non-invasive通过散射层的无损单脉冲成像和反射散斑分布统计.doc

通过散射层的无损单脉冲成像和反射散斑分布统计作者：Ori Katz, Pierre Heidmann, Mathias Fink , Sylvain Gigan前言：通过内部复杂的样本的光学成像在很多领域有着重要的应用，是一个很难的挑战。最基本的问题是不同种类的样本如生物组织随机地散射和防止衍射限制的图像的形成的散开的光。尽管最近很多进展，但没有通用的方法可以完成用散射光实时的进行无损成像。在这里，我们分析表明，由于斑点统计的记忆效应，一个单一的高分辨率的散射光成像用一个标准的照相机捕获，编码足够的信息通过看得见的不透明的层面板（透射）和周围分辨率受衍射限制的地区成像（反射）。我们用实验的方法证明通过散射介质和漫反射介质用空间的非相干光多种样本（从白色颜料到动态的生物样本）的单脉冲成像，我们单脉冲的无透镜技术是很简单的，它即不要求波前整形也不需要时间控制或干涉检测，而且用一个照相手机也可以被实现。它在一般难达到的情况下成像有一个的潜力。正文：衍射限制光学成像是一个在很多研究领域都必不可少的工具。然而很不幸，复杂样本的固定不均匀性如生物组织引起的光散射，它导致任何光束通过散射介质后散射开来形成一个复杂的散斑图，它限制了光学成像技术的分辨率（清晰度）和渗透深度（透过率）。很多用来克服这一基本的也很有实际意义的问题的方法在这些年中被提出。这些方法是在激光发明之后的这几年，随着在全息术方面的开创性实验进行而被提出来的。然而，迄今为止，没有任何方法允许用扩散的光实时的进行无损成像。基于只用不扩散的激光的现代技术，如光学相干断层成像术和双子显微镜，已被证实是非常有用的，但是它在一个可测量不扩散光子的总量时提出在使深度变浅时存在固有的限制。自适应光学技术可以接近完美地用可变形的镜子调整低阶像差，但是需要一个明亮的点光源作为“导星”出现或者有一个高初始图像对比。最近在控制波前整形方面（波前调制法）令人兴奋的进展认可了通过高度散射样本聚焦和成像。然而，这些技术要么需要最初接近散射介质的两边，要么需要一个导星或者一个已知的目标的存在，要么需要包含大量的光的投影模式的一个长期获得的连续的序列。最近的一次由Bertolotti等人发表了一篇突破性的方法报道（Non-invasive imaging through opaque scattering layers）这篇报道是关于一个引导光源或利用固有的角度散斑模式的相关性校准过的序列来扫描目标对象。然而，一个相干激光束的一组高分辨率角扫描的必要条件约束了这一方法在目标和散射介质上要在长期的获取过程中保留完全的固定。我们在这里介绍一种技术，这种技术运用通过可视不透明的散射介质的以及漫反射介质反射的杂散光和一个标准数码像机，实现了隐藏目标的无损成像。我们展示了一个杂散光通过一个散射介质后，变成一个编码了足够信息的像，它是一个伴随衍射受限分辨率的单一成像。特别地，来源于应用了“散斑干涉法”和角度散斑相关的“记忆效应”利用在Bertolotti的技术中。我们展示了散射光图案的自相关本质上是和目标自身成像的自相关是相同的。然后我们运用一个反复的算法，经过它自身的相关干涉重现目标的像。作为概念的一个证据，我们通过用多种多样的通过动态的变化的生物组织的散射光的高散射样本，用实验的方法论证了我们的单脉冲无损成像技术。另外，我们通过记录散射光打到接收屏上反射回来的光展现了周围地区的像。原理一个通过散射介质成像的实验的原理图，也是一个数字化的例子被呈现在图1a-d中。图一|透过强散射介质的通过散斑相关法的单脉冲成像：理论和数值的例子。a，实验装置。一个目标（一组细胞在数值上的例子）被隐藏在一个可视不透明的散射介质后。目标被一个空间非相干窄带光源照明且一个高分辨率相机在散射介质的另一边记录了散射光的模式。b.未加工的相机图像，I()。在记忆效应范围内，这个像被带有一个随机的散射模式S()和目标强度模式O()的卷积给出。C.看似原始信息很少的自相关，是本质上统一与目标的自相关(g)的，好像它被一个不正常的光学系统代替散射介质成的像一样（e-g）。作为散斑模式的大幅峰值的自相关的结果。d.目标的像被从b中的自相关通过迭代的相位复原算法获得。比例尺：30像素。一个目标被放置在距离一个宽度为L的高散射介质后u处。这个目标被一个空间的非相干窄带光源照明，且一个高分辨率相机被放置在散射介质的另一侧距离为v处，这个像机记录通过散射介质后被散射的散射光的图案。虽然未加工的像机纪录下来的图案是一个低对比的、随机的、看起来似乎信息很少的图像，但是它的自相关在本质上是和目标的自相关是相同的，好似它被一个可以取代该散射介质的非序列的衍射受限光学系统成像。散射光的自相关在本质上统一与目标的自相关的原理是固有的发生角“记忆效应”的斑点互相关的性质。简单地说，记忆效应说明了目标上附近点发生的光被散射介质散射开来，用于在照相机上产生高相关但是动态的随机斑点图。在目标平面上且位于相对距离x处的点在记忆效应区间内（），在照相机上形成近乎相同的散斑模式。这些模式被在照相机平面上相对距离为的另一面所转化。对于空间非相干光的照明（也在荧光照明中）在不同的模式之间没有干扰发生，而且照相机成像是一个简单的相同转化的散斑强度模式的一个叠加，和，是观察的角度。因此这个认可图中的系统被当作一个不规律的成像系统来观察，这个系统有一个平移不变性传递函数，这个函数对随机斑点模式的任一点作用是相同的，S()。它还是一个放大率为。这个相机的像I(y)，是由目标强度模式图案O(x)和它的点扩散函数卷积得来的，式子为，这里*表示一个卷积运算。将照相机成的像进行自相关运算，并运用卷积定理得出 （1）其中，表示自相关运算。作为散斑模式的自相关是一个尖的峰值（本质上是宽带噪声的自相关），（1）式的右边有效的等价于目标像的自相关（要求出的变量是O()）。更加精确的说，照相机上的像的自相关等价于目标的自相关好像它被一个能够替代散射介质的非理想成像系统成像，它带有附加的恒定的背景C，这个背景C引发了峰背比为2:1的散斑自相关（附加图4）。 （2）目标的衍射受限成像可以用一个Fienup-type的反复相位检索的算法，由它的自相关来获得。这一步骤的结果是不透明层可以有效的作为一个完美的透镜。这里这一结果的回忆者通过散射柔性焦距透镜组的波前控制和Freund的交叉互相关方法获得的。然而，不像其他的方法，当今这个技术的主要优点是它不需要在一个长时间有损伤的校准步骤。这些步骤包括一个植入的检测器或者一个映射准确散射性能的“导星”作为样本。介质的准确散射性能留下了未知而且成像过程在介质微观结构的改变上反应迟钝。这里，与主要斑点干涉法和Bertolotti等人的斑点扫描技术相似，目标成像是被它自身的自相关复原的。然而，在当今的技术中，目标的自相关是从一个简单的像重新获取的，争取在一秒之内消除主要斑点干涉法多样成像的暂时平均值和Bertolotti的方法的长高分辨率角扫描的必要条件。这一突破为利用斑点在普遍规律中的各态历经性和超高像素的现代数码相机的计算提供了可能性。这些允许以高精度来恢复目标的自相关，用数万的散射斑点在空间中的平均互相关函数，这些点被捕获到一个简单的像上，而不是完成暂时的多次曝光的总效果。实际上，每一个照相机的像素在Bertolotti等人的斑点扫描技术中有效地发挥了一个单一照明角的作用，同时获得的图像经过加工处理放大了一百万倍。我们的技术的观察角的范围的限制是取决于记忆效应范围的散布性制度的，通过最大半角的半宽度来估算，式为。它是反比于介质的宽度L的，而且，理论上，它是对零宽度的介质表面是不限制的。一个附加的限制因素是散射介质收集光的有限孔径，这个有限孔径当照它的不同区域时会导致渐晕和两点之间的解相关。有效的“入射光瞳”的直径D由散射介质上被照明的区域所决定，也决定了在散射介质和照相机之间放置的孔径光阑的有效直径。这一有限孔径也规定了高角度分辨弥散成像，这种成像是衍射受限造成的，这里n是散射层后的折射率。通过可视的不透明的样本的成像 就像第一个实验证明的那样，我们通过一个散射介质呈现多种多样目标的像，这个散射介质是可视不透明的光学扩散器，还通过两个浑浊的生物样本成像。图2|通过一个可视不透明的光学扩散器和两个生物样本的成像实验。a，未加工的，看似随机的，散射光的相机图像（核心部分被显示）。b，对应相机图像的自相关，揭示清晰独特的模式。c，通过相位复原算法用b的自相关图像重建目标的像。d，作为没有散射介质的直接成像的目标。e-l，a-d为不同成像目标和散射介质：300um厚的鸡胸脯薄片（e-h）；一片新鲜的80um厚的葱皮(i-l)。在i-l中的自相关是十个通过动态样本在不同时间获得的图的总体平均值（附加影像1）。比例尺：20相机像素，对应于在目标平面200um处（a-c），700um（e-g）和450um（i-k）。这个尝试中成像的目标被置于距离散射样本后10-60cm处，而且用一个窄带空间非相干的有差别的光源进行背照式照明（光源由一个相干的激光和旋转扩压器组成，补充图1）。散射光所成的像将被一个5兆像素的科学的补充的半导体金属氧化物诱导板相机记录。这些实验的结果被展示概括在图2中。最左边一列展示的是未加工的照相机成像的主要部分，这个像是低对比的看似随机的样本，它和要成像的目标的实际形状没有任何可视关系。然而，这些像的自相关揭示了清楚的与众不同的模式（图2中从左数的第二列）。隐藏的目标形状可以从它的自相关高精度的恢复出来，用相位复原的方法（依照配方）。我们用几个不同形状且很复杂的目标来论证重建，目标是未加工的照相机图像的不同对比度图像。单脉冲照相机是被需要的，这个技术可以用做通过动态变化样本成像，比如刚割下来的嫩葱样本，如图2i-1所示（附加图6）。有趣的是，动态的样本可以被开发来出产一个自相关的更好的评估，通过捕获一组不同时间散射光的像。尽管隐藏的目标可以通过这个装置来捕获一些单一的像来进行重建，全部十个捕获图像自相关的平均值出产一个自相关更好的估计，这一估计应归于不同散射实现的平均的总效果，正像主要散斑干涉法所做的那样。动态的自然样本因此可以被开发出来，而不是阻止隐藏目标成像。图3显示了一个补充的无损成像实验的结果，结果是目标被隐藏在两个可视图3|在两个扩散器之间被包围的目标的无损成像。a，实验（附加图1b）的展示。目标被放置在两个可视不透明扩散器之间（分别在20mm和18.5cm的距离上）。目标通过第一个扩散器被照明且散射光模式通过第二个扩散器后被观察。b，散射光的未加工的图像（展现了核心部分）。c，从b的自相关中重建的图像。d，在没有任何扩散器的情况下直接成像。e，通过扩散器1的目标的传统成像（目标是被背光照明的）。f-i，不同成像目标时的b-e。比例尺：20像素，对应目标平面的270um。不透明扩散器之间。目标们通过第一扩散器被说明，而且通过目标的散射光的像通过第二个扩散器被记录。再一次的，目标真实的像通过散射光模式被高精度的重现。作为对比，一个被弄污的散射晕可以照惯例被获得，当通过两个封闭扩散器中的一个成像时，它可以被作为一个实例，比如，当企图通过一个散射蛋壳成像时。这个被提供的技术的一个有趣的特征是它邻域的无限深度。一个二维目标总是被一个衍射受限分辨成像，不管它离散射层的距离是多少。这个原因是散射光的点扩散函数总是一个有着一个极尖的自相关函数的散斑图。作为对比，一个传统的基本透镜系统的点扩散函数有一个衍射受限自相关的最高点，它只存在在一个小的轴向区域。这个特点的验证实验在附加图2中被展示。领域的扩大深度通过同一个原因被获得，那就是波前译码技术，散射介质本质上是一个随机的波前编码器。漫反射成像这个被提出的技术也可以在反射中工作；就是，它可以被应用于封闭目标的成像用一个散射墙反射回来的散射光。用反射回来的散射光成单一像的验证实验在图4中被展现。这个实验中的散射样本是一个ZnO粉末薄层，从本质上讲，它是白色是颜料。像的分辨率和反射中的FOV被给出同样的关于传播几何学的表示但被给出取代介质宽度L的传播平均自由程。明显地，散光（短平均自由程）越强，FOV越大。对于高散射白色的绘画颜料的是近似为1um的（refs.8.39）,相当于一个超越几个等级的角FOV。这里，只用一个标准相机，散射墙有效地作为一个镜子。这是一个重要的简单化在以前的“漫反射”的成像方法之上。通过一个散射介质用一个可拍照手机看作为提出的技术的简单性和适用性的最后一个证明我们给出了实现的需求，它（看讨论）可以被满意用消费级手机相机且现在也可以有效的达到数百万。为了这个目的我们重做图2的实验用一个Nokia Lumia 1020智能手机，这个手机有一个41兆像素的传感器。我们放置多种目标在距扩散器20cm处且仅仅用一个可拍照手机为散射光成像，相机放在扩散器的另一边（图5a.b）。我们从一个单一的散射光图像中恢复隐藏的目标，曝光时间为1/100到1/20。（图5c-g）。在这些实验中在一些廉价的成像装置需要被考虑的主要装置是他们的固定的微型光学装置，这些设置规定了可视角和放大率，而且可能引进畸变来限制FOV。另外，拜耳滤色器传感器系列提出了像素比例的人工制品在插补的全分辨率时。最后，在处理与一般的JPEG压缩和v相关一起保存的图像时，附加的人工制品和动态的范围限制干涉重建。然而，这些仍允许简单目标的重建，像我们在图5g中展示的那样（在图5c-f中，像因在一个线型的数字RAW格式体现出来，看方法）。讨论（第4点最重要） 为了用这个提出的技术给予高保真度的图像，有几个可能遇到的情况。首先，像通过随机介质看到的那样，目标的角容量一定比记忆效应范围小。另外，目标的轴向尺寸可能不会扩大超过这个距离，这个距离是散斑点扩散函数的轴向解相关长度。目标位于超出这些范围的部分将引起不相关散斑模式且不会贡献正确的东西给计算自相关。作为一个结果，同其他以记忆效应为基础的技术一样，这个方法在目标到散斑层的距离是比有效层厚度大很多时是有效的。可能的应用包括在一个蛋壳几何中成像，这里散斑的引起主要的来自一个细的封闭层，通过细的封闭层成像的激光定位器和漫反射成像。视野宽阔的内部最拥挤部分的成像，多层的散射薄片仍呈现一个疑点。有趣的是，一个0.5mm厚的鸡胸薄片（附加图8）的记忆效应范围的实验描述给出了一个比在扩散区域中预测的还大的多的角度FOV。在浅的成像深度处对于这个技术的应用，这是个令人高兴的结果。 第二，这个单一的散粒可以被相机好好的分解（适当的采样定理）；散射可以被两次分解到相机像素尺寸那么大。这种情况很容易在调整相机到散射介质的距离和/或在散射介质后放置一个适当的孔径档板时遇到（附加图1）。 第三，为了获得一个在目标平面（）上大的分解分辨率细胞的数目，在散射介质上有效的孔径直径D可以比有效的介质厚度大的多：。一个在增加分辨率上的实际的限制是减少的原因的对比，由于在目标上亮分辨率细胞数目的增加（N总变化的散斑模式的数量）。在N上的实际限制。图4|用反射回来的散射光的周围地区单脉冲成像。a，从一个空间非相干照明的目标射出的光打到一个ZnO“白色颜料”的高散射层。一个在给定的偏振方向上的漫散射光的散射光模式的单一的像是被一个高分辨率相机记录的。b，未加工的相机图像的中心部分。c，从相机图像的自相关重建出来的像。d，真正的隐藏目标的像。比例尺:20像素，在目标平面上对应于400um。Pol：线偏振片。 是相机的满井容量（附加章节3）。作为一个推论，这个技术一般将在暗场照明下且有着稀疏地标记的目标被创立的像，例如，在光敏化的定位显微镜学中，得到了更好的呈现。而不是在亮场中成像的情况。 第四，为了取得原图对比的最大值，用于成像的光谱带宽要比散射光谱相关宽度（ref 18.34.42）要窄一些（考虑到要解释样本后的几何传播），像点扩散函数S()确定了一个高对比散斑模式。（附加图5）换句话说，为了一个最大的原因对比，探测的光暂时的相干需要超过光的通过介质的传播的光学延迟传播时间t和附加的在样本前后的几何路长的不同。在扩散区域（对于处），（在传动装置中）和（在反射中）。例如，对于一个高散射白漆颜料就像我们在反射实验中用的那个在图4中（; ref. 39）。这个对应的。这是一个在可视范围中的反射的20nm解相关带宽。对于通过近似0.5-1mm的软薄片的传递，上的表现是只出现在远薄于1mm的样本上。一个500-um厚的鸡胸样本的试验性测量，例如在图2e有用到的那个样本，给出一个超过10nm的样本解相关带宽（附加图7）。一个有限的可测的光谱宽度的要求能通过控制照明带宽像这里做的那样或者前面当像荧光这样的暂时不相干的信号被用到时通过放置一个窄频带过滤器在照相机上很容易得到。后者按照惯例的在用自然光照射的主要散斑干涉法中呈现，而且后者也用被一个光学扩散器散射的宽频白光和从一个埋藏在0.5mm厚的散射生物薄片中的目标发出的散射荧光近似退相关。过滤的光有个小于的带宽是不必要的而且用一个大些的带宽是可能的对注解是很重要的。这个会减弱原因的对比，但可能不会影响成像分辨率就像S()的自相关保留了一个锐利的峰函数（附加图5）。作为一种选择，一些光谱带可以通过分离他们到几个相机同时的加工处理，允许附加平均总效果或者光谱线成像。由于限制的可用的带宽，对比的引人注目的表格是那些光谱带宽是内部狭窄的地方。这些包括传递和反射（例如，在激光定位器中），拉曼和超声编码（声光）成像。可用带宽限制了放集有效率当宽频荧光是被考虑的时候，这个限制不存在在Bertolotti的方法和Bertolotti同类的方法中。最后的情况是样本的和加工的散粒数目需要被最大化。就像在另一个数字散粒相关技术那样，一个固有的噪声源由用求一个最后的散粒数平均值替代总效果平均值引起的（基本的限制来自相机像素的数目）。这个对精确的估算自相关函数和正确地减掉它的背景都是重要的。在最近的实验中，通过用高像素传感器数组，我们可以获得一个满意的信噪比通过加工10的