CN108037075A - 共焦显微镜模式像差矫正方法 - Google Patents
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Abstract
共焦显微镜模式像差矫正方法，属于自适应光学和共焦显微成像技术领域，本发明为了解决现有光学系统的装配误差和光学元件的面形偏差会造成像差，导致焦斑歪曲和分辨率降低的问题。该方法依次加载不同幅值第4‑11阶Zernike项偏置像差，计算相应图像灰度方差函数值，以此拟合二项式曲线，计算相应像差系数，比较得到像差系数小于0.7rad清零，其余项预先矫正，重新利用线性计算像差系数，最后利用两次系数之和进行像差矫正。本发明共焦显微镜模式像差矫正方法，通过空间光调制器反向补偿由光学系统的装配误差与光学元件的面形偏差引起的波前畸变，有效克服共焦显微系统的像差影响，提升其成像质量与分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种模式像差矫正方法，具体涉及一种利用共焦系统提升共焦成像质量及分辨率的矫正方法，属于自适应光学和共焦显微成像技术领域。
背景技术
共焦显微技术具有高分辨率和可三维深度成像的优点，其高分辨的特性需要焦斑尺寸接近衍射极限附近以获得最佳理论分辨率。然而光学系统的装配误差和光学元件的面形偏差会造成像差，导致焦斑歪曲和分辨率降低。需要动态的纠正这些光学系统所产生的像差，提升成像质量。目前还没有简洁实用的应用于共焦显微系统的像差矫正方法。
发明内容
本发明的目的是提供共焦显微镜模式像差矫正方法，以解决现有光学系统的装配误差和光学元件的面形偏差会造成像差，导致焦斑歪曲和分辨率降低的问题。
所述共焦显微镜模式像差矫正方法所依托的共焦系统，其组成包括激光器、双面45°反光镜、分束镜、半波片、空间光调制器、反射镜、光阑、偏振分束镜、XY扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜、1/4波片、收集透镜、光纤小孔和光电倍增管，激光器发出的激光经双面45°反光镜的一侧反光镜面反射后途经分束镜到达半波片，经半波片调制后射入至空间光调制器，再经空间光调制器调制后射回至分束镜，再经分束镜反射至反射镜，然后经光阑滤除高阶衍射杂光后射到双面45°反光镜的另一侧反光镜面，经双面45°反光镜再次反射后经过偏振分束镜射至XY扫描振镜上，然后经XY扫描振镜反射至扫描透镜，再经过管镜后至1/4波片的偏振面翻转90°被物镜聚焦后打在待测样品上；聚焦后的光斑再从待测样品上反射回物镜，经过1/4波片，偏振面再次翻转90°后依次经过管镜、扫面透镜和XY扫描振镜，射在偏振分束镜上，再经偏振分束镜反射至收集透镜并聚焦到光纤小孔，最后被光电倍增管收集；共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤a，建立Zernike多项式；将像差分解为Zernike多项式4-11阶组合；Zernike多项式4-11阶多项式形式如下：
其中i代表Zernike像差阶数，作为判定循环是否继续的条件，r为极坐标系径向坐标，θ为极坐标系角向坐标；
步骤b，加载第i阶Zernike项偏置像差，每阶系数分别为初始值i＝4，s＝0，其中b为Zenike偏置系数，共焦显微系统最佳偏置系数为b＝0.58rad，s为循环次数判定指数；
步骤c，计算五幅图像的灰度方差函数；
步骤d，s＝0：二项式曲线拟合计算像差系数ai，s＝1:线性计算像差系数ai’；
步骤e，使i＝i+1，若i<12，返回步骤b，若i>12则进行步骤f；
步骤f，若s＝0，则使i＝4，s＝1返回步骤b；若s＝1则进行步骤g；
步骤g，计算最佳相差系数，进行共焦像差矫正。
优选的：所述步骤a中的Zernike多项式组合为：即从4起始，11终结，其中其中Ф为共焦显微波像差，ai为第i阶像差系数，为累加符号。
优选的：所述步骤b中将Zernike多项式i阶系数为像差分别转换为bmp图像加载至附加于共焦显微系统的空间光调制器，s＝0时，空间光调制器初始值为系数0；s＝1时，空间光调制器初始值为清零后的系数a。在空间光调制器5次加载时分别利用共焦系统对样品成像，得到5幅图像作为计算图像灰度方差的数据基础。
优选的：所述步骤c中的图像灰度方差函数为：
其中∑pixels代表对m×n图像像素点值累加求和，<I>为求图像平均值，M为图像灰度方差函数值，m为图像行数，n为图像列数，x为图像中像素点横坐标，y为图像中像素点纵坐标，对步骤b中所得5幅图像分别进行计算，得到5个图像灰度方差值，作为计算像差系数的数据基础。
优选的：所述步骤d中，s＝0时，利用5幅图像的灰度方差函数值拟合二项式曲线，二项式曲线函数形式如下：
M＝M0-ξ(x+ai)2
其中M0、ξ为常量，x为空间光调制器加入的偏置像差，ai为系统像差系数，以此二项式曲线作为计算像差系数的数据基础，其中曲线最大值点对应x点为共焦系统像差系数负值；s＝1时，已知若共焦显微镜不含相差，则加入正负相同幅值偏置，其图像灰度方差函数值之差为零，且其差的值与共焦显微镜中所含像差系数成线性比例，利用像差偏置x＝±b所对应的两幅图像的灰度方差函数值之差计算共焦显微镜像差系数。
优选的：所述步骤f中，为减少各阶Zernike像差间的串扰，在第一次循环结束后，即i＝12时，得到共焦系统的4-11阶像差系数，比较得到的像差系数，其中系数a<0.7rad项像差模式清零，系数a≧0.7rad项像差模式预先矫正，即在空间光调制器中加入清零后的系数a像差的bmp图像为初始值，以此基础加重新进行4-11阶偏置，进入第二次循环：i＝4，s＝1。
优选的：所述步骤g中，将重新计算得到最佳像差系数a”，其中a”＝a’+a，将Φ(r,θ)＝∑-ai”Zernikei(r,θ)转换为bmp图像加载至空间光调制器，达到矫正共焦系统像差的效果。
本发明与现有产品相比具有以下效果：本发明根据像差理论，将像差分Zernike多项式4-11阶组合，依靠空间光调制器依次偏置不同幅值不同Zernike阶像差，依靠图像灰度方差函数计算像差系数，利用空间光调制器将其加载至共焦显微系统中，进行像差矫正，可在不增加样品处理操作和装置最简化的情况下有效克服像差对其成像的影响，达到成像质量提升17％，分辨率和图像幅值提升的效果。
附图说明
图1是本发明所述的共焦显微镜模式像差矫正方法的流程图；
图2是共焦系统的结构示意图。
图中：1-激光器、2-双面45°反光镜、3-分束镜、4-半波片、5-空间光调制器、6-反射镜、7-光阑、8-偏振分束镜、9-XY扫描振镜、10-扫描透镜、11-管镜、12-1/4波片、13-物镜、14-待测样品、15-收集透镜、16-光纤小孔、17-光电倍增管。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图2所示，本发明所述的共焦显微镜模式像差矫正方法所依托的共焦系统，其组成包括激光器1、双面45°反光镜2、分束镜3、半波片4、空间光调制器5、反射镜6、光阑7、偏振分束镜8、XY扫描振镜9、扫描透镜10、管镜11、物镜12、1/4波片13、收集透镜15、光纤小孔16和光电倍增管17，激光器1发出的激光经双面45°反光镜2的一侧反光镜面反射后途经分束镜3到达半波片4，经半波片4调制后射入至空间光调制器5，再经空间光调制器5调制后射回至分束镜3，再经分束镜3反射至反射镜6，然后经光阑7滤除高阶衍射杂光后射到双面45°反光镜2的另一侧反光镜面，经双面45°反光镜2再次反射后经过偏振分束镜8射至XY扫描振镜9上，然后经XY扫描振镜9反射至扫描透镜10，再经过管镜11后经过1/4波片12偏振面翻转90°后被物镜13聚焦至的打在待测样品14上；聚焦后的光斑再从待测样品14上反射回物镜13，经过1/4波片12，偏振面再次翻转90°后依次经过、管镜11、扫面透镜10和XY扫描振镜9，射在偏振分束镜8上，再经偏振分束镜8反射至收集透镜15并聚焦到光纤小孔16，最后被光电倍增管17收集；
所述的激光器1、偏振分束镜8、XY扫描振镜9、扫描透镜10、管镜11、物镜12和1/4波片13组成照明装置，所述的照明装置按照照明光传播方向依次为：激光器1、偏振分束镜8、XY扫描振镜9、扫描透镜10、管镜11、1/4波片12和物镜13。
所述的偏振分束镜8、XY扫描振镜9、扫描透镜10、管镜11、1/4波片12、物镜13、收集透镜15、光纤小孔16和光电倍增管17组成探测装置，所述的探测装置按照照明光传播方向依次为：物镜13、1/4波片12、管镜11、扫描透镜10、XY扫描振镜9、偏振分束镜8、收集透镜15、光纤小孔16和光电倍增管17。
所述的双面45°反光镜2、分束镜3、半波片4、空间光调制器5、反射镜6、光阑7组成共焦系统，所述的共焦系统按照照明光传播方向依次为：双面45o反射镜2、分束镜3、半波片4、空间光调制器5、反射镜6和光阑7。
如图1所示，共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤a，建立Zernike多项式；将像差分解为Zernike多项式4-11阶组合；Zernike多项式4-11阶多项式形式如下：
其中i代表Zernike像差阶数，作为判定循环是否继续的条件，r、θ分别为极坐标系径向、角向坐标；
步骤b，加载第i阶Zernike项偏置像差，每阶系数分别为初始值i＝4，s＝0，其中b为Zenike偏置系数，共焦显微系统最佳偏置系数为b＝0.58rad，s为循环次数判定指数；
步骤c，计算五幅图像的灰度方差函数；
步骤d，s＝0：二项式曲线拟合计算像差系数ai，s＝1:线性计算像差系数ai’；
步骤e，使i＝i+1，若i<12，返回步骤b，若i>12则进行步骤f；
步骤f，若s＝0，则使i＝4，s＝1返回步骤b；若s＝1则进行步骤g；
步骤g，计算最佳相差系数，进行共焦像差矫正。
进一步：所述步骤a中的Zernike多项式组合为：即从4起始，11终结，其中其中Ф为共焦显微波像差，ai为第i阶像差系数，为累加符号。
进一步：所述步骤b中将Zernike多项式i阶系数为像差分别转换为bmp图像加载至附加于共焦显微系统的空间光调制器，s＝0时，空间光调制器初始值为系数0；s＝1时，空间光调制器初始值为清零后的系数a。在空间光调制器5次加载时分别利用共焦系统对样品成像，得到5幅图像作为计算图像灰度方差的数据基础。
进一步：所述步骤c中的图像灰度方差函数为：
其中∑pixels代表对m×n图像像素点值累加求和，<I>为求图像平均值，M为图像灰度方差函数值，m为图像行数，n为图像列数，x为图像中像素点横坐标，y为图像中像素点纵坐标，对步骤b中所得5幅图像分别进行计算，得到5个图像灰度方差值，作为拟合图像像差二项式曲线的数据基础。
进一步：所述步骤d中，s＝0时，利用5幅图像的灰度方差函数值拟合二项式曲线，二项式曲线函数形式如下：
M＝M0-ξ(x+ai)2
其中M0、ξ为常量，x为空间光调制器加入的偏置像差，ai为系统像差系数，以此二项式曲线作为计算像差系数的数据基础，其中曲线最大值点对应x点为共焦系统像差系数ai负值；s＝1时，已知若共焦显微镜不含像差，则加入正负相同幅值偏置，其图像灰度方差函数值之差为零，且其差的值与共焦显微镜中所含像差系数成线性比例，利用像差偏置x＝±b所对应的两幅图像的灰度方差函数值之差计算共焦显微镜像差系数ai’。
进一步：所述步骤f中，为减少各阶Zernike像差间的串扰，在第一次循环结束后，即i＝12时，得到共焦系统的4-11阶像差系数，比较得到的像差系数，其中系数ai<0.7rad项像差模式清零，系数ai≧0.7rad项像差模式预先矫正，即在空间光调制器中加入清零后的系数a像差的bmp图像为初始值，以此基础加重新进行4-11阶偏置，进入第二次循环：i＝4，s＝1。
进一步：所述步骤g中，将重新计算得到最佳像差系数a”，其中a”＝a’+a，将Φ(r,θ)＝∑-ai”Zernikei(r,θ)转换为bmp图像加载至空间光调制器，达到矫正共焦系统像差的效果。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (7)
1.共焦显微镜模式像差矫正方法，其所依托的共焦系统，其组成包括激光器(1)、双面45°反光镜(2)、分束镜(3)、半波片(4)、空间光调制器(5)、反射镜(6)、光阑(7)、偏振分束镜(8)、XY扫描振镜(9)、扫描透镜(10)、管镜(11)、物镜(12)、1/4波片(13)、收集透镜(15)、光纤小孔(16)和光电倍增管(17)，激光器(1)发出的激光经双面45°反光镜(2)的一侧反光镜面反射后途经分束镜(3)到达半波片(4)，经半波片(4)调制后射入至空间光调制器(5)，再经空间光调制器(5)调制后射回至分束镜(3)，再经分束镜(3)反射至反射镜(6)，然后经光阑(7)滤除高阶衍射杂光后射到双面45°反光镜(2)的另一侧反光镜面，经双面45°反光镜(2)再次反射后经过偏振分束镜(8)射至XY扫描振镜(9)上，然后经XY扫描振镜(9)反射至扫描透镜(10)，经过管镜(11)后经过1/4波片(12)偏振面翻转90°后被物镜(13)聚焦至的打在待测样品(14)上；聚焦后的光斑再从待测样品(14)上反射回物镜(13)，经过1/4波片(12)，偏振面再次翻转90°后依次经过、管镜(11)、扫面透镜(10)和XY扫描振镜(9)，射在偏振分束镜(8)上，再经偏振分束镜(8)反射至收集透镜(15)并聚焦到光纤小孔(16)，最后被光电倍增管(17)收集；共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤a，建立Zernike多项式；将像差分解为Zernike多项式4-11阶组合；Zernike多项式4-11阶多项式形式如下：
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其中i代表Zernike像差阶数，作为判定循环是否继续的条件，r为极坐标系径向坐标，θ为极坐标系角向坐标；
步骤b，加载第i阶Zernike项偏置像差，每阶系数分别为初始值i＝4，s＝0，其中b为Zenike偏置系数，共焦显微系统最佳偏置系数为b＝0.58rad，s为循环次数判定指数；
步骤c，计算五幅图像的灰度方差函数；
步骤d，s＝0：二项式曲线拟合计算像差系数ai，s＝1:线性计算像差系数ai’；
步骤e，使i＝i+1，若i<12，返回步骤b，若i>12则进行步骤f；
步骤f，若s＝0，则使i＝4，s＝1返回步骤b；若s＝1则进行步骤g；
步骤g，计算最佳相差系数，进行共焦像差矫正。
2.根据权利要求1所述的共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征在于：所述步骤a中的Zernike多项式组合为：i＝4-11，即从4起始，11终结，其中Ф为共焦显微波像差，ai为第i阶像差系数，为累加符号。
3.根据权利要求2所述的共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征在于：所述步骤b中将Zernike多项式i阶系数为像差分别转换为bmp图像加载至附加于共焦显微系统的空间光调制器s＝0时，空间光调制器初始值为系数0；s＝1时，空间光调制器初始值为清零后的系数a。在空间光调制器5次加载时分别利用共焦系统对样品成像，得到5幅图像作为计算图像灰度方差的数据基础。
4.根据权利要求3所述的共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征在于：所述步骤c中的图像灰度方差函数为：
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其中∑pixels代表对m×n图像像素点值累加求和，<I>为求图像平均值，M为图像灰度方差函数值，m为图像行数，n为图像列数，x为图像中像素点横坐标，y为图像中像素点纵坐标，对步骤b中所得5幅图像分别进行计算，得到5个图像灰度方差值，作为计算像差系数数据基础。
5.根据权利要求4所述的共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征在于：所述步骤d中，s＝0时，利用5幅图像的灰度方差函数值拟合二项式曲线，二项式曲线函数形式如下：
M＝M0-ξ(x+ai)2
其中M0、ξ为常量，x为空间光调制器加入的偏置像差，ai为系统像差系数，以此二项式曲线作为计算像差系数的数据基础，其中曲线最大值点对应x点为共焦系统像差系数ai负值；s＝1时，已知若共焦显微镜不含像差，则加入正负相同幅值偏置，其图像灰度方差函数值之差为零，且其差的值与共焦显微镜中所含像差系数成线性比例，利用像差偏置x＝±b所对应的两幅图像的灰度方差函数值之差计算共焦显微镜像差系数ai’。
6.根据权利要求5所述的共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征在于：所述步骤f中，为减少各阶Zernike像差间的串扰，在第一次循环结束后，即i＝12时，得到共焦系统的4-11阶像差系数，比较得到的像差系数，其中系数a<0.7rad项像差模式清零，系数a≧0.7rad项像差模式预先矫正，即在空间光调制器中加入清零后的系数a像差的bmp图像为初始值，以此基础加重新进行4-11阶偏置，进入第二次循环：i＝4，s＝1。
7.根据权利要求6所述的共焦显微镜模式像差矫正方法，其特征在于：所述步骤g中，将重新计算得到最佳像差系数a”，其中a”＝a’+a，将Φ(r,θ)＝∑-ai”Zernikei(r,θ)转换为bmp图像加载至空间光调制器，达到矫正共焦系统像差的效果。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111008945A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-14 | 哈工大机器人(中山)无人装备与人工智能研究院 | 基于机器学习的多像质参数自适应像差矫正方法及装置 |
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2017
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