理解，將不同數(shù)據(jù)集變換至一個(gè)坐標(biāo)系中的計(jì)算機(jī)實(shí)施的過程。具體地，在本發(fā)明的上下文中，由于誘發(fā)了非相干傾斜像差的改變，因此第一波場(chǎng)強(qiáng)度和第二波場(chǎng)強(qiáng)度可為目標(biāo)的不同表示。取決于產(chǎn)生兩個(gè)波場(chǎng)強(qiáng)度圖的環(huán)境，有必要執(zhí)行數(shù)字配準(zhǔn)，以確保波場(chǎng)強(qiáng)度圖可被適當(dāng)?shù)乇容^，即，所做的是強(qiáng)度對(duì)數(shù)的正確差。在實(shí)踐中，數(shù)字配準(zhǔn)可包括將波場(chǎng)強(qiáng)度圖相對(duì)于彼此移位，使得它們相對(duì)于兩個(gè)波場(chǎng)強(qiáng)度圖中存在的共同特征對(duì)準(zhǔn)。這可暗指兩個(gè)不同波場(chǎng)強(qiáng)度圖中的坐標(biāo)(x1,y1)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)上的共同特征位置。

91、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一濾波器和所述第二濾波器的所述衰減曲線具有可變的連續(xù)導(dǎo)數(shù)。

92、在本發(fā)明的上下文中，衰減曲線的“可變連續(xù)導(dǎo)數(shù)”被理解為衰減曲線的導(dǎo)數(shù)在空間上而不是在時(shí)間上變化。在前面的公開中提到的衰減曲線的導(dǎo)數(shù)是濾波器的衰減相對(duì)于位置的導(dǎo)數(shù)。在本實(shí)施例中，該導(dǎo)數(shù)在空間上是可變的，這意指該導(dǎo)數(shù)在空間/位置上取不同的值。表現(xiàn)出這類行為的衰減曲線的示例是高斯類型的衰減曲線。高斯函數(shù)相對(duì)于其變量(在這種情況下，變量是位置)的導(dǎo)數(shù)也是高斯函數(shù)，并且高斯函數(shù)是取決于變量取不同值的連續(xù)函數(shù)。因此，這類衰減曲線的導(dǎo)數(shù)表現(xiàn)出可變的連續(xù)行為。

93、應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，衰減曲線的可變連續(xù)導(dǎo)數(shù)可與關(guān)于第一濾波器和第二濾波器的可變連續(xù)導(dǎo)數(shù)不同，因?yàn)榈谝粸V波器和第二濾波器可為不同的濾波器。因此，本實(shí)施例一般應(yīng)當(dāng)被理解為第一濾波器和第二濾波器具有可變的連續(xù)導(dǎo)數(shù)，并且第一濾波器和第二濾波器的衰減曲線(和導(dǎo)數(shù))可以不同。

94、根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述第一濾波器和所述第二濾波器的所述衰減曲線具有恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)。

95、在本發(fā)明的上下文中，衰減曲線的“恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)”被理解為衰減曲線的導(dǎo)數(shù)在空間上是恒定的，而不是在時(shí)間上是恒定的。在前面的公開中提到的衰減曲線的導(dǎo)數(shù)是濾波器的衰減相對(duì)于位置的導(dǎo)數(shù)。在本實(shí)施例中，該導(dǎo)數(shù)在空間上是恒定的，這意指該導(dǎo)數(shù)在空間/位置上取相同的值。表現(xiàn)出這類行為的衰減曲線的示例是線性類型的衰減曲線，因?yàn)榫€性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是常數(shù)。

96、應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由于第一濾波器和第二濾波器可為不同的濾波器，衰減曲線的恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)可以不同于關(guān)于第一濾波器和第二濾波器的恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)。因此，本實(shí)施例一般應(yīng)當(dāng)被理解為第一濾波器和第二濾波器具有恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)，并且第一濾波器和第二濾波器的衰減曲線(和導(dǎo)數(shù))可以不同。

97、本發(fā)明的另一方面涉及一種成像系統(tǒng)，包括：

98、-電磁輻射源；

99、-電磁輻射檢測(cè)器；

100、-一個(gè)或多個(gè)濾波器，其具有帶連續(xù)導(dǎo)數(shù)的衰減度，定位在所述電磁輻射源與所述電磁輻射檢測(cè)器之間；

101、-計(jì)算機(jī)處理器；以及

102、-包含計(jì)算機(jī)實(shí)施的指令的存儲(chǔ)器，所述計(jì)算機(jī)實(shí)施的指令在由所述計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行根據(jù)上述規(guī)定中的任一個(gè)的方法的步驟，

103、其中所述成像系統(tǒng)被配置為能夠在第一傾斜度與第二傾斜度之間調(diào)節(jié)。

104、由此提供了一種成像系統(tǒng)，其具有與關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的方法所述相同的優(yōu)點(diǎn)。具體地，提供了一種至少具有以下優(yōu)點(diǎn)的成像系統(tǒng)：

105、第一，成像系統(tǒng)是多用途的，并且可用于許多應(yīng)用和設(shè)備中，包括細(xì)胞和其他生物受試者的高速定量相襯成像、全息顯微術(shù)、計(jì)算機(jī)成像設(shè)備諸如手機(jī)影像設(shè)備中(尤其用于圖像的重新聚焦)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(尤其用于測(cè)距)和虛擬現(xiàn)實(shí)視頻捕獲系統(tǒng)(尤其是景深)。

106、第二，成像系統(tǒng)根據(jù)分析方法操作，并因此不依賴于數(shù)值解。這使得成像系統(tǒng)簡(jiǎn)單且快速，并因此可用于許多應(yīng)用。

107、第三，成像系統(tǒng)不需要關(guān)于感興趣/正在研究的目標(biāo)的預(yù)先假設(shè)。由此提供了一種成像系統(tǒng)，其潛在地比用于例如光場(chǎng)成像的現(xiàn)有系統(tǒng)快得多且更強(qiáng)固。

108、在本發(fā)明的實(shí)施例中，成像系統(tǒng)可進(jìn)一步包括附加光學(xué)組件，諸如一個(gè)或多個(gè)光學(xué)透鏡。

109、在本發(fā)明的實(shí)施例中，成像系統(tǒng)在顯微鏡中實(shí)施，以用于執(zhí)行顯微鏡檢查，諸如光學(xué)顯微鏡檢查。

110、在本發(fā)明的實(shí)施例中，成像系統(tǒng)在手持電子設(shè)備中實(shí)施，諸如智能手機(jī)。

111、在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)濾波器的衰減曲線具有可變連續(xù)導(dǎo)數(shù)。

112、在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)濾波器的衰減曲線具有恒定連續(xù)導(dǎo)數(shù)。

113、本發(fā)明的另一方面涉及一種包含指令的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該指令在由成像系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行程序時(shí)，促使計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行根據(jù)上述規(guī)定中的任一個(gè)的方法的步驟。

114、由此提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品(例如，一件計(jì)算機(jī)軟件)，其在由計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)與根據(jù)本發(fā)明的方法相同的優(yōu)點(diǎn)。

115、本發(fā)明的另一方面涉及根據(jù)上述規(guī)定中的任一個(gè)的方法或根據(jù)上述規(guī)定中的任一個(gè)的成像系統(tǒng)的用于對(duì)比度增強(qiáng)和/或數(shù)字重新聚焦的應(yīng)用。

116、根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的方法和成像系統(tǒng)可用于重新聚焦、對(duì)比度增強(qiáng)和/或3d重建。