CN107272177A - 显微成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种显微成像系统，包括：包括多种波长光照的LED阵列；放大装置，放大装置设置在所述LED阵列的一侧；衍射光栅设置在放大装置的一侧，衍射光栅满足不同的波长被折射的角度不同，且每次光照相同波长的光均能被折射到同一角度；成像透镜阵列以及采集装置阵列设置在衍射光栅的一侧，其中，一种波长的光配置一组成像透镜和采集装置，且每组成像透镜和采集装置放置在不同的空间位置，以使成像透镜和采集装置采集到相对应的一种波长的光；控制器分别与LED阵列和采集装置阵列相连，以使所述LED阵列变换照明模式的同时所述采集装置阵列进行同步数据采集。本发明这样可以一次采集多张样本图像，极大地增强系统的信息传输能力。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种显微成像系统。
背景技术
在光学成像中，视场和分辨率一直是评价成像系统性能的重要指标。但是在一个传统的光学系统中，空间带宽积(spatial bandwidth product，SBP)是有限的(一般只有几百万像素)，也就是说获得宽视场和高分辨率在成像过程中是不可兼得的。当前，研究者们越来越多地将计算方法运用到光学成像中，实现了一些能够同时获得宽视场和高分辨率的光学成像方法，并越来越多地运用到生物学研究中。FPM(Fourier ptychograhicmicroscopy，频域拼贴显微)系统就是这样一种方法，该方法不需要通过机械扫描就可以获得十亿像素的样本图像，可以极大地拓宽显微物镜的空间带宽积，从而增大显微系统的光学信息通量。
FPM(频域拼贴显微)系统，使用一个可编程LED阵列来代替普通的显微镜光源，从而将多角度相干光照明引入了传统显微系统中，可以实现宽视场高分辨的成像。在数据采集过程中，依次点亮具有不同入射角的LED光源，并同时采集相应光照下的样本图像。每一张采集到的低分辨率图像都包含不同角度光照下的样本信息，也即是样本不同频谱的信息，因此可以使用相位恢复算法将这些图像在空间频域上(傅里叶域)拼贴起来，获得一张高分辨率的样本复振幅图像(即样本的强度图像和相位图像)。
但是，FPM方法的主要局限性在于其数据采集过程非常耗时，通过牺牲时间分辨率来获得高空间分辨率。FPM的原型系统采用“顺序照明”(sequential illumination)策略，需要花费数分钟时间采集超过200张的原始低分辨率图片，以此恢复高分辨率的样本复振幅图像。这个局限使得FPM系统无法观测动态的样本活动，限制了其在生物成像中的应用范围。研究者们提出了很多方法去解决这个时间消耗的问题，主要有两类，一种方式是，基于对现有依次照明策略的优化，通过分析样本的稀疏先验来减少冗余数据的采集；另一种方式是，利用信息复用的FPM方法(multiplexed FPM，MFPM)，这种方法使用“复用的编码照明”(multiplexed coded illumination)策略，能够在单次的图片采集中实现对于样本空间频域信息的多重采样。但是这两种方法各有其局限性，而且对于数据采集速度的提升有限。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明在于提出一种显微成像系统。该显微成像系统采用多种波长的LED进行照明，将样本的空间频域信息复用到多个光谱谱段，并且不同波长的光会各自独立地通过光纤，经过衍射光栅130折射到不同角度，并通过成像透镜阵列以及采集装置阵列能对不同波长的光单独进行采集，这样可以一次采集多张样本图像，极大地增强系统的信息传输能力。此外，本发明提出的方法基于复用的FPM(MFPM)方法是可以兼容的，将现有的MFPM方法与本发明提出的方法结合起来，可以进一步地提升系统的采集能力，能够实现快速地亿级像素显微成像。
为了实现上述目的，本发明公开了一种显微成像系统，包括：包括多种波长光照的LED阵列，其中，所述LED矩阵发射出的多种波长的光在光谱维度上相互独立；放大装置，所述放大装置设置在所述LED阵列的一侧，用于将LED阵列照明下的显微样本所成的像进行放大；衍射光栅，所述衍射光栅设置在所述放大装置的一侧，用于将不同波长的光散开成不用的角度，其中，所述衍射光栅满足不同的波长被折射的角度不同，且每次光照相同波长的光均能被折射到同一角度；成像透镜阵列以及采集装置阵列，所述成像透镜阵列以及采集装置阵列设置在所述衍射光栅的一侧，其中，一种波长的光配置一组成像透镜和采集装置，且每组成像透镜和采集装置放置在不同的空间位置，以使成像透镜和采集装置采集到相对应的一种波长的光；控制器，所述控制器分别与所述LED阵列和采集装置阵列相连，用于同步控制所述LED阵列和采集装置阵列，以使所述LED阵列变换照明模式的同时所述采集装置阵列进行同步数据采集。
根据本发明的显微成像系统，采用多种波长的LED进行照明，将样本的空间频域信息复用到多个光谱谱段，并且不同波长的光会各自独立地通过光纤，经过衍射光栅130折射到不同角度，并通过成像透镜阵列以及采集装置阵列能对不同波长的光单独进行采集，这样可以一次采集多张样本图像，极大地增强系统的信息传输能力。此外，本发明提出的方法基于复用的FPM(MFPM)方法是可以兼容的，将现有的MFPM方法与本发明提出的方法结合起来，可以进一步地提升系统的采集能力，能够实现快速地亿级像素显微成像。
另外，根据本发明上述实施例的显微成像系统还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述LED阵列为每一列等间隔排布不同波长的预设个数的LED灯，按照波长大小顺序、间次排列，且相邻2列的排列完全次序对称，相间的列排列是完全一致的。
进一步地，LED为窄带LED。
进一步地，所述放大装置包括：显微物镜，所述显微物镜放置在显微样本的前端进行成像。
进一步地，所述采集装置为灰度相机。
进一步地，所述采集装置还用于根据不同波长LED光照强度的不同设置不同的曝光时间。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的显微成像系统的结构图；
图2是根据本发明一个实施例的显微成像系统的光路图；以及
图3是根据本发明一个实施例的显微成像系统流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的显微成像系统。
图1是根据本发明一个实施例的显微成像系统的结构图。
如图1所示，根据本发明一个实施例的显微成像系统100，包括：LED阵列110、放大装置120、衍射光栅130、成像透镜阵列140、采集装置阵列150、控制器160。
其中，LED阵列110包括多种波长的光照，LED矩阵110发射出的多种波长的光在光谱维度上相互独立。具体来说，本申请中LED阵列110为事先进行设计多种波长LED的排布和照明模式，并且通过编程来快速控制，进行变换照明模式来提高显微成像系统的光照。
放大装置120设置在LED阵列110的一侧，用于将LED阵列110照明下的显微样本所成的像进行放大。
衍射光栅130设置在放大装置120的一侧，用于将不同波长的光散开成不用的角度，其中，衍射光栅130满足不同的波长被折射的角度不同，且每次光照相同波长的光均能被折射到同一角度。其中，散开的角度需要进行标定，以便后续进行数据采集，其中，不管照明模式如何变化，每次相同包场光照的成像信息将会被折射到同一角度。
成像透镜阵列140以及采集装置阵列150，成像透镜阵列140以及采集装置阵列150设置在衍射光栅130的一侧，即，衍射光栅130的后级放置一个成像透镜阵列140来汇聚不同角度的出射光并实现各自的成像。并在每一个成像透镜后，匹配放置一个采集装置来进行数据的采集。其中，一种波长的光配置一组成像透镜和采集装置，且每组成像透镜和采集装置放置在不同的空间位置，以使成像透镜和采集装置采集到相对应的一种波长的光。
控制器160分别与LED阵列110和采集装置阵列150相连，用于同步控制LED阵列110和采集装置阵列150，以使LED阵列110变换照明模式的同时采集装置阵列150进行同步数据采集。
根据本发明的显微成像系统，采用多种波长的LED进行照明，将样本的空间频域信息复用到多个光谱谱段，并且不同波长的光会各自独立地通过光纤，经过衍射光栅130折射到不同角度，并通过成像透镜阵列以及采集装置阵列能对不同波长的光单独进行采集，这样可以一次采集多张样本图像，极大地增强系统的信息传输能力。此外，本发明提出的方法基于复用的FPM(MFPM)方法是可以兼容的，将现有的MFPM方法与本发明提出的方法结合起来，可以进一步地提升系统的采集能力，能够实现快速地亿级像素显微成像。
在一些实施例中，结合图2所示，LED阵列110可以为每一列等间隔排布不同波长的预设个数的LED灯，按照波长大小顺序、间次排列，也可以说，先放置一个长波长的LED，再放置一个短波长的LED，且相邻2列的排列完全次序对称，相间的列排列是完全一致的。其中，LED阵列110可以为12X12矩阵。以此，来对空间频谱面的更大冗余的采样，确保重建算法的收敛性
进一步地，LED可以为窄带LED。由于本发明提出的方法的性能主要是与系统波长复用的性能相关，所以显微成像系统100能够使用越多的窄带波长光照，光学信息的采集能力就越强，就能更进一步地缩短数据采集的时间，最终希望能够实现快速的亿级像素成像。目前市面上至少有多达13种不同的窄带LED，且它们在光谱上没有相互混叠。将这些LED进行组合，并进一步设计出合适的排布，可以获得一个能够提供多波长光照的LED阵列面板，通过嵌入式系统控制，能够实现编码的多波长光照模式，以此来对样本进行显微照明。
在一些实施例中，结合图2所示，放大装置120包括：显微物镜，显微物镜放置在显微样本的前端进行成像。并且由于不同光照角度与对应的波长是相互耦合的，在显微物镜的傅里叶面上，一次成像对应不同波长照射的多个空间频率区域，并且这些区域的选择与光照模式一一对应。
在一些实施例中，采集装置可以为灰度相机。首先，本系统使用灰度相机而不是RGB相机，能够避免色彩滤波器(color filter)引起的降采样问题，并且能够提升光效率。
在一些实施例中，采集装置还用于根据不同波长LED光照强度的不同设置不同的曝光时间。具体来说，不同波长LED光照的强度不一致，样本对于多波长的响应和采集装置对于不同波长的响应不一致，最终成像的强度会有很大的差别，不过由于本申请使用采集装置阵列150，这个问题可以通过事先调整不同相机的曝光时间来解决；此外，由于不同采集装置可以灵活地设置不同的曝光时间，基于多曝光测量的高动态成像(High dynamicrange，HDR)算法也可以运用到本申请中，进一步提升系统的成像质量。
作为一个示例，图3是根据本发明一个实施例的显微成像系统流程图。
结合图3所示，显微成像系统流程图具体步骤如下，包括：
S1：使用多波长光照的LED阵列110代替显微镜的宽场照明，设计多波长的排布和照明的模式，也即是上述的12*12的LED排布。
S2：点亮某一列LED灯，作为系统校准的光照，放上样本，调节显微物镜(放大装置120，包括相配套的套管透镜)，引出成像面，在显微物镜后放置衍射光栅130，并调节衍射光栅130到合适的位置，让不同波长的光散开恰当的角度。
S3：衍射光栅130将不同波长散开到不同的空间角度，调节各个透镜的位置，使得不同波长的光照在不同的透镜后都能成像，且视场一致。
S4：对应每一个成像透镜，放置好相应的相机(采集装置)，调节其位置，使得所成的像都没有散焦模糊。并打开相机设置调节相机的曝光时间，使所成的像亮度几乎一致。
S5：控制器160同步控制LED阵列110和相机阵列。控制点亮第一列LED灯，作为第一个照明模式，同时相机阵列采集相应的一组图像信息，作为一次采集。依次点亮每一列LED灯，并采集相应数据；直到12列LED都点亮过一次，为数据采集完毕。
S6：通过修改后的迭代重构算法，将采集到的多张低分辨图像在傅里叶域进行频谱拼贴，恢复相应的高分辨图像和相应的相位图像。
当然，与单一波长光照的相位恢复不同，多波长的光照下获取的样本图像，在算法重建时有一些需要修正和校准的地方。首先，在空间频谱上，不同波长对应的频谱范围的大小不一样(简单来说，透镜的频谱截止频域是与光照的波长相关的)；其次，不同角度不同波长光照造成样本成像空间频谱的搬移量不仅与入射光角度有关，同时也与波长有关；再者，不同波长在衍射光栅后方的偏折角度需要在实际实验中标定；此外，不同波长光照也会导致成像聚焦面有所差异，因此最后成像面也是不一致的，需要逐个成像透镜、逐个相机进行调整。
在本发明的显微成像系统中，不同波长光照导致的散焦可以通过对不同透镜和不同相机的单独设置来自校准，因此不需要在重建算法中进行额外的相位因子的补偿。
最后，在算法重建时，将现有的相位重建算法与波长复用简单的结合起来，就可以获得对于本发明数据的重建和恢复，获得亿级像素的生物成像和相位信息。本发明提出的显微成像系统100可以绕过复杂的光学透镜设计来获得快速的亿级像素生物成像，使得很多需要高通量的生物成像应用(比如细胞分裂实时成像，快速全脑成像等)成为可能。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种显微成像系统，其特征在于，包括：
包括多种波长光照的LED阵列，其中，所述LED矩阵发射出的多种波长的光在光谱维度上相互独立；
放大装置，所述放大装置设置在所述LED阵列的一侧，用于将LED阵列照明下的显微样本所成的像进行放大；
衍射光栅，所述衍射光栅设置在所述放大装置的一侧，用于将不同波长的光散开成不用的角度，其中，所述衍射光栅满足不同的波长被折射的角度不同，且每次光照相同波长的光均能被折射到同一角度；
成像透镜阵列以及采集装置阵列，所述成像透镜阵列以及采集装置阵列设置在所述衍射光栅的一侧，其中，一种波长的光配置一组成像透镜和采集装置，且每组成像透镜和采集装置放置在不同的空间位置，以使成像透镜和采集装置采集到相对应的一种波长的光；
控制器，所述控制器分别与所述LED阵列和采集装置阵列相连，用于同步控制所述LED阵列和采集装置阵列，以使所述LED阵列变换照明模式的同时所述采集装置阵列进行同步数据采集。
2.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述LED阵列为每一列等间隔排布不同波长的预设个数的LED灯，按照波长大小顺序、间次排列，且相邻2列的排列完全次序对称，相间的列排列是完全一致的。
3.根据权利要求1或2所述的显微成像系统，其特征在于，LED为窄带LED。
4.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述放大装置包括：显微物镜，所述显微物镜放置在显微样本的前端进行成像。
5.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述采集装置为灰度相机。
6.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述采集装置还用于根据不同波长LED光照强度的不同设置不同的曝光时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171020 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |