CN101661159A - 一种基于二维调制技术的切层图像获取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，该方法利用二维空间光调制器如数字微镜片DMD、穿透式液晶LCD、反射式硅基液晶LCOS等代替传统结构光显微镜中的光栅，对照明进行二维调制，并产生一组不同相位的调制图案，结合二维相移算法重建切层图像，实验表明在不降低图像信噪比的情况下，相对于一维调制技术，采用二维调制技术重建的切层图像具有更高的轴向分辨率。

Description

一种基于二维调制技术的切层图像获取方法

技术领域

本发明涉及一种结构光显微镜的切层图像获取方法，具体地说是指一种基于二维调制技术的切层图像获取方法。

背景技术

结构光显微镜是将结构光测量方法引用到共聚焦测量中的一种显微镜。它是在荧光显微镜基础上增加照明调制功能，即在照明光路中插入一个空间光调制器如光栅，照明受到光栅调制后经物镜投影在样品上，在样品的聚焦平面上将受到调制照明的照射，而在远离聚焦平面处则不被调制，受调制的聚焦平面信息和不受调制的非聚焦平面信息将同时进入成像探测器，改变照明的调制相位并成像，获得一组不同调制相位的图像，采用相移算法可以解算出聚焦层的图像即切层图像。

目前的相移算法是基于一维调制技术，如专利US 6,376,818所示，采用的是三相位相移，间隔相移为π/3，即分别为0、π/3和2π/3，对应的每个相位下相机获得的图像数据分别记为I₀、I₁和I₂，则切层图像的反演公式为：

$I_{\mathrm{os}}=\sqrt{{(I_0-I_1)}^2+{(I_1-I_2)}^2+{(I_0-I_2)}^2}$

利用相移算法重建的切层图像轴向分辨率与调制频率成正比，但调制频率越高，光学传递函数OTF越小，导致图像信噪比也降低，因此需要折中信噪比和轴向分辨率，一般选择调制频率(投影在样品上)为物镜截止频率的0.1-0.2，这样轴向分辨率的提高有限。

发明内容

本发明提供一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，其主要目的在于克服现有结构光显微镜切层图像获取方法因采用基于一维调制技术的相移算法而导致的轴向分辨率提高有限的缺点。

本发明采用如下技术方案：一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，其特征在于包括以下步骤：1)将空间光调制器分割成多个子块，每个子块包含4×4个微空间光调制器，每个子块里同一位置的2×2个微空间光调制器打开而其它微空间光调制器关闭时形成一种调制图案，共可获得9种调制图案；2)结构光显微镜的数码相机在上述每个调制图案照明下获取各个对应的图像数据，各图像数据按照调制图案的产生顺序从左至右、从上至下依次记为I₀₀、I₀₁、I₀₃、I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₂₀、I₂₁、I₂₂；3)计算一维相移算法所需的三个相位数据： $I_0=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{00}-I_{01})}^2+{(I_{01}-I_{02})}^2},$ $I_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{10}-I_{11})}^2+{(I_{11}-I_{12})}^2},$ $I_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{20}-I_{21})}^2+{(I_{21}-I_{22})}^2};$ 4)应用一维相移算法重建切层图像 $I_{\mathrm{os}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_0-I_1)}^2+{(I_1-I_2)}^2}.$

前述一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，其空间光调制器由多个微空间光调制器在二维平面内组成的阵列，可以是数字微镜器件DMD、穿透式液晶LCD或反射式硅基液晶LCOS，每个微空间光调制器至少有两种状态分别对应“开”和“关”，可独立控制，处于“开”状态时从光源来的光可以投射到指定位置上，处于“关”状态时从光源来的光不能投射到指定位置上。

本发明具有如下优点：当二维调制图案在两个正交方向上的调制频率均和一维调制图案的调制频率相等时，光学传递函数OTF不变，此时系统信噪比也不变，实验表明，在这种情况下，本发明采用的二维调制技术可以获得更高的轴向分辨率。

附图说明

图1为基于二维空间光调制器的结构光显微镜示意图；

图2为二维空间光调制器的编码示意图；

图3为利用二维空间光调制器产生一组不同相位的二维调制图案示意图；

图4为利用一维相移算法重建的切层图像；

图5为利用二维相移算法重建的切层图像。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。

基于二维空间调制器的结构光显微镜成像系统如图1所示，光源1发出的光，经二维空间光调制器2调制后经透镜3，并由分光镜4反射至物镜5，并投影在样品6上，从样品发出的光则经成像透镜7后成像在数码相机8的探测器上；数码相机8和二维空间光调制器2均通过信号线连接至计算机9，由计算机9控制二维空间调制器2产生调制图案，并同步采集数码相机8获得的图像数据。

所述空间光调制器2由多个微空间光调制器在二维平面内组成的阵列，可以是数字微镜器件DMD、穿透式液晶LCD或反射式硅基液晶LCOS，每个微空间光调制器至少有两种状态分别对应“开”和“关”，可独立控制，处于“开”状态时从光源来的光可以投射到指定位置上，处于“关”状态时从光源来的光不能投射到指定位置上。

图2为二维空间光调制器的编码示意图，将空间光调制器的各个微空间光调制器按4×4模式分割成多个子块，把每个子块里的16个微空间光调制器按从左到右，从上到下的顺序分别编号为1、2…16，不同子块里的同一位置的微空间光调制器给予相同的编号，从而把所有微空间光调制器按空间位置分成16类：微空间光调制器1、微空间光调制器2…微空间光调制器16。

图3为利用二维空间光调制器产生一组不同相位的二维调制图案，在空间光调制器产生调制图案时，每个子块里的4个(2×2)相邻的微空间光调制器处于打开状态，其他的则处于关闭状态，以此类推，微空间光调制器按编号1、2、5、6，2、3、6、7，3、4、7、8，5、6、9、10，6、7、10、11，7、8、11、12，9、10、13、14，10、11、14、15，11、12、15、16共九组中每一组逐一处于打开状态，其他的则处于关闭状态，共有9种调制图案，分别对应于9种不同的调制相位。

图6和图7分别为利用一维和二维相移算法重建的切层图像，两者的切层图像宽度分别为84pixel和66pixel，表明后者的轴向分辨率比前者高21.5％。实验方法如下：用一倾斜的分辨率板作为测试样品，分别用一维调制技术和二维调制技术重建切层图像，可以发现后者获得的切层图像宽度较窄，对应的就是轴向分辨率比较高。

采用二维调制技术获得切层图像的方法，包括：

一、产生一组不同相位的二维调制图案

将空间光调制器的各个微空间光调制器按4×4模式分割成多个子块，把每个子块里的16个微空间光调制器按从左到右，从上到下的顺序分别编号为1、2…16，不同子块里的微空间光调制器给予相同的编号，从而把所有微空间光调制器按空间位置分成16类：微空间光调制器1、微空间光调制器2…微空间光调制器16；在空间光调制器产生调制图案时，每个子块里的4个相邻的微空间光调制器处于打开状态，其他的则处于关闭状态，以此类推，微空间光调制器按编号1、2、5、6，2、3、6、7，3、4、7、8，5、6、9、10，6、7、10、11，7、8、11、12，9、10、13、14，10、11、14、15，11、12、15、16共九组中每一组逐一处于打开状态，其他的则处于关闭状态，共有9种调制图案，分别对应于9种不同的调制相位。

二、基于二维调制技术的切层重建图像算法(二维相移算法)

结构光显微镜的数码相机在上述每个调制图案照明下同步获取的各个对应的图像数据从左至右、从上至下依次记为I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₂₀、I₂₁、I₂₂，则切层图像的重建步骤如下：

1)计算π/4的一维相移算法所需的三个调制相移数据：

$I_0=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{00}-I_{01})}^2+{(I_{01}-I_{02})}^2},$

$I_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{10}-I_{11})}^2+{(I_{11}-I_{12})}^2},$

$I_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{20}-I_{21})}^2+{(I_{21}-I_{22})}^2};$

2)应用π/4的一维相移算法重建切层图像：

$I_{\mathrm{os}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_0-I_1)}^2+{(I_1-I_2)}^2}.$

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (2)

1、一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将空间光调制器分割成多个子块，每个子块包含4×4个微空间光调制器，每个子块里同一位置的2×2个微空间光调制器打开而其它微空间光调制器关闭时形成一种调制图案，共可获得9种调制图案；

2)结构光显微镜的数码相机在上述每个调制图案照明下获取各个对应的图像数据，各图像数据按照调制图案的产生顺序从左至右、从上至下依次记为I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₂₀、I₂₁、I₂₂：

3)计算一维相移算法所需的三个相位数据： $I_0=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{00}-I_{01})}^2+{(I_{01}-I_{02})}^2},$

$I_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{10}-I_{11})}^2+{(I_{11}-I_{12})}^2},I_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_{20}-I_{21})}^2+{(I_{21}-I_{22})}^2};$

4)应用一维相移算法重建切层图像 $I_{\mathrm{os}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{{(I_0-I_1)}^2+{(I_1-I_2)}^2}.$

2、如权利要求1所述的一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，其特征在于：所述空间光调制器由多个微空间光调制器在二维平面内组成的阵列，可以是数字微镜器件DMD、穿透式液晶LCD或反射式硅基液晶LCOS，每个微空间光调制器至少有两种状态分别对应“开”和“关”，可独立控制，处于“开”状态时从光源来的光可以投射到指定位置上，处于“关”状态时从光源来的光不能投射到指定位置上。

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