CN107024763B - 一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法，其中，所述系统包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两副同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图图像。针对性地利用市场上常见的，廉价的器件为基础，进行简单的处理，可以实现同样的相衬成像效果，解决了器件昂贵问题和空间光调制器对光的偏振性敏感的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法，属于显微成像技术领域。
背景技术
相衬成像技术是一种可以将物体不同位置的微小光程差转化成强度差的显微成像技术。从泽尼克1935年发明相衬显微镜开始（参考论文：F Zernik. Phase contrast, anew method for the microscopic observation of transparent objects. Physica,Vol.9, No.7），相衬显微技术在得到广泛的应用的同时，新的相衬成像技术也在不断的被提出。美国加州大学伯克利分校的伯克利国家实验室的Laura Waller课题组提出了基于阵列光源的结构光照明数字相衬技术，这种方法利用LED阵列或者其他的阵列光源装置，通过有序地控制阵列光源的发光形状得到不同照明方向的显微图像，通过数字相衬算法，合成数字相衬显微图像(参考论文：L Tian, L Waller. Quantitative differential phasecontrast imaging in an LED array microscope. Optics Express, Vol.23, No.9和LTian, J Wang, L Waller. 3D differential phase-contrast microscopy withcomputational illumination using an LED array. OPTICS LETTERS, Vol.39, No.5)。该方法相对以往的相衬成像方法来说，结构简单，便于自动化处理，可以快速的得到定量相衬图像。但是，这种方法由于受光源数字孔径的限制，对相位物体（细胞等）等成像效果不佳以及难以应用于反射数字相衬成像。近期，Laura Waller课题组又提出了一种可以在物体成像的频谱面进行调制的数字相衬成像技术，该方法的特点是可以在成像光的传输过程中对其进行调制，排除光源的发光不均匀等因素所带来对测量精度高的影响，为反射式相衬成像技术提供了更为有利的手段(参考论文：H Lu, J Chung, X Ou, C Yang.Quantitative phase imaging and complex field reconstruction by pupilmodulation differential phase contrast. OPTICS EXPRESS, Vol.24, No.22)。但是，根据文献中的介绍，这种方法采用空间光调制器对成像光路中的频谱面的光进行调制，价格昂贵，空间光调制器的刷新速度限制了图像采集的帧率，不能应用于高速变化过程的相衬成像，此外还存在光的偏振态影响空间光调制器对光的调制效果的问题。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，通过分光器件和两个相机实现双通道同步控制与图像采集，并利用数据处理模块进行定量相位恢复算法运算，得到待测物体的定量相衬图。
本发明的技术方案如下：一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，其中，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两幅同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述分光器件为非偏振分光棱镜，包括两个出射光面，所述两个出射光面分别在两个4f成像系统的傅里叶频谱面，光束的光轴通过所述非偏振分光棱镜的两个出射面的中心。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述两个出射光面上各设有不透光不反射的遮光物，两个出射光面遮光物的形状和位置为对称互补关系。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述两个相机的感光芯片关于非偏振分光棱镜内部的倾斜分界面对称。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述扩束准直单元由两个透镜组成, 经扩束准直的平行光照射待测物体的方式为投射或反射。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述光源为发光光谱带宽为20nm的LED光源。
本发明的另一目的是提供一种上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，具体包括以下步骤：
步骤S100：利用分光器件和两个相机实现双通道同步控制与图像采集，得到同步采集图像和/>；
步骤S200：利用同步采集图像和/>计算得到实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，其中，所述步骤S100具体包括以下步骤：
步骤S110：调整两个相机与分光器件的空间位置及摆放角度，使两个相机的感光芯片关于分光器件内部的倾斜分界面对称，两个相机感光芯片上的图像为镜像关系；
步骤S120：将其中一个相机采集到的图像沿两幅图像的对称轴做翻转，然后通过采集分辨率板或者其他有一定形态特征的物体成像后，采集到两幅相似图像；
步骤S130：使用图像匹配算法算出两幅相似图像之间的像素偏移量，根据像素偏移量来调整相机的感兴趣区域（ROI），得到两个同步采集图像和/>。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，所述步骤S200中，计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的方法分别为：
将步骤S100得到的两幅同步图像相加得到明场显微图，计算公式为：；
将步骤S100得到的两幅同步图像相减，然后与相同的两幅图相加得到的图像相比得到差分相衬图，计算公式为：；
将差分相衬图与双通道结构光数字相衬显微成像系统的参数结合，得到系统的相位传递函数，然后对差分相衬图进行二维傅里叶变换，将相位传递函数与频域差分相衬图相乘得到待测物体的相位分布图。
本发明的有益效果为：本发明的针对性的利用市场上常见的，廉价的器件为基础，进行简单的处理，可以实现同样的相衬成像效果，解决了现有相衬成像系统中器件昂贵问题和空间光调制器对光的偏振性敏感的问题。同时通过两个图像采集模块进行图像的同步采集降低了外界扰动对定量相位恢复的影响，也可实现高速数字相衬成像。本发明具有成本低，受外界干扰少，可实时得到待测物体的明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1中双通道结构光数字相衬显微成像系统的结构示意图。
图2为本发明中两个光学4f成像系统的位置关系示意图。
图3为本发明中非偏振分光棱镜的两个出射光面A和B的示意图。
图4为本发明实施例2中双通道结构光数字相衬显微成像系统的结构示意图。
1-光源，2-扩束准直单元，21-第一透镜，22-第二透镜，3-分光器件，4-相机，41-感光芯片，5-待测物体，6-第三透镜，7-第四透镜，8-普通分光棱镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，包括光源1，扩束准直单元2，分光器件3，透镜组和两个相同的相机4，具体地，所述光源1优选为发光光谱带宽为20nm左右的LED光源，所述扩束准直单元2由第一透镜21和第二透镜22构成，所述透镜组包括设置在待测物体5和分光器件3之间的第三透镜6以及分别设置在分光器件与两个相机4之间的两个第四透镜7。应用时，通过扩束准直单元2中第一透镜21和第二透镜22将发散的LED光（部分相干光）调整为平行光，然后照明（本实施例中为透射）待测物体5，经过第三透镜6、分光器件3，和相机4构成两个光学4f成像系统，得到两副同步图像，可用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图图像。本实施中所用器件均为市场上常见的，廉价的器件，通过简单的处理，即可实现相衬成像效果，巧妙地解决了现有相衬成像系统中器件昂贵问题和空间光调制器对光的偏振性敏感的问题。同时通过两个图像采集模块进行图像的同步采集降低了外界扰动对定量相位恢复的影响，也可实现高速数字相衬成像。具有成本低，受外界干扰少，可实时得到待测物体的明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的特点。
如图1-2所示，作为优选的实施方式，所述分光器件3为非偏振分光棱镜，包括两个出射光面A和B，所述出射光面A和B分别在两个4f成像系统的傅里叶频谱面（两个透镜中间位置或者说两个透镜共焦位置即为该4f成像系统的傅里叶频谱面），光束的光轴（图2中虚线表示光轴）通过所述非偏振分光棱镜的两个出射面A和B的中心。
上述双通道结构光数字相衬显微成像系统中，所述非偏振分光棱镜3的两个出射光面A和B上各设有不透光不反射的遮光物A和遮光物B，且遮光物A和遮光物B的形状和位置为对称互补关系（如图3所示）。通过互补的遮挡频谱面来分别去除两个相机采集物体的经过遮挡方向上的空间频谱，以达到和倾斜照明一样的成像效果。
实际应用中，所述两个相机4的感光芯片41关于非偏振分光棱镜3内部的倾斜分界面对称。这样两个相机4采集到的图像为镜像关系，只需将其中一个相机中图像翻转即可得到两幅相似图像，便于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。
本实施例提供一种上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，具体包括以下步骤：
步骤S100：利用分光器件3和两个相机4实现双通道同步控制与图像采集，得到同步采集图像和/>；
步骤S200：利用同步采集图像和/>计算得到实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。
具体地，上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法中，所述步骤S100具体包括以下步骤：
步骤S110：如图1-2所示，调整两个相机4与分光器件3的空间位置及摆放角度，使两个相机4的感光芯片41关于分光器件3内部的倾斜分界面对称，使得两个相机感光芯片41上的图像为镜像关系；
步骤S120：将其中一个相机4采集到的图像沿两幅图像的对称轴做翻转，然后通过采集分辨率板或者其他有一定形态特征的物体成像后，采集到两幅相似图像；
步骤S130：使用图像匹配算法算出两幅相似图像之间的像素偏移量，根据像素偏移量来调整相机的感兴趣区域（ROI），得到两个同步采集图像和/>。
所述步骤S200中，计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的方法分别为：
将步骤S100得到的两幅同步图像相加得到明场显微图，计算公式为：；
将步骤S100得到的两幅同步图像相减，然后与相同的两幅图相加得到的图像相比得到差分相衬图，计算公式为：；
将差分相衬图与双通道结构光数字相衬显微成像系统的参数（数值孔径，系统放大率）结合，得到系统的相位传递函数，然后对差分相衬图进行二维傅里叶变换，将相位传递函数与频域差分相衬图相乘得到高精度的待测物体的相位分布图。
上述三个数据处理方法简单，高效，普通的个人计算机和工控机就可以快速实现。便于在整个系统兼容性，集成化，小型化等产品化要求。
实施例2
本实施例涉及一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，与实施例1不同之处仅在于：扩束准直单元2射出的平行光经过普通分光棱镜8（也可以用其他器件代替）反射到待测物体5上，其结构示意图如图4所示。
本实施例所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法与实施例1相同。
综上所述，本发明提供一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法，利用扩束准直单元将发散的LED光（部分相干光）调整为平行光，然后照射（方式分为透射和反射）待测物体，依次经过透镜组，特制的分光棱镜，和相机构成两个光学4f成像系统，得到待测物体的实时明场图像、差分相衬图以及定量相位图图像。针对性地利用市场上常见的，廉价的器件为基础，进行简单的处理，可以实现同样的相衬成像效果，解决了器件昂贵问题和空间光调制器对光的偏振性敏感的问题。同时采用两个相机进行图像的同步采集降低了外界扰动对定量相位恢复的影响，也可实现高速数字相衬成像，具有同步、快速、全场成像，成本低，受外界干扰少，可实时得到待测物体的明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的特点。
以上对本发明进行了详细的介绍，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，比如：将分光器件放置于频谱面之前的其他位置，双相机变成多相机等。另外，除了本发明实施例中所述的非偏振分光棱镜外，分光器件还可以采用普通的分光棱镜和其他器件制作的半圆型或其他形状的孔径光阑。而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，其中，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两幅同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图；所述透镜组包括设置在待测物体和分光器件之间的第三透镜以及分别设在分光器件与两个相机之间的两个第四透镜；所述分光器件为非偏振分光棱镜，包括两个出射光面，所述两个出射光面分别在两个4f成像系统的傅里叶频谱面，光束的光轴通过所述非偏振分光棱镜的两个出射面的中心；所述两个出射光面上各设有不透光不反射的遮光物，两个出射光面遮光物的形状和位置为对称互补关系。
2.根据权利要求1所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述两个相机的感光芯片关于非偏振分光棱镜内部的倾斜分界面对称。
3. 根据权利要求2所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述扩束准直单元由两个透镜组成, 经扩束准直的平行光照射待测物体的方式为投射或反射。
4.根据权利要求1所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述光源为发光光谱带宽为20nm的LED光源。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：利用分光器件和两个相机实现双通道同步控制与图像采集，得到同步采集图像 和/>；
步骤S200：利用同步采集图像和/>计算得到实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。
6.根据权利要求5所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S100具体包括以下步骤：
步骤S110：调整两个相机与分光器件的空间位置及摆放角度，使两个相机的感光芯片关于分光器件内部的倾斜分界面对称，两个相机采集到的图像为镜像关系；
步骤S120：将其中一个相机采集到的图像沿两幅图像的对称轴做翻转，然后通过采集分辨率板或者其他具有一定形态特征的物体成像后，采集到两幅相似图像；
步骤S130：使用图像匹配算法算出两幅相似图像之间的像素偏移量，根据像素偏移量来调整相机的感兴趣区域（ROI），得到两个同步采集图像和/>。
7.根据权利要求6所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S200中，计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的方法分别为：
将步骤S100得到的两幅同步图像相加得到明场显微图，计算公式为：；
将步骤S100得到的两幅同步图像相减，然后与相同的两幅图相加得到的图像相比得到差分相衬图，计算公式为：；
将差分相衬图与双通道结构光数字相衬显微成像系统的参数结合，得到系统的相位传递函数，然后对差分相衬图进行二维傅里叶变换，将相位传递函数与频域差分相衬图相乘得到待测物体的相位分布图。
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