CN109883955B - 获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置及方法,涉及显微成像领域,为了解决现有结构探测显微成像系统中结构探测函数不是最优结构探测函数，从而成像分辨率低的问题。本发明的方法包括：步骤一、在空间光调制器的调制面上随机生成一个调制图像作为初始的结构探测函数；步骤二、获得重构的图像信息和各采样点光斑的光强分布信息；步骤三、根据重构的图像与标准样品逐点比较获得的总误差、各采样点光斑的光强分布信息调整结构探测函数，得到调整后的结构探测函数，然后更新空间光调制器的结构探测函数并返回步骤二，直至得到的结构探测函数为最优结构探测函数。适用于获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数。

Description

获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置及 方法

技术领域

本发明涉及显微成像领域，具体涉及基于空间光调制器获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的技术。

背景技术

光学显微术是一种历史悠久且十分重要的无破坏性技术，被广泛应用于生物和材料科学等领域。

2009年，美国哈佛大学谢晓亮、Jeff W.Lichtman课题组在NanoLetters杂志上发表论文，提出扫描图案探测显微技术，通过将探测调制和非解扫单元探测器完成的空间累积成像相结合来实现空间调制。仿真分析得出，在荧光非相干成像情况下，横向分辨率均可达到普通显微系统的2倍。

中国公开号为105547145A、名称为一种超分辨结构探测相干成像装置及其成像方法的专利文件，将结构探测成像方法与相干显微系统相结合,提高了相干成像系统的空间截止频率，拓宽了空间频域带宽，从而显著改善了成像系统横向分辨力。

中国公开号为106767400A、名称为一种基于空间光调制器的结构探测显微成像方法及装置的专利文件，采用空间光调制器模拟结构探测函数,对探测光斑进行调制,之后利用光电探测器测量调制后的光强,得到与待测样品采样点相对应的光强值,结合显微系统的扫描机制,可实现对待测样品的三维成像。解决了以往显微成像图片采集速率低、图像处理时间长的问题。然而，并不能保证所采用的结构探测函数为最优结构探测函数，导致成像分辨率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有结构探测显微成像系统中结构探测函数不是最优结构探测函数，从而成像分辨率低的问题，从而提供获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置及方法。

本发明所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置，包括激光器1、标准样品8、空间光调制器12、分光棱镜14、光电探测器15和CCD16；

激光器1发出的激光经标准样品8反射后入射至空间光调制器12，经空间光调制器12调制后入射至分光棱镜14，分光棱镜14将光束分为两束，一束入射至光电探测器15，获得重构的图像信息，另一束入射至CCD16，获得光斑的光强分布信息。

优选的是，还包括扩束器2、线偏振器3、偏振分光棱镜4、1/4波片5、反射镜6、物镜7、二维压电陶瓷9、第一收集透镜10、放大镜头11和第二收集透镜13；

激光器1发出的激光被扩束器2扩束后经过线偏振器3，再通过偏振分光棱镜4透射至1/4波片5，经反射镜6反射至物镜7，激光经物镜7聚焦于标准样品8表面，二维压电陶瓷9带动标准样品8移动，实现聚焦光斑对标准样品8进行二维扫描；

标准样品8的反射光依次经过物镜7、反射镜6和1/4波片5后，经偏振分光棱镜4反射至第一收集透镜10，第一收集透镜10将反射光聚焦至放大镜头11，经放大镜头11放大后的反射光入射至空间光调制器12，反射光经空间光调制器12调制后被第二收集透镜13聚焦，分光棱镜14将聚焦光束分为两束，一束入射至光电探测器15，另一束入射至CCD16。

优选的是，放大镜头11为10x镜头。

本发明所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的方法，该方法包括：

步骤一、在空间光调制器12的调制面上随机生成一个调制图像作为初始的结构探测函数；

步骤二、获得重构的图像信息和各采样点光斑的光强分布信息；

步骤三、根据重构的图像与标准样品8逐点比较获得的总误差、各采样点光斑的光强分布信息调整结构探测函数，得到调整后的结构探测函数，然后更新空间光调制器12的结构探测函数并返回步骤二，直至得到的结构探测函数为最优结构探测函数；

该方法基于上述获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置实现。

优选的是，步骤三中调整后的结构探测函数为：

其中，

为第t次调整时坐标点x,y处的像素点采用的结构探测函数，

为第t次调整后坐标点x,y处的像素点的结构探测函数，r为比例因子，

为调整量，

标准样品的采样点总数为U×V个，CCD16的光斑图像采集区域为m×n，U为总行数，V为总列数，image_ij为光电探测器15得到的重构图像在第ij个采样点的光强，object_ij为标准样品8在第ij个采样点的光强，

为CCD16得到的第ij个采样点的坐标点m-x+1,n-y+1处的像素点光斑的光强分布，1≤x≤m,1≤y≤n,1≤i≤U,1≤j≤V。

本发明的有益效果：本发明采用空间光调制器模拟结构探测函数，光电探测器收集调制后的光强，在硬件上实现结构探测，在当前结构探测函数下，获得重构图像信息；CCD仅应用于获得所需的光斑光强分布信息；因此提高了结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的求解速度。在硬件上，以一套系统实现最优结构探测函数的求解以及应用求解出的最优结构探测函数实现结构探测显微成像，提高了系统的分辨率。本发明在结构探测显微成像系统中，使用误差作为反馈来调整结构探测函数，最终求解出结构探测函数的全局最优解，应用最优结构探测函数实现超分辨，提高了成像分辨率。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置的结构示意图；

图2是具体实施方式三所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的方法的原理框图；

图3是具体实施方式三中的第二收集透镜导致的图像坐标翻转的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置，包括激光器1、标准样品8、空间光调制器12、分光棱镜14、光电探测器15和CCD16；

激光器1发出的激光经标准样品8反射后入射至空间光调制器12，经空间光调制器12调制后入射至分光棱镜14，分光棱镜14将光束分为两束，一束入射至光电探测器15，获得重构的图像信息，另一束入射至CCD16，获得光斑的光强分布信息。

根据重构的图像与标准样品8逐点比较获得的总误差、各采样点光斑的光强分布信息调整空间光调制器12的结构探测函数，反复优化结构探测函数直至得到最优结构探测函数。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置作进一步说明，本实施方式中，还包括扩束器2、线偏振器3、偏振分光棱镜4、1/4波片5、反射镜6、物镜7、二维压电陶瓷9、第一收集透镜10、放大镜头11和第二收集透镜13；

激光器1发出的激光被扩束器2准直扩束后经过线偏振器3，再通过偏振分光棱镜4透射至1/4波片5，经反射镜6反射至物镜7，激光经物镜7聚焦于标准样品8表面，二维压电陶瓷9带动标准样品8移动，实现聚焦光斑对标准样品8进行二维扫描；

标准样品8的反射光依次经过物镜7、反射镜6和1/4波片5后，经偏振分光棱镜4反射至第一收集透镜10，第一收集透镜10将反射光聚焦至放大镜头11，经放大镜头11进一步放大后的反射光入射至空间光调制器12的调制面上，反射光经空间光调制器12调制后被第二收集透镜13聚焦，分光棱镜14将聚焦光束分为两束，一束入射至光电探测器15，由于通过空间光调制器12在光路中实现了对探测光斑的调制，光电探测器15直接获得与样品采样点一一对应的探测光强，实现图像的重构，获得重构图像信息，另一束入射至CCD16，获得光斑的光强分布信息。

本实施方式中，放大镜头11选用10x镜头。

具体实施方式三：结合图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的方法，该方法包括：

步骤一、在空间光调制器12的调制面上随机生成一个调制图像作为初始的结构探测函数；

步骤二、获得重构的图像信息和各采样点光斑的光强分布信息；

步骤三、根据重构的图像与标准样品8逐点比较获得的总误差、各采样点光斑的光强分布信息调整结构探测函数，得到调整后的结构探测函数。

应用调整后的结构探测函数完成步骤二和步骤三，得到新的优化后的结构探测函数，并重复步骤二和步骤三。最终通过循环迭代求解出结构探测函数的全局最优解，得到最优结构探测函数；

该方法基于具体实施方式二所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置实现。

应用求解出的最优结构探测函数，通过结构探测显微成像系统实现快速、更高分辨率的结构探测显微成像。本实施方式中，得到最优结构探测函数后，移去标准样品8、分光棱镜14和CCD16的系统即为结构探测显微成像系统。

步骤三中，假设在获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置中，CCD16的光斑的图像采集区域为m×n的像素区域，标准样品8在显微成像过程中，扫描系统实现对标准样品8的U×V个点采样。在采样点ij处，聚焦在空间光调制器调制面上的光斑调制前光强分布为S^ij，调制后光斑光强分布为K^ij。通CCD16获得的光斑图像的光强分布为T^ij，通过光电探测器15获得的重构图像在采样点ij处的光强为image_ij，空间光调制器调制面上的结构探测函数为H_xy。

图像的重构由公式1实现：

下角标xy代表坐标点x,y处的像素点；

重构图像与标准样品在采样点ij处的灰度值误差error_ij可由公式2求得，因为灰度值的差值有正有负，因此取平方避免抵消：

error_ij＝(image_ij-object_ij)² (公式2)

object_ij为标准样品8在第ij个采样点的光强；

那么对于标准样品U×V个采样点，总误差Error由公式3求得

将求得的总误差Error反向传递至结构探测函数，据此调整结构探测函数。结构探测函数的调整量为总误差Error对当前结构探测函数的梯度。

空间光调制器12调制后的光斑经过第二收集透镜13成像于CCD16，因此如图3所示，存在图像的反转，中间量第ij个采样点的坐标点x,y处的像素点光斑光强分布图像

与最终CCD采集到的第ij个采样点的坐标点m-x+1,n-y+1处的像素点光斑的光强分布

关系如公式5所示。

因此调整量可由公式(6)计算得到

因此依据总的误差，结构探测函数的调整可通过公式7实现。

r为比例因子。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (2)

1.获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一、在空间光调制器(12)的调制面上随机生成一个调制图像作为初始的结构探测函数；

步骤二、获得重构的图像信息和各采样点光斑的光强分布信息；

步骤三、根据重构的图像与标准样品(8)逐点比较获得的总误差、各采样点光斑的光强分布信息调整结构探测函数，得到调整后的结构探测函数，然后更新空间光调制器(12)的结构探测函数并返回步骤二，直至得到的结构探测函数为最优结构探测函数；

本方法基于获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置实现，所述获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置包括激光器(1)、标准样品(8)、空间光调制器(12)、分光棱镜(14)、光电探测器(15)和CCD(16)；

激光器(1)发出的激光经标准样品(8)反射后入射至空间光调制器(12)，经空间光调制器(12)调制后入射至分光棱镜(14)，分光棱镜(14)将光束分为两束，一束入射至光电探测器(15)，获得重构的图像信息，另一束入射至CCD(16)，获得光斑的光强分布信息；

所述获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的装置还包括扩束器(2)、线偏振器(3)、偏振分光棱镜(4)、1/4波片(5)、反射镜(6)、物镜(7)、二维压电陶瓷(9)、第一收集透镜(10)、放大镜头(11)和第二收集透镜(13)；

激光器(1)发出的激光被扩束器(2)扩束后经过线偏振器(3)，再通过偏振分光棱镜(4)透射至1/4波片(5)，经反射镜(6)反射至物镜(7)，激光经物镜(7)聚焦于标准样品(8)表面，二维压电陶瓷(9)带动标准样品(8)移动，实现聚焦光斑对标准样品(8)进行二维扫描；

标准样品(8)的反射光依次经过物镜(7)、反射镜(6)和1/4波片(5)后，经偏振分光棱镜(4)反射至第一收集透镜(10)，第一收集透镜(10)将反射光聚焦至放大镜头(11)，经放大镜头(11)放大后的反射光入射至空间光调制器(12)，反射光经空间光调制器(12)调制后被第二收集透镜(13)聚焦，分光棱镜(14)将聚焦光束分为两束，一束入射至光电探测器(15)，另一束入射至CCD(16)；

所述步骤三中调整后的结构探测函数为：

其中，

为第t次调整时坐标点x,y处的像素点采用的结构探测函数，

为第t次调整后坐标点x,y处的像素点的结构探测函数，r为比例因子，

为调整量，

标准样品的采样点总数为U×V个，CCD(16)的光斑图像采集区域为m×n，U为总行数，V为总列数，image_ij为光电探测器(15)得到的重构图像在第ij个采样点的光强，object_ij为标准样品(8)在第ij个采样点的光强，

为CCD(16)得到的第ij个采样点的坐标点m-x+1,n-y+1处的像素点光斑的光强分布，1≤x≤m,1≤y≤n,1≤i≤U,1≤j≤V。

2.根据权利要求1所述的获得结构探测显微成像系统的最优结构探测函数的方法，其特征在于所述放大镜头(11)为10x镜头。

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