西安光機(jī)所智能光學(xué)顯微成像研究取得新進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究員課題組在智能光學(xué)顯微成像研究方面取得新進(jìn)展，研究成果以“Dual-wavelength in-line digital holography with untrained deep neural networks”為題，在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《光子學(xué)研究》(Photonics Research，IF: 7.08，SCI一區(qū))。
 

　　雙波長(zhǎng)同軸數(shù)字全息(Dual-wavelength in-line digital holography , DIDH)是高精度定量相位成像的常用方法之一。然而，在實(shí)際DIDH成像中，兩個(gè)固有因素往往影響成像的質(zhì)量：1)每個(gè)單一波長(zhǎng)成像的噪聲會(huì)出現(xiàn)在雙波長(zhǎng)全息圖中，導(dǎo)致相位重建中噪聲放大的問(wèn)題；2)孿生像問(wèn)題影響同軸數(shù)字全息的成像質(zhì)量。于是，研究者通過(guò)光路改進(jìn)或者算法補(bǔ)償?shù)确椒▉?lái)解決上述問(wèn)題，但往往面臨加大光路復(fù)雜度與強(qiáng)噪聲條件下魯棒性不足等問(wèn)題。相比之下，深度學(xué)習(xí)技術(shù)憑借其噪聲抑制或?qū)\生像抑制能力，成為DIDH成像的有力工具。然而，當(dāng)前大多數(shù)基于深度學(xué)習(xí)的方法依賴于監(jiān)督學(xué)習(xí)和訓(xùn)練實(shí)例，即需要大量的訓(xùn)練集來(lái)優(yōu)化其權(quán)值和偏差。而在雙波長(zhǎng)同軸數(shù)字全息成像中，由于噪聲放大、孿生像以及成像系統(tǒng)穩(wěn)定性等影響，使得實(shí)際應(yīng)用中不太可能獲得足夠數(shù)量的真值圖像用于訓(xùn)練，因而限制值了該類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在DIDH中的廣泛應(yīng)用。
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，課題組提出了一種用于DIDH成像的非訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即DIDH-Net，可以從DIDH成像數(shù)據(jù)中重建出噪聲和孿生像雙重抑制的目標(biāo)相位分布。DIDH-Net本質(zhì)上是通過(guò)將非卷積網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)成像物理過(guò)程模型相結(jié)合而建立的，即將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成像結(jié)果與用于光學(xué)DIDH成像的特定模型相結(jié)合，從而避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需的極大數(shù)據(jù)量。此外，該DIDH-Net不需要對(duì)成像參數(shù)或操作(例如相移、訓(xùn)練數(shù)據(jù)等)進(jìn)行額外的修改，便可實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度相位成像和測(cè)量。
 

　　不同方法對(duì)(a)蛔蟲(chóng)卵和(b)水蚤后足的成像結(jié)果，包括最終重建的相位圖及其相應(yīng)的光學(xué)厚度測(cè)量
 

　　與其它迭代相位成像方法相比，基于深度學(xué)習(xí)的方法不需要在精確相位重建和魯棒性之間進(jìn)行權(quán)衡，因而在DIDH成像中存在優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)的端到端方法通常從一組訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)映射函數(shù)，而當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有使用相同的權(quán)重集進(jìn)行擬合時(shí)，該種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方案中的誤差則不可避免，并會(huì)在重構(gòu)結(jié)果中帶來(lái)偽影和噪聲；在放大噪聲和孿生像作用下，這種情況將更為嚴(yán)重。相比之下，由于沒(méi)有任何用于訓(xùn)練的標(biāo)記數(shù)據(jù)，DIDH-Net僅需對(duì)圖像形成機(jī)制進(jìn)行相對(duì)精確的建模，繼而將該物理模型與傳統(tǒng)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，便可以有效且準(zhǔn)確地用單幅DIDH成像重建物體的相位分布信息。該項(xiàng)研究成果可以為DIDH提供魯棒的相位重建和高精度的光學(xué)厚度測(cè)量，并可為其它數(shù)字全息成像方案提供借鑒。
 

　　姚保利研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)智能光學(xué)顯微成像技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，在成像功能、信息獲取維度、性能指標(biāo)等方面都獲得了顯著提升，繼而形成了多種新型光學(xué)顯微成像技術(shù)。如利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全彩寬場(chǎng)顯微光切片三維成像、共聚焦顯微快速超分辨三維成像、快速光片三維顯微成像等;利用壓縮感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高分辨率高信噪比的光片顯微成像、散射介質(zhì)后定量相位快速計(jì)算成像、魯棒襯度傳遞函數(shù)相位成像等。研究成果先后在PR、OL、BOE、IEEE TBME等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文20余篇，得到了國(guó)外同行專家的認(rèn)可和積極的評(píng)價(jià)。