CN108205191A - 基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统 - Google Patents

基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统，包括多角度照明光源和图像传感器，待成像物体置于多角度照明光源与图像传感器之间，本傅立叶层叠成像系统还包括位于待成像物体与图像传感器之间的傅立叶面的编码调制装置。在待成像物体后方加入一个强度调制或者相位调制的挡板，使得基于多角度照明的成像系统不需要任何镜头，大幅度减轻设备的重量、缩小体积、降低成本，可以制作为便携式系统在包括野外工作环境等不同的场合采集高分辨率的显微图像。本发明也支持包含物镜、管镜等光学镜头的高端系统组成方案，并且提供了一种光束亮度更高、图像曝光时间更短、照明角度能够任意调整、成本更低的多角度照明光源设计方案。

Description

基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像 系统
技术领域
本发明涉及基于傅立叶叠层成像的显微成像系统，具体涉及一种基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统。
背景技术
以往传统的显微成像系统中，必须以牺牲分辨率来增大视场范围。因为光学系统的像差，很难同时做到高分辨率和大视场。简言之，在低倍显微物镜下可以看到被检物体的全貌，但是分辨率很低。换成高倍物镜时，分辨率提高但是就只能看到被检物体的很小一部份。为解决视场和分辨率之间这一矛盾，常规显微镜系统主要采用高倍物镜和精密扫描电动平台实现大范围空域扫描。这一系统每次采集一副高分辨，小视场的图像，然后扫描平台把物体移动到另一地方接着采图。最后通过软件将比较小的连续视野区域的图像进行图像拼接融合。该方法需要精密的机械扫描部件，所以必须依赖高度复杂的全电动平台显微镜，这也是全片显微系统价格日趋昂贵的主要因素之一。另一方面，定量相位成像由于能够提供由样品物理特性，已成为目前一种广为应用的无标记显微成像方法。定量相位成像一般基于数字全息的干涉成像。因为干涉装置复杂，测量要求高，振动引入的噪声以及散斑噪声极大影响了成像质量。该方法虽然能够实现无标记定量相位测量，但因为受到显微物镜的限制，不能同时获得大视场高分辨率的显微成像结果。综上所述，同时实现大视场、高分辨率、定量相位测量是光学显微技术的一项发展目标，而采用常规的光学显微系统难以应对这一要求。
通信和信号处理理论，尤其是以合成孔径雷达为代表的微波成像技术的迅速发展，有力地促成了现代光学的一个重要分支傅立叶光学的诞生。傅立叶光学是将电信理论及雷达系统中广泛使用的傅立叶分析方法移植到光学领域而形成的新学科。在一个传统的傅立叶叠层成像的系统中，样品被不同角度的平面波照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像。由于二维的薄物体被来自不同角度的平面波照射，所以在物镜后焦面上的物体的频谱被平移到对应的不同位置。因此，一些本来超出物镜数值孔径的频率成分被平移到物镜数值孔径以内从而能够传递到成像面进行成像。反过来看，不同角度的入射光可等效为在频谱上不同位置的交叠的光瞳函数(子孔径)，每次通过不同位置子孔径的频谱在频域上形成叠层。
重构过程如图1所示。其中，图1(a)是系统组成的示意图。重构过程的基本原理：首先根据采到的低分辨图像产生一个初始解。该初始解可以把所有低分辨的图加起来而相位取任意常数。接着利用相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域和空间域迭代。在频域里更新对应的子孔径里的频谱信息，在空间域里把图像的强度信息替换为采到图的强度而相位保留不变。在这一过程中，子孔径与子孔径交叠着扩展了频域带宽并恢复出超过物镜空间分辨率限制的高频信息从而得到大的合成孔径。最终这一过程可以同时重构出物体的大视场高分辨率光强和相位图像(相位恢复)。这样就实现了使用一个低数值孔径、低放大率的物镜同时获得大视场和高分辨率的成像结果，最终重构的分辨率取决于频域中合成数值孔径的大小。图中的LED阵列中每次有一支LED被点亮从而以一定的入射角对样品进行照明。对于每一个照明角度，系统会采集一副样品的低分辨率图像，然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一副高分辨率图像。
如图1(b)所示，重构过程的具体操作步骤如下：第一步，产生初始解；第二步，初始解傅立叶变换后通过低通滤波产生低分辨率图像；第三步，用实验采集到的强度图片替换地分辨图像的强度的信息，相位保持布不变然后更新傅立叶域的相关对应区域；第四步，对不同的照射角度重复二和三；第五步，重复二到四直到收敛。
图2展示的是傅立叶叠层成像对染色细胞切片样品的重构结果。图2(a)是全视场低分辨率原始图像，图2(b)、(c1)、(d)、(e)分别是傅立叶叠层成像对不同区域的重构结果图，图2(c2)是使用20倍物镜拍摄到的原始图像，图2(c3)是低分辨率图像直接插值放大的效果图。从图2中可以看出，使用0.08数值孔径2倍放大率的显微物镜，通过傅立叶叠层成像实现了等效合成孔径为0.5的分辨率，重构分辨率甚至超过了20倍放大率0.4数值孔径的显微物镜的分辨率，而其视场更是远大于20倍物镜拍摄到的视场。
现有傅立叶叠层成像的系统存在以下缺陷：1、重构算法的解的收敛速度较为缓慢，图像重构处理器运算负荷大、功耗较高，由功耗产生的散热和电池容量问题制约了系统的小型化和便携式设计。小型化和便携式设备由于内部空间有限，散热问题更加难以解决。增大电池容量则意味着增大电池的体积和重量，小型化尤其是便携式设备的用户对于体积和重量非常敏感。2、图像重构过程需要的照明角度较多，对成像系统的多角度照明光源提出较高要求，高端产品多采用体积(阵列面积)较大、高亮度LED数量较多(成本较高)的LED阵列。
发明内容
本发明提供一种在光电转换前对光束编码调制的成像系统，可以显著简化系统结构，提高重构算法的解的收敛速度，支持小型化和便携式成像设备设计方案。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种傅立叶层叠成像系统，所述傅立叶层叠成像系统为基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统，包括多角度照明光源和图像传感器，待成像物体被置于多角度照明光源与图像传感器之间，所述傅立叶层叠成像系统还包括位于待成像物体与图像传感器之间的傅立叶面的编码调制装置。
优选的，所述傅立叶面的编码调制装置是傅立叶挡板。
优选的，所述傅立叶挡板是强度挡板或者相位挡板。
优选的，所述傅立叶挡板是在镀金属的玻璃板上刻蚀而成。
优选的，所述傅立叶挡板是用喷墨打印机在透明塑料板上打印一定的黑白图案，其中黑色为挡板，白色为透明。
优选的，所述傅立叶挡板是液晶显示屏。
优选的，所述液晶显示屏上显示一定的图案来实现强度或者相位调制。
优选的，所述的傅立叶层叠成像系统，包括：物镜，置于所述待成像物体与傅立叶面的编码调制装置之间，且所述傅立叶面的编码调制装置位于所述物镜的后焦面即傅立叶面；管镜，置于所述傅立叶面的编码调制装置与图像传感器之间。
优选的，所述图像传感器是CCD或CMOS图像传感器。
优选的，所述多角度照明光源是LED阵列，每次点亮阵列中的一支LED从一个角度对所述待成像物体进行照射。
优选的，所述多角度照明光源包括LED或激光器，扫描振镜或微电机振镜，扫描透镜和聚光镜；其中，LED或激光器产生的光束被扫描振镜或微机电振镜发射到扫描透镜，光束经过扫描透镜汇聚到聚光镜的后焦面，再经聚光镜变为平行光照射待成像物体，通过调整振镜角度改变平行光对物体的入射角度。
优选的，所述LED为单支高亮度LED。
本发明的有益效果在于：在待成像物体后方加入一个强度调制或者相位调制的挡板，使得基于多角度照明的成像系统不需要任何镜头，大幅度减轻设备的重量、缩小体积、降低成本，可以制作为便携式系统在包括野外工作环境等不同的场合采集高分辨率的显微图像。去掉易碎的光学镜头也有助于提高便携式系统的抗震性和耐用性，满足客户在野外严苛环境中的使用要求。在加入傅立叶域的调制挡板后，图像重构过程需要的照明角度更少，降低对多角度照明光源的要求，有利于缩小现有LED阵列式多角度照明光源的体积、降低成本。同时，重构算法的解更容易收敛，收敛速度加快，降低图像重构处理器运算量和功耗。本发明也支持包含物镜、管镜等光学镜头的高端系统组成方案，并且提供了一种光束亮度更高、图像曝光时间更短、照明角度能够任意调整、成本更低的多角度照明光源设计方案。
附图说明
图1介绍现有的傅立叶层叠成像系统，(a)是一种傅立叶层叠成像系统架构图，图中的LED阵列中每次有一个LED被点亮从而以一定的入射角对样品进行照明，(b)是图像重构过程；
图2展示图1系统傅立叶叠层成像对染色细胞切片样品的重构结果，(a)为全视场低分辨率原始图像，(b)、(c1)、(d)、(e)分别是傅立叶叠层成像对不同区域的重构结果图，(c2)为使用20倍物镜拍摄到的原始图像，(c3)为低分辨率图像直接插值放大的效果图；
图3是本发明的基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统(第一实施例)组成框图；
图4是本发明的基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统(第二实施例)组成框图；
图5是本发明的基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统(第三实施例)组成框图。
附图标记说明：1LED或者激光器，2扫描振镜或微电机振镜，3扫描透镜，4聚光镜，5待成像物体，6物镜，7管镜，8图像传感器，9傅立叶面的编码调制装置，10LED阵列。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。尽管本发明的较佳实施方案已公开如下，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
实施例一
图3是本实施例的一种傅立叶层叠成像系统架构，实现方案的关键是在现有成像系统中物镜6的后焦面即傅立叶面加入一个强度调制或者相位调制的挡板，并且使用一种基于振镜2的多角度照明光源取代了传统的LED阵列10。
如图3所示，LED或激光器1产生的光束被扫描振镜或微电机振镜2发射到扫描透镜3。该光束经过扫描透镜3汇聚到聚光镜4的后焦面。经过聚光镜4将变为平行光照在物体5上。通过改变振镜2角度，平行光的入射角度将被调制，从而产生不同入射角度的照明光。在成像过程中，计算机对振镜2发送指令让其调整到一定的角度，光束将以一定的角度照射到样品上，图像传感器将采集一幅照片。计算机接着将改变振镜2角度重复这一过程直至所采集的图像能覆盖傅立叶频域。基于振镜2的多角度照明光源在计算机控制下，其照明角度能够任意调整从而能对低频图像实现更多的频域重叠。对比用LED阵列10，本发明的照明光路可以只使用一支高亮度LED或者激光器1，且振镜价格便宜，本发明的光学系统价格更低，适用面更广。本实施例的光亮度是由一支高亮度LED决定，而且照明角度可以通过控制振镜2角度任意调整，其效率远高于现有的LED阵列10系统。
对于每一个入射光的角度，系统都采集一幅低分辨率的图像；然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一幅高分辨率图像。光束照射待成像物体5后穿过物镜6，在物镜6的后焦面由傅立叶面的编码调制装置9实施强度调制或者相位调制，然后途经管镜7，在CCD或CMOS图像传感器8处完成光电转换，产生的数字图像信号由CCD或CMOS图像传感器8采集并缓存即可输出至信号处理器进行图像的傅立叶域合成，得到高分辨率图像。
实施例二
图4是本发明的另一种傅立叶层叠成像系统架构。与实施例一的相同之处是，在现有成像系统中物镜6的后焦面即傅立叶面加入一个强度调制或者相位调制的挡板；不同之处是本实施例的成像系统采用传统的LED阵列10作为多角度照明光源。如前所述，在加入傅立叶面的调制挡板后，图像重构过程需要的照明角度更少，因而本实施例的成像系统对多角度照明光源的性能指标要求低于现有的傅立叶层叠成像系统，本实施例可以使用成本更低、体积更小的LED阵列10。
如图4所示，LED阵列10中每次有一支LED被点亮从而以一定的入射角对待成像物体进行照明。对于每一个照明角度，系统会采集一副待成像物体的低分辨率图像，然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一副高分辨率图像。光束照射待成像物体5后穿过物镜6，在物镜6的后焦面由傅立叶面的编码调制装置9实施强度调制或者相位调制，然后途经管镜7，在CCD或CMOS图像传感器8处完成光电转换，产生的数字图像信号由CCD或CMOS图像传感器8采集并缓存即可输出至信号处理器进行图像的傅立叶域合成，得到高分辨率图像。
实施例三
图5是本发明傅立叶层叠成像系统的简化版，其紧凑的结构适合于对便携式成像设备有使用需求的客户。LED阵列10中每次有一支LED被点亮从而以一定的入射角对待成像物体5进行照明。对于每一个照明角度，系统会采集一副待成像物体的低分辨率图像，然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一副高分辨率图像。光束照射待成像物体5后经傅立叶面的编码调制装置9实施强度调制或者相位调制，在CCD或CMOS图像传感器8处完成光电转换，产生的数字图像信号由CCD或CMOS图像传感器8采集并缓存即可输出至信号处理器进行图像的傅立叶域合成，得到高分辨率图像。傅立叶面的编码调制装置9的加入导致图像重构过程需要的照明角度更少，本实施例可以使用成本更低、阵列面积更小的LED阵列10；重构算法的解更容易收敛，收敛速度加快，降低图像重构处理器运算量和功耗。再考虑到这是一个无镜头成像系统，从重量、体积、成本、功耗、抗震性与耐用性多个角度评估，本实施例确实提供了一款便携式的傅立叶层叠成像系统配置方案。

Claims (12)

1.一种傅立叶层叠成像系统，所述傅立叶层叠成像系统为基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述傅立叶层叠成像系统包括多角度照明光源和图像传感器(8)，待成像物体(5)被置于多角度照明光源与图像传感器(8)之间，其特征在于，所述傅立叶层叠成像系统还包括位于待成像物体(5)与图像传感器(8)之间的傅立叶面的编码调制装置(9)。
2.根据权利要求1所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述傅立叶面的编码调制装置(9)是傅立叶挡板。
3.根据权利要求2所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述傅立叶挡板是强度挡板或者相位挡板。
4.根据权利要求2所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述傅立叶挡板是在镀金属的玻璃板上刻蚀而成。
5.根据权利要求2所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述傅立叶挡板是用喷墨打印机在透明塑料板上打印一定的黑白图案，其中黑色为挡板，白色为透明。
6.根据权利要求2所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述傅立叶挡板是液晶显示屏。
7.根据权利要求6所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述液晶显示屏上显示一定的图案来实现强度或者相位调制。
8.根据权利要求1所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于还包括：物镜(6)，置于所述待成像物体(5)与所述傅立叶面的编码调制装置(9)之间，且所述傅立叶面的编码调制装置(9)位于所述物镜(6)的后焦面即傅立叶面；
管镜(7)，置于所述傅立叶面的编码调制装置(9)与所述图像传感器(8)之间。
9.根据权利要求1所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述图像传感器(8)是CCD或CMOS图像传感器。
10.根据权利要求1至9任一项所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于，所述多角度照明光源是LED阵列(10)，每次点亮阵列中的一支LED从一个角度对所述待成像物体(5)进行照射。
11.根据权利要求8所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于：所述多角度照明光源包括LED或激光器(1)，扫描振镜或微电机振镜(2)，扫描透镜(3)和聚光镜(4)；其中，LED或激光器(1)产生的光束被扫描振镜或微电机振镜(2)发射到扫描透镜(3)，光束经过扫描透镜(3)汇聚到聚光镜(4)的后焦面，再经聚光镜(4)变为平行光照射待成像物体(5)，通过调整振镜(2)角度改变平行光对物体的入射角度。
12.根据权利要求11所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于：所述LED为单支高亮度LED。
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