CN105911692B - 一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法，首先在照明光波长确定的情况下，选择成像系统的系统参数，确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的显微物镜、成像筒镜和相机；然后在成像系统确定的情况下，选择照明系统的系统参数，确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的LED阵列以及它在系统中的位置。本发明在保证重构图像质量的前提下减少所需拍摄的图像数量，显著提高图像采集效率、迭代重构效率和空间带宽积。

Description

一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法
技术领域
本发明属于显微成像系统的系统设计技术领域，特别是一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法。
背景技术
在显微成像领域，更高的分辨率一直是追求的目标，但是在提高分辨率的同时存在一个关键性问题，那就是并没有随分辨率一起提高的显微镜的空间带宽积，换言之即传统显微镜存在分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾。因为，传统显微镜使用低倍物镜进行成像时视场大但是分辨率低，而使用高倍物镜进行成像时分辨率提高了但是相应的视场就会缩得很小。目前，为了突破分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾，常见的方法是采用常规显微镜系统配合高精度机械扫描和后期空域图像拼接方法将多个小视场高分辨率图像拼接融合生成一幅大视场高分辨率图像([1]2013205777012，适用于结核杆菌抗酸染色图像拼接的装置)。但是由于引入了机械移动装置，所以系统成像时的稳定性和成像速度又成为一对难以调和的矛盾，提高扫描速度必将影响成像稳定性。所以，想要突破分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾又不引入了机械移动装置，必须采用近年来提出的计算成像的方法，比如傅立叶叠层显微成像技术。
傅里叶叠层成像技术是近年来发展出的一种大视场高分辨率定量相位计算显微成像技术([2]谢宗良等人.小孔扫描傅里叶叠层成像的关键参量研究[J].光学学报,2015,35(10):94-102)，该方法整合了相位恢复和合成孔径的概念。与其他相位恢复方法相似，傅里叶叠层成像技术的处理过程也是根据空域中记录的光强信息和频域中某种固定的映射关系来进行交替迭代的，特别的是该技术借用了合成孔径叠层成像的思想。在一个传统的傅里叶叠层成像的系统中，样品被不同角度的平面波照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像。由于二维的薄物体被来自不同角度的平面波照明，所以在物镜后焦面上物体的频谱被平移到对应的不同位置。因此，一些本来超出物镜数值孔径的频率成分被平移到物镜数值孔径以内从而能够传递到成像面进行成像。反过来看，不同角度的入射光可等效为在频谱上不同位置的交叠的光瞳函数(子孔径)，每次通过不同位置子孔径的频谱在频域上形成叠层。之后再利用相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域里迭代，依次更新对应的子孔径里的频谱信息，子孔径与子孔径交叠着扩展了频域带宽并恢复出超过物镜空间分辨率限制的高频信息(合成孔径)，最终同时重构出物体的大视场高分辨率光强和相位图像(相位恢复)。这样就实现了使用一个低数值孔径、低放大率的物镜同时获得大视场和高分辨率成像，最终重构的分辨率取决于频域中合成数值孔径的大小。
傅里叶叠层显微成像技术是一种新型的大视场高分辨显微成像技术，但目前其实验系统参数的选择还没有达到最优化，尤其不恰当的选择某些系统参数会直接导致重构图像质量的下降，因此如何选择合适的系统元件来搭建傅立叶叠层成像的实验系统以达到系统参数的最优化，就成为了傅里叶叠层显微成像技术必须克服的一个技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法，在保证重构图像质量的前提下减少所需拍摄的图像数量，显著提高图像采集效率、迭代重构效率和空间带宽积。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法，步骤如下：
步骤一，在照明光波长确定的情况下，选择成像系统的系统参数，其中包括物镜的数值孔径、，成像筒镜的放大率、相机的像素尺寸、像素行数、放大率和视场数从而确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的显微物镜、成像筒镜和相机；
步骤二，在成像系统确定的情况下，选择照明系统的系统参数，其中包括LED阵列相邻两个LED单元之间的间距、LED阵列到样品之间的高度差、LED阵列的行数，从而确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的LED阵列以及它在系统中的位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)选择了最优的成像系统的系统参数，保证了在不出现像素混叠情况下，获得最大的视场及重构分辨率，即获得了最大的空间带宽积。(2)选择了最优的照明系统的系统参数，保证了在获得最佳的重构图像质量的前提下，减少所需拍摄的图像数量，显著提高图像采集效率和迭代重构效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法的流程示意图。
图2为以USAF分辨率板作为待测样品的傅立叶叠层显微成像结果：图2(a)表示的是成像系统的系统参数没有达到最优时的重构结果；图2(b)表示的是成像系统的系统参数达到最优时的重构结果；图2(c)表示的是照明系统的系统参数没有达到最优时利用121幅低分辨率图像重构的结果；图2(d)表示的是照明系统的系统参数达到最优时利用49幅低分辨率图像重构的结果。
具体实施方式
结合图1，傅立叶叠层显微成像系统包括成像系统和照明系统，本发明首先在照明光波长确定的情况下，选择成像系统的系统参数，其中包括物镜的数值孔径、成像筒镜的放大率、相机的像素尺寸、像素行数、放大率和视场数；然后在成像系统确定的情况下，选择照明系统的系统参数，其中包括LED阵列相邻两个LED单元之间的间距、LED阵列到样品之间的高度差、LED阵列的行数，具体实现步骤如下：
步骤一，在照明光波长确定的情况下，选择成像系统的系统参数，其中包括物镜的数值孔径、成像筒镜的放大率、相机的像素尺寸、像素行数、放大率和视场数，即确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的显微物镜、成像筒镜和相机。选择成像系统的系统参数的公式为：
其中，λ为照明光波长，NAobj为物镜的数值孔径，Dcam为相机的像素尺寸，Magobj为物镜的放大率，Magtube为筒镜的放大率，Ncam为相机的像素行数，FNobj为物镜的视场数。这里公式(1)是设计最优化傅立叶叠层显微成像系统的必要条件，即必须满足的条件，否则重构图像质量会严重下降。而公式(2)是最优化参数选测的充分条件，是为了达到更高的空间带宽积。
步骤二，在成像系统确定的情况下，选择照明系统的系统参数，其中包括LED阵列相邻两个LED单元之间的间距、LED阵列到样品之间的高度差、LED阵列的行数，即确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的LED阵列以及它在系统中的位置。选择照明系统的系统参数的公式为：
其中，DLED为LED阵列相邻两个LED单元之间的间距，h为LED阵列到样品之间的高度差，NLED为LED阵列的行数，NAsyn为所需合成的最大数值孔径。这里公式(3)是设计最优化傅立叶叠层显微成像系统的必要条件，即必须满足的条件，否则重构图像质量会严重下降。而公式(4)是最优化参数选测的充分条件，是为了减少所需拍摄的图像数量，提高图像采集效率。
通过上述步骤可以看出，本发明选择了最优的成像系统的系统参数，保证了在不出现像素混叠情况下，获得最大的视场及重构分辨率，即获得了最大的空间带宽积。此外，本发明选择了最优的照明系统的系统参数，保证了在获得最佳的重构图像质量的前提下，减少所需拍摄的图像数量，显著提高图像采集效率和迭代重构效率。
为了测试本发明的实验效果，以USAF分辨率板作为待测样品进行了傅立叶叠层显微成像，图2(a)表示的是成像系统的系统参数没有达到最优时的重构结果，图2(b)表示的是成像系统的系统参数达到最优时的重构结果。图2(c)表示的是照明系统的系统参数没有达到最优时利用121幅低分辨率图像重构的结果，图2(d)表示的是照明系统的系统参数达到最优时利用49幅低分辨率图像重构的结果。从图2(a)和2(b)中可以看出，成像系统的系统参数没有达到最优时，重构质量严重下降，而成像系统的系统参数达到最优时，所有频率的信息都得到了准确的恢复。从图2(c)和2(d)中可以看出，照明系统的系统参数没有达到最优时，虽然重构图像质量很好，但是需要拍摄121幅低分辨率图像，图像采集效率和迭代重构效率都偏低，而照明系统的系统参数达到最优时，只需要拍摄49幅低分辨率图像就能以同样的精度恢复出样品的高分辨率图像，因此本发明使得傅立叶叠层成像系统能够在实现最大空间带宽积的同时，显著提高图像采集效率和迭代重构效率。

Claims (1)

1.一种傅立叶叠层显微成像系统的最优系统参数选择方法，其特征在于步骤如下：
步骤一，在照明光波长确定的情况下，选择成像系统的系统参数，其中包括物镜的数值孔径，成像筒镜的放大率、相机的像素尺寸、像素行数、放大率和视场数从而确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的显微物镜、成像筒镜和相机；
步骤二，在成像系统确定的情况下，选择照明系统的系统参数，其中包括LED阵列相邻两个LED单元之间的间距、LED阵列到样品之间的高度差、LED阵列的行数，从而确定傅立叶叠层显微成像系统中所使用的LED阵列以及它在系统中的位置；
所述步骤一中选择成像系统的系统参数的方法为：
其中，λ为照明光波长，NAobj为物镜的数值孔径，Dcam为相机的像素尺寸，Magobj为物镜的放大率，Magtube为筒镜的放大率，Ncam为相机的像素行数，FNobj为物镜的视场数；
所述步骤一中选择成像系统的系统参数的方法还有：
其中，Dcam为相机的像素尺寸，Magtube为筒镜的放大率，Ncam为相机的像素行数，FNobj为物镜的视场数；
所述步骤二中，选择照明系统的系统参数的方法为：
其中，DLED为LED阵列相邻两个LED单元之间的间距，h为LED阵列到样品之间的高度差，NAobj为物镜的数值孔径；
所述步骤二中，选择照明系统的系统参数的方法还有：
其中，DLED为LED阵列相邻两个LED单元之间的间距，h为LED阵列到样品之间的高度差，NLED为LED阵列的行数，NAsyn为所需合成的最大数值孔径。
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