2025年10月31日，IEEE旗下计算成像领域权威期刊《IEEE Transactions on Computational Imaging》发表了精密仪器研究中心团队在相干衍射成像领域最新成果，题为“Autofocused Ptychographic Imaging Based on Mid-Frequency Discrete Cosine Transform（基于中频离散余弦变换的叠层衍射成像自聚焦技术）”。硕士生庄柏霖和博士生刘力为论文共同第一作者，刘世元教授和谷洪刚教授为通讯作者，博士生杜锦祥、钟磊、梁昊阳、龚明、张启航为论文共同作者。

在叠层衍射成像系统中，样品到探测器的轴向距离误差是最关键的系统误差之一，会导致算法求解模型与实际实验参数不一致，从而引入重建伪影。尽管已有多种基于灰度梯度和Tamura系数等的自聚焦算法被提出，它们在实际应用中仍存在收敛稳定性差、易陷入局部极小值、对噪声敏感、计算负担大等局限，尤其是在处理相位型生物样本时表现不佳。

针对上述问题，研究团队从频域信息分析的角度出发，创新性地引入中频离散余弦变换（Mid-Frequency Discrete Cosine Transform, MF-DCT）算子，提出了一种全新的自动聚焦评价指标。该方法通过提取重建图像中对失焦模糊最为敏感的离散余弦变换中频特征，有效避免了传统基于空间梯度或全变分模型方法中普遍存在的噪声放大与方向选择性偏置问题。在此基础上，研究团队将MF-DCT 清晰度评价指标与叠层衍射成像迭代重建过程融合，实现了轴向距离的在线自动校正。该方法无需复杂的跨域计算或额外正则化步骤，结构简洁、实现方便，能够无缝嵌入主流叠层衍射成像重建框架中，具有良好的通用性和可扩展性。

图1 基于MF-DCT的叠层衍射成像自聚焦算法迭代流程图

研究团队通过系统的仿真与实验验证了所提算法的优越性能。在振幅样本（USAF-1951分辨率板）和生物样本（青蛙血涂片）上的实验表明，该方法能够稳定消除由轴向距离误差引起的重建伪影，显著提升图像清晰度和对比度。相较于传统的基于全变分模型的自聚焦算法，MF-DCT-zPIE算法在收敛速度、校准精度和不确定性方面提升数倍至一个数量级。特别值得注意的是，在青蛙血涂片实验中，所提出方法在不同初始失焦条件下均能够可靠收敛，成功将系统分辨率推至阿贝衍射极限，充分验证了其在高精度轴向校准方面的有效性。

图2 青蛙血涂片实验结果

该研究提出的自动聚焦方法不仅有效解决了叠层衍射成像中的关键系统误差问题，也为高分辨无透镜成像系统的精密标定提供了一种新的技术路径。该方法具有良好的通用性，可进一步拓展应用于多平面相位检索、无透镜数字全息成像、相干层析成像等多种相干衍射成像技术，对提升复杂系统下的成像可靠性和定量精度具有重要意义。

论文信息：

B. Zhuang, L. Liu, J. Du, L. Zhong, H. Liang, M. Gong, Q. Zhang, H. Gu, S. Liu, “Autofocused Ptychographic Imaging Based on Mid-Frequency Discrete Cosine Transform,” IEEE Transactions on Computational Imaging, 11, 1644- 1653 (2025).