CN108594418A - 一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统及其方法 - Google Patents

一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统及其方法，该系统包括准直的LED光源、反射镜、数字微镜、管镜(Tube lens)、显微物镜、样本和阵列单像素探测器。LED光源发出的准直光束经反射镜后倾斜照射到数字微镜上，数字微镜加载由计算机产生的傅里叶基底图案，再通过管镜和显微物镜照射到样本上，最后利用阵列单像素探测器采集经样本衍射后的光场强度。由于每个探测器相对样本的空间位置不同，根据每个探测器采集的信号可以重建样本在不同视角下的视差图像，利用所述视差图像对样本实现数字重聚焦，获得样本在不同深度的强度图像和差分对比度图像。本发明的光场显微成像系统结构紧凑，能够实现压缩采样，并且无需增加测量次数。

Description

一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统及其方法
技术领域
本发明涉及光学显微成像领域，尤其涉及一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统及其方法。
背景技术
光学显微成像术是研究微观物体活动的一种主要方式。由于生物样本的微观活动非常复杂，且大部分为厚样本，通常需要显微镜具有三维层析能力。而传统的光学显微镜镜只能获取被测样本的二维图像。为了获取样本的深度信息，需要沿z(深度)方向移动被测样品或者实验装置，在不同位置分别获取被测样本的图像。但是这种扫描装置往往需要人为操作，耗时复杂。
光场显微镜能够同时记录被测样本的角度和空间信息，根据这些信息，无需沿着z方向扫描样本，或者旋转被测样本和测量光束，即可以实现数字重聚焦，获得样本在不同深度的图像。然而，为了记录样本的角度信息，光场显微镜需要牺牲图像的空间分辨率。为了克服这一问题，文献“C.Zuo,J.Sun,S.Feng,M.Zhang,and Q.Chen,“Programmableaperture microscopy:A computational method for multi-modal phase contrast andlight field imaging,”Opt.Lasers Eng.,80,24–31(2016)”提出了一种基于LCD液晶面板的可编程孔径光场显微成像系统，该方案将LCD液晶面板插入4f系统中的，通过控制LCD面板上像素的点亮与关闭实现显微系统的多模态成像。然而，这种方法需要顺序点亮LCD面板上的像素，依次通过面阵相机(如Charge Coupled Device,CCD或者Complementary MetalOxide Semiconductor,CMOS)采集图像，牺牲了时间分辨率；此外，这种成像系统采集的数据量大，无法实现压缩采样。
单像素成像是近年来新兴的一种成像方式。该技术通过在空间光调制器(如DMD)上加载一组调制图案(如哈达码、傅里叶基底图案)，用于将物体的信息编码到变换域(如频域)，接着利用单像素探测器(如单个光电二极管)采集调制后的信号，最后通过相关算法(如傅里叶单像素算法)计算重建物体的图像。与传统的以CCD或者CMOS相机为核心的成像器件相比，单像素探测器具有较宽的光谱响应范围和较强的光敏感度。此外，由于自然图像的能量都集中在频域的低频区域，只需要采集低频信号，即可重建出高质量的样本图样。因此，能够实现压缩采样。文献“Neal Radwell,Kevin J.Mitchell,Graham M.Gibson,Matthew P.Edgar,Richard Bowman,and Miles J.Padgett,"Single-pixel infrared andvisible microscope,"Optica1,285-289(2014)”公布了一种基于单像素探测器的显微成像系统，能够同时实现近红外和可见光照明下的压缩显微成像。然而该显微系统无法实现三维层析成像，获得样本在不同深度的强度图像和差分相衬图像。CN107238590A专利文献公开了一种“基于光片显微与单像素成像的显微层析成像装置”，该技术方案采用柱状透镜或者贝塞尔函数产生片状光照明调制样本，然后通过单像素探测器重建样本的层析图片。但是该成像系统每次只能重建样品的单层图像，且无法实现光场显微成像。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，通过数字微镜加载由计算机产生的一系列傅里叶基底图案，并投射到样本上，采用阵列单像素探测器依次采集经样本衍射后的图像，再利用单像素算法处理每个单像素探测器采集的信号，可以重建样本在不同视角下的视差图像，实现数字重聚焦，获得样本在不同深度处的强度图像和差分相衬图。
本发明的另一目的在于提出一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，包括准直的LED光源、反射镜、数字微镜、管镜、显微物镜、样本以及阵列单像素探测器；所述阵列单像素探测器、样本、显微物镜、管镜、以及数字微镜这五者的中心依次在同一条光轴上；以阵列单像素探测器所在为首端，所述显微物镜安装在管镜前端；
所述LED光源发出的准直光束经反射镜反射后倾斜照射到数字微镜上，同时计算机生成一组不同频率、不同初相的傅里叶基底图案，通过控制数字微镜转动，将傅里叶基底图案反射至投影光路，再通过管镜和显微物镜组成的投影光路依次将所述的傅里叶基底图案投射到样本上，最后利用阵列单像素探测器从各个方向采集经样本衍射后的光场强度，并将光信号转换成电信号，所述电信号经数据采集卡存储在计算机硬盘上，再通过计算机数据处理得到目标图像。
作为优选的技术方案，所述LED光源设置在反射镜的正上方，并位于数字微镜和管镜之间的上方位置。
作为优选的技术方案，所述反射镜与水平方向的倾斜角度为33度。
作为优选的技术方案，所述控制数字微镜转动的角度为正负12度，正12度表示打开，负12度表示关闭。
作为优选的技术方案，阵列单像素探测器采用光电二极管。
一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，采用强度重聚焦成像方法，具体包括下述步骤：
S11、利用公式生成一组不同频率、不同初相的傅里叶基底图案，其中，a和b分别表示傅里叶基底图案的背景值和对比度，(x,y)表示傅里叶基底图案的像素坐标，(fx,fy)表示频域坐标，表示相位，s表示相移步数，取s＝4,n＝0,1,2,3；通过成像系统将所述的傅里叶基底图案投射到样本上；
S12、利用单像素成像算法分别处理每个单像素探测器采集的信号，重建出样本的在不同视角下的视差图像In，n表示单像素探测器的编号，所述视差图像是指不同深度的信息发生横向移动；
S13、假设单像素探测器的二维坐标为(xn,yn)、单像素探测器相对于样本在光轴方向的距离为d，采用如下公式计算每个单像素探测器相对样本中的视角(θxn,θyn)：
S14、确定需要重聚焦的深度z，计算每幅视差图像平移的像素数：
Δxn＝z*tanθxn，
Δyn＝z*tanθyn，
其中Δxn表示视差图像In沿着水平方向平移的像素数，Δyn表示视差图像沿着竖直方向平移的像素数；
S15、将每幅视差图像分别在水平和竖直方向按照如下公式依次平移，得到平移后的视差图像I′n：
其中j表示虚部单位，(u,v)表示频域坐标，表示傅里叶变换算子，表示逆傅里叶变换算子；
S16、将平移后的视差图像累加，即可获得在深度z处的重聚焦图像Iz：
Iz＝∑I′n。
作为优选的技术方案，步骤S12中，所述单像素成像算法是采用基于傅里叶基底图案或者哈达码图案的成像算法。
作为优选的技术方案，步骤S14中，所述需要重聚焦的深度z的取值范围是根据单个像素探测器的相对孔径决定，所述相对孔径即单像素探测器的光敏面大小/单像素探测器到样本的距离。
作为优选的技术方案，还包括差分相衬聚焦成像方法：重复步骤S11～S15，然后分别将位于左半部位L、右半部位R、上半部位T、以及下半部位B的单像素探测器平移后的视差图像累加；再采用如下公式，即可获得在深度z处的左右差分相衬图像和上下差分相衬图像
其中，DPC表示Differential phase contrast，差分相衬图像。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
(1)本发明的显微成像系统及其方法在不牺牲空间分辨率的情况记录被测物体的角度信息，同时能够实现压缩采样；(2)本发明的显微成像系统结构紧凑；(3)本发明的显微成像系统及其方法记录角度信息不会导致图像空间分辨率降低；(4)本发明的显微成像系统及其方法无需增加测量所需次数，即可获得样本在不同深度的重聚焦图像。
附图说明
图1为本实施中基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的示意图；附图标记：1、准直的LED光源；2、反射镜；3、数字微镜；4、管镜；5、显微物镜；6、样本；7、阵列单像素探测器；
图2为本实施中基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法流程图；
图3(a)-图3(c)为本实施例中分别经过上、中、下三个位置(相对于样本)的单像素探测器重建的视差图像；图3(d)为本实施中测量的傅里叶频谱图；
图4(a)-图4(h)为本实施例中采用强度重聚焦成像方法实现样本在八个不同深度z处的重聚焦强度图像；
图5(a)-图5(d)为本实施例中采用差分相衬聚焦成像方法实现样本在四个不同深度z处的左右差分相衬图像；图5(e)-图5(h)为本实施例中采用差分相衬聚焦成像方法实现样本在四个不同深度z处的上下差分相衬图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不限于本发明。
实施例
如图1所示，一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，包括准直的LED光源1、反射镜2、数字微镜(Digital Micro Devices，DMD)3、管镜4、显微物镜5、样本6以及阵列单像素探测器7；所述阵列单像素探测器7、样本6、显微物镜5、管镜4、以及数字微镜3这五者的中心依次在同一条光轴上；以阵列单像素探测器7所在为首端，所述显微物镜5安装在管镜4前端；图1中，阵列单像素探测器7用粗箭头指向的是阵列单像素探测器的正面图；
所述LED光源1发出的准直光束(如图1，用黑色箭头表示光束)，经反射镜2反射后倾斜照射到数字微镜3上，同时计算机生成一组不同频率、不同初相的傅里叶基底图案，通过控制数字微镜转动，将傅里叶基底图案反射至投影光路，再通过管镜4和显微物镜5组成的投影光路依次将所述的傅里叶基底图案投射到样本上，最后利用阵列单像素探测器7从各个方向采集经样本衍射后的光场强度，并将光信号转换成电信号，所述电信号经数据采集卡存储在计算机硬盘上，再通过计算机数据处理得到目标图像。
在本实施例中，所述LED光源1设置在反射镜2的正上方，并位于数字微镜3和管镜4之间的上方位置；
所述反射镜2的与水平方向的倾斜角度为33度；
所述控制数字微镜转动的角度为正负12度，正12度表示打开，负12度表示关闭；
所述阵列单像素探测器7采用多组光电二极管；
本实施例的光场显微成像系统，采用一般器件即可实现，系统装置简单易实现。
在本实施例中，如图2所示，一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，采用强度重聚焦成像方法，具体包括下述步骤：
S11、利用公式生成一组不同频率、不同初相的傅里叶基底图案，其中，a和b分别表示傅里叶基底图案的背景值和对比度，(x,y)表示傅里叶基底图案的像素坐标，(fx,fy)表示频域坐标，表示相位，s表示相移步数，取s＝4,n＝0,1,2,3；通过成像系统将所述的傅里叶基底图案投射到样本上；
S12、利用单像素成像算法分别处理每个单像素探测器采集的信号，重建出样本的在不同视角下的视差图像In，n表示单像素探测器的编号，所述视差图像是指不同深度的信息发生横向移动；在本实施例中，所述单像素成像算法是采用基于傅里叶基底图案或者哈达码图案的成像算法；
S13、假设单像素探测器的二维坐标为(xn,yn)、探测器相对于样本在光轴方向的距离为d，采用如下公式计算每个探测器相对样本中的视角(θxn,θyn)：
S14、确定需要重聚焦的深度z，计算每幅视差图像平移的像素数：
Δxn＝z*tanθxn，
Δyn＝z*tanθyn，
其中Δxn表示视差图像In沿着水平方向平移的像素数，Δyn表示视差图像沿着竖直方向平移的像素数；
在本实施例中，所述需要重聚焦的深度z的取值范围是根据单个像素探测器的相对孔径决定，所述相对孔径即单像素探测器的光敏面大小/单像素探测器到样本的距离；
S15、将每幅视差图像分别在水平和竖直方向按照如下公式依次平移，得到平移后的视差图像I′n：
其中j表示虚部单位，(u,v)表示频域坐标，表示傅里叶变换算子，表示逆傅里叶变换算子；
S16、将平移后的视差图像累加，即可获得在深度z处的重聚焦图像Iz：
Iz＝∑I′n。
在本实施例中，所述基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，还包括差分相衬聚焦成像方法：重复上述步骤S11～S15，然后分别将位于左半部位L、右半部位R、上半部位T、以及下半部位B的单像素探测器平移后的视差图像累加；再采用如下公式，即可获得在深度z处的左右差分相衬(Differential phase contrast，DPC)图像和上下差分相衬图像
其中，DPC表示Differential phase contrast，差分相衬图像。
在本实施例中，为了测试基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统及其方法的有效性，对一棉虫样本进行实验测量。首先搭建如图1所示的测量系统，所有的器件都放置在气浮平台上，利用计算机生成一组频率不同、相位不同的傅里叶基底图案，然后通过数字微镜DMD和照明透镜将该组图案投射到待测样本，最后利用阵列探测器测量经样本散射后的光强值。图3(a)-图3(c)为经上、中、下三个位置(相对于样本)的单像素探测器重建的视差图像，其中矩形框内表示不同深度的信息发生横向移动。图3(d)为测量的傅里叶频谱，此图表明可以实现压缩采样，减少测量次数，实验中不需要完整获取整个傅里叶谱系数，即可恢复出样本的视差图像。
图4(a)-图4(h)为采用本实施例所提的强度重聚焦成像方法实现样本在八个不同深度z处(-140μm、-100μm、-50μm、-20μm、20μm、50μm、100μm、140μm)的重聚焦强度图像，其中椭圆框所示。图5(a)-图5(d)为采用本发明所提出的差分相衬聚焦成像方法实现样本在四个不同深度z处(-100μm、-50μm、50μm、100μm)的左右差分相衬图像；图5(e)-图5(h)为样本在四个不同深度z处(-100μm、-50μm、50μm、100μm)的上下差分相衬图像。从上述结果可知，采用本发明所提系统及其方法，即不需要转动样本和测量光束，也不需要沿着z方向扫描样本，即可获得被测样本在不同深度处的图像。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，其特征在于，包括准直的LED光源(1)、反射镜(2)、数字微镜(3)、管镜(4)、显微物镜(5)、样本(6)以及阵列单像素探测器(7)；所述阵列单像素探测器(7)、样本(6)、显微物镜(5)、管镜(4)、以及数字微镜(3)这五者的中心依次在同一条光轴上；以阵列单像素探测器所在为首端，所述显微物镜(5)安装在管镜(4)前端；
所述LED光源(1)发出的准直光束经反射镜(2)反射后倾斜照射到数字微镜(3)上，同时计算机生成一组不同频率、不同初相的傅里叶基底图案，通过控制数字微镜转动，将傅里叶基底图案反射至投影光路，再通过管镜(4)和显微物镜(5)组成的投影光路依次将所述的傅里叶基底图案投射到样本上，最后利用阵列单像素探测器(7)从各个方向采集经样本衍射后的光场强度，并将光信号转换成电信号，所述电信号经数据采集卡存储在计算机硬盘上，再通过计算机数据处理得到目标图像。
2.根据权利要求1所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，其特征在于，所述LED光源(1)设置在反射镜(2)的正上方，并位于数字微镜和管镜之间的上方位置。
3.根据权利要求1所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，其特征在于，所述反射镜(2)与水平方向的倾斜角度为33度。
4.根据权利要求1所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，其特征在于，所述控制数字微镜转动的角度为正负12度，正12度表示打开，负12度表示关闭。
5.根据权利要求1所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统，其特征在于，阵列单像素探测器(7)采用光电二极管。
6.根据权利要求1～5任一项所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，其特征在于，采用强度重聚焦成像方法，具体包括下述步骤：
S11、利用公式生成一组不同频率、不同初相的傅里叶基底图案，其中，a和b分别表示傅里叶基底图案的背景值和对比度，(x,y)表示傅里叶基底图案的像素坐标，(fx,fy)表示频域坐标，表示相位，s表示相移步数，取s＝4,n＝0,1,2,3；通过成像系统将所述的傅里叶基底图案投射到样本上；
S12、利用单像素成像算法分别处理每个单像素探测器采集的信号，重建出样本的在不同视角下的视差图像In，n表示单像素探测器的编号，所述视差图像是指不同深度的信息发生横向移动；
S13、假设单像素探测器的二维坐标为(xn,yn)、单像素探测器相对于样本在光轴方向的距离为d，采用如下公式计算每个单像素探测器相对样本中的视角(θxn,θyn)：
S14、确定需要重聚焦的深度z，计算每幅视差图像平移的像素数：
Δxn＝z*tanθxn，
其中Δxn表示视差图像In沿着水平方向平移的像素数，Δyn表示视差图像沿着竖直方向平移的像素数；
S15、将每幅视差图像分别在水平和竖直方向按照如下公式依次平移，得到平移后的视差图像I′n：
其中j表示虚部单位，(u,v)表示频域坐标，表示傅里叶变换算子，表示逆傅里叶变换算子；
S16、将平移后的视差图像累加，即可获得在深度z处的重聚焦图像Iz：
Iz＝∑I′n。
7.根据权利要求6所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S12中，所述单像素成像算法是采用基于傅里叶基底图案或者哈达码图案的成像算法。
8.根据权利要求6所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S14中，所述需要重聚焦的深度z的取值范围是根据单个像素探测器的相对孔径决定，所述相对孔径即单像素探测器的光敏面大小/单像素探测器到样本的距离。
9.根据权利要求6所述的基于阵列单像素探测器的光场显微成像系统的成像方法，其特征在于，还包括差分相衬聚焦成像方法：重复步骤S11～S15，然后分别将位于左半部位L、右半部位R、上半部位T、以及下半部位B的单像素探测器平移后的视差图像累加；再采用如下公式，即可获得在深度z处的左右差分相衬图像和上下差分相衬图像
其中，DPC表示Differential phase contrast，差分相衬图像。
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