CN106767534A - 基于fpm的立体显微系统和配套三维面形高分重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于FPM的立体显微系统和配套三维面形高分重构方法，属于显微成像、立体图形学、微纳结构表面形貌检测领域。本发明的系统包括旁轴照明系统，根据需求调制发射不同角度照明光束；光学显微系统，对被测样本进行方法成像；光场成像系统，获取被测物体不同视角或方向下的图像；图像采集及处理系统，将图像转化为数字信号并进行处理。本发明利用光场成像系统和重聚焦算法获得被测物体的深度断层切片，利用FPM算法对断层切片进行高分重构，突破了光学系统的物理限制，提高了重构立体图像的空间分辨率。

Description

基于FPM的立体显微系统和配套三维面形高分重构方法
技术领域
本发明涉及基于FPM的立体显微系统和配套三维面形高分重构方法，属于显微成像、立体图形学、微纳结构表面形貌检测领域。
背景技术
Fourier ptychographic microscopy(FPM)是一种通过对照明光进行调制进而实现图像超分辨重建的显微成像技术。成像平台的空间带宽积(Space bandwidth product,SBP)通常受其光场系统参数的制约，而SBP由下式计算得到
SBP＝S×res2
其中S代表成像平台有效工作面积，res代表横向分辨率(pixel/mm)。在系统SBP固定的情况下，若想获得高分辨率图像就需要缩小成像平台有效工作面积，即减小系统的视场大小。而FPM算法可以在不改变成像光学系统的前提下，通过计算重构的方式得到大视场、高分辨率的图像，突破成像平台的物理限制。
但目前研究表明，使用FPM算法进行大视场高分辨率成像时有一个必要的前提条件，那就是假设待测样品是一个二维薄物体，因为只有对二维薄物体进行倾斜照明时，才相当于平移它的二维频谱，对于一个三维厚物体这条性质将不再适用。因此常规的FPM算法并不能直接应用于物体的表面三维形貌检测中。
光场显微镜是基于光场成像理论的显微装置，通过在常规商用显微镜的中间像面加入一个微透镜阵列以实现入射光辐射空间信息和角度信息的采集。光场显微镜可以通过单次曝光，利用重聚焦算法恢复出被测物不同深度面的深度断层切片图像，进而重构出被测物体的三维形貌。但由于在光信息采集过程中，光场显微镜是通过牺牲空间分辨率来得到角度分辨率信息，因此重构出的三维形貌信息往往横向分辨率较差。
基于FPM的光场显微方法(CN104181686A)，是一种结合FPM算法和光场显微成像的新型显微方法，其利用FPM算法获取高分辨率广视野图像后，利用光场成像理论的相关技术恢复出被测物体的三维结构。但由于该发明首先利用FPM算法来获得高分光场图像，因此其被测对象必须为二维薄样本才能满足FPM算法的先验假设，对于具有一定厚度差的三维物体不能有较好的三维结构恢复功能。且该发明实施例中搭建的显微平台为透射式照明，照明部分和显微部分位于被测物体两侧，对于生物细胞等透射样本观察性能较好，但对于金属或陶瓷等非全透射样本观察性能较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决光场显微系统横向分辨率较差以及能够提高分辨率的FPM算法不能直接用于三维物体面形重构的问题，提供一种基于FPM的立体显微系统和配套三维面形高分重构方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于FPM的立体显微系统，包括：旁轴照明系统，其具有对被测物体发射平行光束照明，可以根据需求进行不同的角度调制的功能；光学显微系统，其采集经上述旁轴照明系统发射并被被测物体反射出的光辐射，并进行放大成像；光场成像系统，其利用上述常规光学显微系统输出的实像二次成像形成具有被测物体不同视角或方向信息的光场子图像集；图像采集及处理系统，其利用上述光场成像系统所成的光场子图像集转换为图像信号进行图像处理。
所述旁轴照明系统包括LED阵列和控制平台，以及空间光调制器。
光学显微系统为在常规商用显微物镜组的基础上加入中继透镜组，能够有效避免常规商用显微物镜组中孔径光阑对于照明光路的遮挡。
光场成像系统为微透镜阵列。
基于FPM的立体显微系统的配套三维面形高分重构方法，具体步骤如下：
步骤一、利用旁轴照明系统对照明光进行调制，使光源发射单方向指定角度的平行光束照明被测物体；
步骤二、利用显微成像系统采集被测物体的光场子图像集
步骤三、利用重聚焦算法对步骤二采集的光场子图像集进行处理，得到不同深度的深度断层切片数据集
步骤四、利用旁轴照明系统对照明光进行调制，改变平行光束角度，重复步骤二和三，得到不同照明光束下，不同深度的深度断层切片数据集其中i＝2,…M，j＝2,…N，M、N为旁轴照明系统两个横向方向的最大可调制数；
步骤五、对步骤四得到的数据集根据不同的深度进行分离，对每一个相同深度的数据集利用FPM算法进行高分重构，对步骤三的切片数据集和步骤四的切片数据集进行整合处理，获得高分辨率三维形貌数据。
有益效果
1、本发明利用基于光场成像和FPM算法的方法设计了一套可用于三维物体表面形貌重构的测量系统。该系统可基于现有商用显微系统改造得到，仪器推广性较强，可利用低放大倍率显微物镜得到大视场高分辨率的三维重构图像。采用旁轴式照明方式，适用测量对象广，可对于金属、陶瓷等非透射样本进行观测。
2、本发明所提出的三维结构高分辨率重构方法，对于被测物体的轴向厚度具有较强的适应性，可用于三维被测物体的面形重构。针对FPM算法局限性和光场成像优势，通过光场重聚焦算法将系统所记录到的光辐射立体信息分割到不同的深度面断层切片，将三维被测物体转换成了多个二维薄样本，从而创造了使用FPM算法的前提条件。利用FPM算法提高了每个深度面的分辨率，从而突破了光学系统的物理限制，丰富了采集到的光场信息，使物体能重建出更高分辨率的三维结构。
附图说明
图1为立体显微系统进行三维重构的示意图；
图2为本发明所提出的立体显微成像系统的示意图；
图3为本发明所提出的立体显微成像系统的光路图；
图4为LED阵列及其控制平台的装置图；
图5为基于空间光调制器的照明系统示意图；
图6为三维重构方法的工作流程图；
图7为光场重聚焦算法的流程图；
图8为FPM算法的流程图。
其中，1—被测物体，2—物镜，3—第一分束镜，4—照明光源，5—聚光透镜，6—中继透镜组，7—孔径光阑，8—镜筒透镜，9—微透镜阵列，10—图像传感器，11—平行光管，12—扩束镜，13—空间光调制器，14—第二分束镜。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所提出的三维结构高分辨率重构方法，如图1中所示，其特征在于，使用基于FPM算法和光场显微术的新型显微系统来采集光场信息，通过光场重聚焦算法将系统所记录到的光辐射立体信息分割到不同的深度面断层切片，将三维被测物体转换成了多个二维薄样本，从而创造了使用FPM算法的前提条件。利用FPM算法提高了每个深度面的分辨率，从而突破了光学系统的物理限制，丰富了采集到的光场信息，使物体能重建出更高分辨率的三维结构。
图2是用来表示本发明实施方式适用的立体显微系统的概括结构的框图。与该图2所示的框图相对应，使用图3对本发明实施方式所使用的立体显微进行详细说明。
与如图2所示的立体显微系统相关的部分包括：旁轴照明系统、光学显微系统、光场成像系统、图像采集及处理系统。
旁轴照明系统采用落射式照明结构，照明光投射到被测物体上，经被测物体吸收并反射后进入光学显微系统放大成像于其后焦面位置。所成实像经过光场成像系统二次成像于图像采集系统传感器靶面，转换为图像信号后送入图像处理系统进行图像处理。
图3是表示本发明实施方式使用的立体显微系统的光学结构的光路图。其与图2概略表述的立体显微系统所具有的分系统的对应关系如下所示。
旁轴照明系统发射照明光，经过聚光透镜5会聚和第一分束镜3折转后形成等效理想点光源于物镜2的后焦面处，通过物镜2形成平行光照明被测物体1。经被测物体1反射的光通过由物镜2、第一分束镜3、中继透镜组6、孔径光阑7和镜筒透镜8组成的光学显微系统，再通过由微透镜阵列9构成的光场成像系统后，光束被图像传感器10接收转化为电信号。
作为实施方式的一种形式，旁轴照明系统可以采用基于LED阵列的方案。如图3中所示，旁轴照明系统由照明光源4、聚光透镜5、第一分束镜3和物镜2组成。照明光源4采用如图4中所示的LED阵列及控制平台，LED阵列上单个LED发出经过聚光透镜5发生会聚，并通过第一分束镜3反射后在物镜形成共轭像，共轭像的位置与发光的LED在LED阵列上的相对位置有关。由于物镜2的后焦面与聚光透镜5的前焦面重合，而LED的共轭像可等效为理想点光源，经过物镜2后形成斜入射且角度与位置相关的平行光束对被测物体1进行照明。
作为实施方式的另一种形式，旁轴照明系统可以采用基于空间光调制器的方案。如图4中所示，旁轴照明系统由平行光管11、扩束镜12，空间光调制器13，第二分束镜14、聚光透镜5和第一分束镜3组成。平行光管11发出平行出射的非相干光束，经过扩束镜12调整光束孔径并经过第二分束镜14反射后照射到空间光调制器13上。空间光调制器可以对光辐射的强度进行调制，根据需求选择需要“点亮”的区域，“点亮”区域反射平行光束进入系统，经过会聚透镜5和第一分束镜3形成可等效为理想点光源的像，经过物镜2后形成斜入射且角度与空间光调制器上“点亮”区域位置相关的平行光束对被测物体1进行照明。
商用显微物镜在设计过程中，通常会将其孔径光阑面选在主镜和镜筒透镜之间的中间像面上。本发明的实施例中，由于旁轴照明系统的存在，照明光源会在原显微物镜空间面形成等效理想点光源像照明被测物体，因此若采用常规设置，孔径光阑面会遮挡部分照明光。同时，显微物镜为了获取高放大倍数，焦距一般较短，而实施方式中，后续的光场成像系统中微透镜阵列为低放大倍数透镜，与显微物镜F数不匹配，因此采用常规设计思路，微透镜不能与显微物镜进行良好的配合。
如图3中所示，作为本发明实施方式的一种形式，光学显微系统在常规商用显微物镜组的基础上加入了中继透镜组6，将孔径光阑7选在中继透镜组后，有效地避免了常规设计中孔径光阑对于照明光路的遮挡作用。镜筒透镜8的焦距通常选取在160～250mm之间，取决于后续微透镜阵列9和图像传感器10的尺寸。
作为实施方式的一种形式，光场成像系统由微透镜阵列9组成。在实施方式中，微透镜阵列置于光学显微系统的像面处或附近。每个微透镜在图像平面上生成实像，且每个子图像对应被测物体的不同视角或方向。任何两个子图像之间的差异性记录了被测物体的角度和空间信息。
为了保证图像传感器像元的最大利用率，相邻微透镜的子图像应在边界处相切，即满足关系式
式中，f/d为微透镜的焦距除以其孔径大小，即微透镜的F数，而a/D为光学显微系统的像距除以其孔径光阑口径，即常规光学显微系统的F数。
图像采集及处理系统包括由图像传感器10组成的图像采集部分和计算平台构成的图像处理部分。在实施方式中，如果微透镜阵列中单元的数量为M1×N1，每个微透镜覆盖的图像传感器像元为M2×N2，那么图像传感器的有效靶面像元至少为M1M2×N1N2。
图6是表示基于本发明实施方式适用的三维重构的流程图。包括以下步骤：
1、对照明光进行调制，产生指定角度平行光。照明光的产生可以但不限于利用如图3或图4中所示的结构。
2、采集图像。由于系统在光学显微系统后插入了光场成像系统，图像传感器采集到的是光场图像，即由微透镜阵列各个微透镜单元所成像的集合。
3、将采集的光场图像根据微透镜分割成子图像集。
4、利用重聚焦算法对子图像集进行处理得到深度断层切片数据集。图6示出了一种光场重聚焦算法的实施流程，参照图7，应用重聚焦算法得到断层深度切片数据集包括下列步骤：
[1]根据系统参数进行虚拟针孔面参数设计；
[2]根据被测物体和系统参数估算重构深度的范围；
[3]将子图像集中每个子图像经过针孔面后逆向投影到重构平面；
[4]将投影后的子图像在重构平面上进行叠加；
[5]对叠加后的图像进行归一化；
[6]改变重构平面深度，重复步骤[3]至步骤[5]。
5、改变照明光角度，重复步骤2至步骤4。
6、将步骤5得到的不同角度下的深度断层切片数据集按照重构平面的深度不同进行重新分组。
7、对不同深度的切片数据集进行FPM算法处理。图8示出了一种FPM算法的实施流程，参照图8，应用FPM算法得到断层深度切片数据集包括下列步骤：
[1]选取一帧断层切片图像作为空域初值；
[2]对空域初值插值并进行傅里叶变换得到频域初值；
[3]计算物镜在频域的孔径表达式和不同照明角度下，物镜孔径在频域面的位移坐标(fxi,fyj)，其中i∈(1,M),j∈(1,N)，M，N分别对应光源横纵方向上角度可调节数；
[4]物镜频域面孔径按位移坐标(fxi,fyj)移动；
[5]将物镜孔径作为窗口函数，在频域初值中选取子孔径并对子孔径进行傅里叶变换；
[6]将位移坐标对应的重聚焦图像替换步骤[5]中得到图像的幅值；
[7]替换后的结果进行傅里叶变换后替换频域初值中相关区域的数值；
[8]按照i,j的范围依次选取不同的子孔径，重复步骤[4]至步骤[7]；
[9]重复步骤[4]至步骤[8]一到三次得到稳定结果。
8、对获取的高分深度切片数据集进行三维形貌信息提取。

Claims (8)

1.基于FPM的立体显微系统，其特征在于：包括：旁轴照明系统，具有对被测物体发射平行光束照明，根据需求进行不同的角度调制的功能；光学显微系统，采集经上述旁轴照明系统发射并被被测物体反射出的光辐射，并进行放大成像；光场成像系统，利用上述常规光学显微系统输出的实像二次成像形成具有被测物体不同视角或方向信息的光场子图像集；图像采集及处理系统，利用上述光场成像系统所成的光场子图像集转换为图像信号进行图像处理。
2.基于FPM的立体显微系统的配套三维面形高分重构方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、利用旁轴照明系统对照明光进行调制，使光源发射单方向指定角度的平行光束照明被测物体；
步骤二、利用显微成像系统采集被测物体的光场子图像集
步骤三、利用重聚焦算法对步骤二采集的光场子图像集进行处理，得到不同深度的深度断层切片数据集
步骤四、利用旁轴照明系统对照明光进行调制，改变平行光束角度，重复步骤二和三，得到不同照明光束下，不同深度的深度断层切片数据集其中i＝2,…M，j＝2,…N，M、N为旁轴照明系统两个横向方向的最大可调制数；
步骤五、对步骤四得到的数据集根据不同的深度进行分离，对每一个相同深度的数据集利用FPM算法进行高分重构，对步骤三的切片数据集和步骤四的切片数据集进行整合处理，获得高分辨率三维形貌数据。
3.如权利要求1或2所述的系统及方法，其特征在于：所述旁轴照明系统包括LED阵列和控制平台，以及空间光调制器。
4.如权利要求1或2所述的系统及方法，其特征在于：所述光学显微系统为在常规商用显微物镜组的基础上加入中继透镜组。
5.如权利要求1或2所述的系统及方法，其特征在于：所述光场成像系统为微透镜阵列。
6.如权利要求1所述的基于FPM的立体显微系统，其特征在于：所述旁轴照明系统发射照明光，经过聚光透镜(5)汇聚和第一分束镜(3)折转后形成等效理想点光源于物镜(2)的后焦面处，通过物镜(2)形成平行光照明被测物体(1)；经被测物体(1)反射的光通过由物镜(2)、第一分束镜(3)、中继透镜组(6)、孔径光阑(7)和镜筒透镜(8)组成的光学显微系统，再通过由微透镜阵列(9)构成的光场成像系统后，光束被图像传感器(10)接收转化为电信号。
7.如权利要求1或6所述的基于FPM的立体显微系统，其特征在于：所述旁轴照明系统由照明光源(4)、聚光透镜(5)、第一分束镜(3)和物镜(2)组成；所述照明光源(4)采用LED阵列及控制平台，LED阵列上单个LED发出经过聚光透镜(5)发生会聚，并通过第一分束镜(3)反射后在物镜形成共轭像，共轭像的位置与发光的LED在LED阵列上的相对位置有关；经过物镜(2)后形成斜入射且角度与位置相关的平行光束对被测物体(1)进行照明。
8.如权利要求1或6所述的基于FPM的立体显微系统，其特征在于：所述旁轴照明系统可以采用基于空间光调制器的方案；旁轴照明系统由平行光管(11)、扩束镜(12)，空间光调制器(13)，第二分束镜(14)、聚光透镜(5)和第一分束镜(3)组成；平行光管(11)发出平行出射的非相干光束，经过扩束镜(12)调整光束孔径并经过第二分束镜(14)反射后照射到空间光调制器(13)上；空间光调制器对光辐射的强度进行调制，根据需求选择需要“点亮”的区域，“点亮”区域反射平行光束进入系统，经过会聚透镜(5)和第一分束镜(3)形成可等效为理想点光源的像，经过物镜(2)后形成斜入射且角度与空间光调制器上“点亮”区域位置相关的平行光束对被测物体(1)进行照明。
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