CN106443998A - 一种基于fpm算法的显微成像方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPM算法的显微成像方法和系统，该系统包括平面光源阵列、微反射镜阵列、物镜和相机，所述平面光源阵列发射光线到微反射镜阵列；所述微反射镜阵列将所述光线转换为直入射光线和斜入射光线；载物孔用于使直射入光线透过并照射至放置在载物孔上的成像物体；所述物镜和所述相机用于经成像得到多幅低分辨率图像。该系统利用微反射镜阵列可以得到多幅不同角度照明下的低分辨率图像，能够实现静态成像和荧光标记成像。随后利用FPM算法进行迭代重建，可以提高图像分辨率，其和高倍物镜的分辨率相当，且具有更宽的视场。该系统和传统显微镜相比具有体积小、重量轻的优点，适用于移动检测和现场检测。
Description
技术领域
本发明属于显微成像领域，特别涉及一种基于FPM算法的显微成像方法和系统。
背景技术
传统的光学显微镜体积庞大、笨重，价格昂贵，需要专业的人员操作，不能满足一些场合(如救护车等)对便携式成像的要求。近几年，国内外很多科研人员致力于针对微小物体的便携式成像系统的研究，并取得了很大的进展。但目前存在的便携式成像系统有的结构设计有待进一步优化，离真正的“便携式”还有一定距离；有的分辨率较低，有的视场较小，能同时兼顾高分辨率和宽视场的很少。部分系统设计对光源的相干性要求较高，势必增加系统设计的复杂性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种兼顾高分辨率和宽视场的显微成像方法和系统。
本发明提供一种基于FPM算法的显微成像方法，该方法包括如下步骤：A1.由平面光源阵列发射光线到微反射镜阵列；A2.调整微反射镜阵列中的一个微反射镜块面向平面光源阵列，使所述光线转换为直入射光线，并调整其他微反射镜块背向平面光源阵列，使所述光线转换为斜入射光线；所述直入射光线通过载物孔，照射至放置在载物孔上的成像物体，经物镜投射到相机中，得到低分辨率图像；A3.重复步骤A2，依次调整微反射镜阵列中的其他微反射镜块面向平面光源阵列，得到多幅低分辨率图像；A4.多幅低分辨率图像经FPM的算法进行迭代重建，获取高分辨率图像。
本发明还提供一种基于FPM算法的显微成像系统，该系统包括包括平面光源阵列、微反射镜阵列、载物孔、物镜和相机；所述平面光源阵列发射光线到微反射镜阵列；所述微反射镜阵列将所述光线转换为直入射光线和斜入射光线；载物孔用于使直射入光线透过并照射至放置在载物孔上的成像物体；所述物镜和所述相机用于经成像得到多幅低分辨率图像。
优选地，所述平面光源阵列为单色光LED阵列，阵列为5×5。
进一步地优选地，所述单色光LED阵列，单颗LED封装尺寸为3.0mm×3.0mm，额定电压6.25V，额定电流150mA，在额定电压和电流下，光通量为24lm，发光中心波长为620nm，发光角度为120°，相邻两个LED光源中心间距为5mm。
优选地，所述平面光源阵列采用铝基板作为光源基板；进一步地优选，铝基板的尺寸为33.5mm×32mm。
优选地，所述微反射镜阵列包括铝反射镜阵列。
优选地，所述微反射镜阵列为608×684，微反射镜总尺寸为6.5718mm×3.699mm，每个微反射镜尺寸为7.6μm×7.6μm。
优选地，所述微反射镜朝向平面光源仰12°或者背向平面光源阵列俯12°。
优选地，所述物镜包括低倍物镜。
进一步地优选，所述低倍物镜的放大倍率为×1.25，数值孔径为0.04，工作距离为5mm，视场数为26.5mm。
优选地，所述相机包括工业相机；进一步地优选，所述工业相机的水平或垂直分辨率为2048像素×1088像素，水平或垂直像素尺寸为5.5μm×5.5μm。
优选地，所述相机的感光芯片为CMOS，所述感光芯片尺寸为11.26mm×5.95mm。
优选地，所述相机和所述物镜之间用物镜-C接口的镜筒组件，长度为132.5mm。
优选地，载物板上除有载物孔外，还有一个光源孔；所述光源孔与光源基板配合，并贴在铝散热器上，通过载物板和控制板基座将热量快速散出去；所述成像物体的物中心点与所述微反射镜阵列平面中轴线的端点在同一竖直线上。
优选地，所述载物孔与所述微反射镜镜面之间的高度为30mm或6mm。
本发明的有益效果为：通过平面光源阵列将光线发射至微反射镜阵列，通过依次调控微反射镜阵列中的一个微反射镜块面向平面光源阵列，得到直入射光线照射至载物孔，经物镜投射到相机中，得到多幅不同角度照明下的低分辨率图像。根据这些得到的低分辨率图像，利用FPM算法进行迭代重建就得到高分辨率图像，能够实现静态成像和荧光标记成像。经该系统获得的显微成像，经FPM算法重建后分辨率和高倍物镜的分辨率相当，且具有更宽的视场。该系统和传统显微镜相比具有体积小、重量轻的优点，适用于移动检测和现场检测。
附图说明
图1为本发明实施例的便携式显微成像系统的结构示意图。
图2为本发明实施例物中心点和微反射镜阵列平面的三种相对位置。
图3为本发明实施例载物板平面和微反射镜阵列平面高度为30mm时的直入射和斜入射示意图。
图4为本发明实施例载物板平面和微反射镜阵列平面高度为30mm时获取低频信息和6mm时获取高频信息的示意图。
1表示CMOS相机，2表示位移架，3表示镜筒，4表示支架，5表示物镜镜头，6表示载物孔，7表示平面光源阵列，8表示微反射镜阵列，9表示控制板基座；10表示物中心点，11表示微反射镜阵列平面，12表示微反射镜阵列面中轴线；13表示载物板平面，16表示某一个微反射镜块，17表示其他的微反射镜块，18表示直入射光线，19表示斜入射光线；21表示微反射镜阵列位置d，22表示获取低频信息的最大倾斜角，24表示微反射镜阵列位置e，25表示获取高频信息的最大倾斜角。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本实施例提供一种基于FPM算法的显微成像方法，该方法包括如下步骤：A1.由平面光源阵列发射光线到微反射镜阵列；A2.调整微反射镜阵列中的一个微反射镜块面向平面光源阵列，使所述光线转换为直入射光线，并调整其他微反射镜块背向平面光源阵列，使所述光线转换为斜入射光线；所述直入射光线通过载物孔，照射至放置在载物孔上的成像物体，经物镜投射到相机中，得到低分辨率图像；A3.重复步骤A2，依次调整微反射镜阵列中的其他微反射镜块面向平面光源阵列，得到多幅低分辨率图像；A4.多幅低分辨率图像经FPM的算法进行迭代重建，获取高分辨率图像。
实施例一
如图1所示，基于FPM算法的显微成像系统包括：CMOS相机1，位移架2，镜筒3，支架4，物镜5，载物孔6，平面光源阵列7，微反射镜阵列8，控制板基座9。
平面光源阵列为单色光LED阵列，采用5×5的阵列，可以使得发光面和发光功率大。单颗LED封装尺寸为3.0mm×3.0mm，额定电压6.25V，额定电流150mA，在额定电压和电流下，光通量为24lm，发光中心波长为620nm，发光角度为120°。选用波长为620nm的发红光的LED光源，能够降低系统对光源的相干性要求。在一定的电压范围内，电流和发光亮度会随着电压的增大而增加，利用这一特性，可以设计光源调节电路，使相机成像时有合适的曝光强度。25颗LED等间距排列，相邻两颗LED中心间距为5mm，这样发光面为25mm×25mm。因平面光源阵列功率较高，因此用散热性能较好的铝做基板，铝基板尺寸为33.5mm×32mm。
微反射镜阵列是一个高反射铝微反射镜阵列，每个微反射镜在微型铰链的作用下可控制其朝向光源仰12°或者背向光源俯12°；选用的微反射镜阵列为608×684，微反射镜阵列总尺寸为6.5718mm×3.699mm，每个微反射镜尺寸为7.6μm×7.6μm，由于单个微反射镜尺寸太小，接收的光通量也很小不足以成像，因此设置100×76个微反射镜作为一个微反射镜块，前5列微反射镜块为100×76，第6列微反射镜块为108×76，故微反射镜块阵列为6×9。
物镜选择低倍物镜，这样有较大的视场，损失的分辨率可通过后续的FPM算法补偿。因为经微反射镜块反射，入射到物镜的光线有较大的倾斜角，因此选择工作距离短的物镜，综合以上要求选用一款平场复消色差物镜，其放大倍率为×1.25，其数值孔径(NA)为0.04，工作距离为5mm，视场数(FN)为26.5mm。
相机选择一款工业相机，其水平/垂直分辨率为2048像素×1088像素，水平/垂直像素尺寸为5.5μm×5.5μm，感光芯片为CMOS，感光芯片尺寸为11.26mm×5.95mm(2/3inch)。相机和物镜之间用物镜-C接口的镜筒组件，其长度为132.5mm。
载物板上开有两个方孔，一个方孔为载物孔8mm×8mm，另一个方孔为光源孔33.5mm×32mm。光源铝基板和光源孔配合，并贴在铝散热器上，通过载物板和控制板基座将热量快速散出去。微反射镜镜面和控制板基座的上表面相平，载物板和微反射镜镜面之间的高度设置为30mm和6mm，30mm对应的是较小角度的斜入射光，即获得FPM重建时所需要的低频信息，6mm对应的是较大角度的斜入射光，即获得FPM重建时所需要的高频信息。
实施例二
FPM算法要求LED阵列的中心LED、物和物镜在同一光轴上，由于显微成像系统结构的限制，使得微反射镜块阵列中心无法处于显微成像系统的光轴上。虽然FPM算法需要全场图像来进行重建，但对于奇数点像素的图像(N×N像素，N为奇数)，其频谱在做fftshift(MATLAB中的函数)后有中心共轭对称的性质，因此只需要半场图像就足以重建。
考虑对称性，物和微反射镜阵列平面的三种相对位置如图2所示，10为物中心点，11为微反射镜阵列平面，12为微反射镜阵列面中轴线。其中a为物中心点在微反射镜阵列平面中轴线延长线上，b为物中心点在微反射镜阵列平面中轴线左端点处，c为物中心点在微反射镜阵列平面中轴线上。分析发现：
Ⅰ：经微反射镜反射后，相对位置a只有斜照明，相对位置b、c既有斜照明也有直照明，对于后续图像处理的FPM算法需要有明、暗场图像，而位置a没有直入射，即不能保证有明场图像，所以淘汰相对位置a的情况。
Ⅱ：最大斜入射的角度b>c，即FPM算法重建时信息完整度b>c。
综合以上两点，采取相对位置b，即物中心点与微反射镜阵列平面中轴线的端点在同一竖直线上，既能保证直照明(即有明场图像)又能达到最大的入射角，而且满足FPM算法重建半场图像的要求。
实施例三
如图3所示，每次成像，将某一个微反射镜块16设置为朝向光源仰12°，其他的微反射镜块17均设置为背向光源俯12°，这样就能就能得到直入射或斜入射图像。经载物板平面13中心正下方的微反射镜块反射的光线即是直入射光线18，而经其他微反射镜块反射的光线则是斜入射光线19，斜入射光线并不会照射到物体上。
实施例四
图4为载物板平面13和微反射镜阵列平面的两种相对位置，当微反射镜阵列平面处于位置d时，载物板平面和微反射镜阵列平面的高度h1＝30mm；有直入射光线，且斜入射光线的倾斜角(该倾斜角定义为斜入射光线和直入射光线的夹角)较小，利用FPM算法重建时对应的是频谱中心及附近的位置，因此通过位置d的微反射镜块阵列，获取的是重建所需要的低频信息，22为获得低频信息的最大倾斜角。当微反射镜阵列平面处于位置e时，载物板平面和微反射镜阵列平面的高度h1＝6mm；只有斜入射光线，且倾斜角较大，利用FPM算法重建时对应的是离频谱中心较远的位置，因此通过位置e的微反射镜块阵列，获取的是重建所需要的高频信息，25为获得高频信息的最大倾斜角。
设置100×76个微反射镜作为一个微反射镜块，因此微反射镜块阵列为6×9，先让微反射镜阵列处于位置d，按顺序依次让每个微反射镜块朝向光源仰12°，其他的微反射镜块背向光源俯12°，通过光源调节电路，使每次图像采集曝光强度为最佳，这样完成54次图像采集，获得54幅低分辨率低频图像。然后保证物不动，移动微反射镜阵列平面到位置e，由于微反射镜块(1,1)到(2,9)共18个微反射镜块无法反射面光源的光线，因此不用考虑这18个微反射镜块，其他微反射镜块从(3,1)到(6,9)共36个微反射镜块，按顺序依次让每个微反射镜块朝向光源仰12°，其他的微反射镜块背向光源俯12°，通过光源调节电路，使每次图像采集曝光强度为最佳，完成36次图像采集，获得36幅低分辨率高频图像。微反射镜阵列平面的两种位置共采集90幅低分辨率图像，而如果考虑全场则是171幅图像。通过FPM算法，可以将这些低分辨率图像迭代重建获取高分辨率的复图像。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于FPM算法的显微成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1.由平面光源阵列发射光线到微反射镜阵列；
A2.调整微反射镜阵列中的一个微反射镜块面向平面光源阵列，使所述光线转换为直入射光线，并调整其他微反射镜块背向平面光源阵列，使所述光线转换为斜入射光线；所述直入射光线通过载物孔，照射至放置在载物孔上的成像物体，经物镜投射到相机中，得到低分辨率图像；
A3.重复步骤A2，依次调整微反射镜阵列中的其他微反射镜块面向平面光源阵列，得到多幅低分辨率图像；
A4.多幅低分辨率图像经FPM的算法进行迭代重建，获取高分辨率图像。
2.如权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，所述平面光源阵列为5×5的单色光LED阵列，并采用铝基板作为光源基板，相邻两个LED光源中心间距为5mm，发光角度为120℃；所述微反射镜阵列包括铝反射镜阵列。
3.如权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，所述步骤A2中，其中一个微反射镜块面向平面光源阵列仰12°，其他微反射镜块背向平面光源阵列俯12°。
4.如权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，所述物镜包括低倍物镜，所述低倍物镜的放大倍率为×1.25，数值孔径为0.04，工作距离为5mm，视场数为26.5mm；所述相机包括工业相机，所述工业相机的分辨率为2048像素×1088像素，像素尺寸为5.5μm×5.5μm，感光芯片为CMOS；所述物镜和所述相机之间用物镜-C接口的镜筒组件，长度为132.5mm。
5.如权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，所述成像物体的物中心点与所述微反射镜阵列平面中轴线的端点在同一竖直线上；所述载物孔与所述微反射镜阵列镜面之间的高度为30mm或6mm。
6.一种基于FPM算法的显微成像系统，其特征在于，包括平面光源阵列、微反射镜阵列、载物孔、物镜和相机；所述平面光源阵列发射光线到微反射镜阵列；所述微反射镜阵列将所述光线转换为直入射光线和斜入射光线；载物孔用于使直射入光线透过并照射至放置在载物孔上的成像物体；所述物镜和所述相机用于经成像得到多幅低分辨率图像。
7.如权利要求6所述的显微成像系统，其特征在于，所述平面光源阵列为5×5的单色光LED阵列，并采用铝基板作为光源基板，相邻两个LED光源中心间距为5mm，发光角度为120℃；所述微反射镜阵列包括铝反射镜阵列。
8.如权利要求6所述的基于FPM算法的便携式显微成像系统，其特征在于，所述微反射镜阵列中的微反射镜块面向平面光源阵列仰12°或背向平面光源阵列俯12°。
9.如权利要求6所述的基于FPM算法的便携式显微成像系统，其特征在于，所述物镜包括低倍物镜，所述低倍物镜的放大倍率为×1.25，数值孔径为0.04，工作距离为5mm，视场数为26.5mm；所述相机包括工业相机，所述工业相机的分辨率为2048像素×1088像素，像素尺寸为5.5μm×5.5μm，感光芯片为CMOS；所述物镜和所述相机之间用物镜-C接口的镜筒组件，长度为132.5mm。
10.如权利要求6所述的便携式显微成像系统，其特征在于，所述成像物体的物中心点与所述微反射镜阵列平面中轴线的端点在同一竖直线上；所述载物孔与所述微反射镜阵列镜面之间的高度为30mm或6mm。
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