CN110044481A - 一种压缩高光谱显微成像的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压缩高光谱显微成像的系统及方法。其中包括激光器、衰减片、电动位移平台、待成像样品、物镜、光栅、数字微镜器件、会聚透镜、单光子探测模块、FPGA控制模块、上位机。激光器发射出的激光经过衰减片衰减后，激发电动位移平台上的待成像样品，成像样品发出的光经由物镜和光栅照射到数字微镜器件上，数字微镜器件进行空间光调制，调制后的反射光由会聚透镜会聚到单光子探测模块进行探测，单光子探测模块输出单光子脉冲至FPGA控制模块，FPGA控制模块发送数据至上位机，上位机利用压缩感知算法重建出待成像样品的光谱图像。

Description

一种压缩高光谱显微成像的系统及方法

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种压缩高光谱显微成像的系统及方法。

背景技术

近年来，光谱成像作为一种新兴的技术，由于其具有探测物体的空间和光谱信息的特性，在物质分析中具有很大的优势。光谱成像是生物微弱光显微成像、蛋白质结构分析、材料分析、环境监测、天文观测、遥感等领域的研究前沿与热点之一，同时可以帮助分析物质组成以及浓度分布等，常规需要三个维度的探测，即二维空间信息、一维光谱信息。传统光谱成像系统是直接对物体成像然后将光谱信息分段进行多次测量的方法来获得光谱信息，每次只能得到一个波段的光谱信息，成像时间长，且光谱分辨率低；而使用光谱仪配合线阵或阵列探测器扫描物体，能获得完整的光谱信息但造价昂贵，采样得到的信息量大，导致储存困难。因此，发展光成像速度快、价格低廉、系统简单的光谱成像技术是目前的趋势。

压缩感知理论是关于信号采样和数据处理的理论，它指出在一定的条件下，用远低于奈奎斯特采样定理要求的采样次数对信号进行采样时，也能很好的恢复出原始信号，它可以将图像的压缩采集和压缩过程合二为一。压缩感知和光谱成像计数结合能够使采集的信息量大量减少，解约储存空间，并使得成像时间大大减少。2012年浙江大学的刘旭、李东等提出了基于压缩感知的多光谱成像装置和方法(专利号：CN 102914367A)将成像样品的光射入两块数字微镜器件进行分别对图像信息和光谱信息进行空间光调制，最后利用单点探测器进行采样。但该专利装置复杂需要对采样信息进行两次调制需要做到同步控制实施起来有一定难度。

发明内容

针对上述问题，在此提出一种新方案，将图像上某点的光经过光栅色散后照射到数字微镜器件上，数字微镜器件对入射光谱线进行随机光强调制，然后利用一个点探测器对数字微镜器件反射光进行探测，扫描完图像后利用压缩感知理论可以得到成像光谱，还可以获得每个单点的光谱信息，在获得更多的测量信息的同时，减少了成像时间，并避免了线阵、阵列探测器或光谱仪的使用大大降低了成本，系统得到简化，同时得到的成像光谱分辨率高。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种压缩高光谱显微成像的系统，其特征在于：包括激光器、衰减片、电动位移平台、待成像样品、物镜、光栅、数字微镜器件、会聚透镜、单光子探测模块、FPGA控制模块、上位机；

所述的激光器发射激光经过衰减片衰减后激发待成像样品；所述的电动位移平台用于放置待成像样品；

所述的物镜、光栅、数字微镜器件依次放置于待成像样品激发光的传播方向；

所述的会聚透镜、单光子探测模块依次放置于加载了测量矩阵的数字微镜器件反射光的传播方向；

所述的单光子探测模块与FPGA控制模块连接，用于输出单光子脉冲信号至FPGA控制模块；

所述的FPGA控制模块与数字微镜器件连接，用于加载测量矩阵到数字微镜器件；

所述的FPGA控制模块与电动位移平台与连接，用于控制电动位移平台平移到指定位置坐标。

所述的FPGA控制模块与所述的上位机连接，用于将电动位移平台位置坐标值和单光子脉冲计数值输出至上位机；

所述的压缩高光谱显微成像的系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光器发出激光射到衰减片上激发待成像样品，使待成像样品发出微弱光子流；

2)FPGA控制模块向电动位移平台输出位置坐标，电动平移台收到位置坐标后，平移待成像样品到激发点；

3)待成像样品发出的微弱光经透镜汇聚后进入光栅，经过光栅色散后的微弱光子流，进入数字微镜器件；

4)FPGA控制模块加载测量矩阵到数字微镜器件，数字微镜器件进行空间光调制后的反射光通过会聚透镜汇聚到单光子探测模块上；

5)单光子探测模块产生离散的单光子脉冲，并输入到FPGA控制模块。FPGA控制模块对单光子脉冲进行计数，然后将位置坐标与计数值输出至上位机；

6)上位机重建出成像样品的高光谱图像。

所述的压缩高光谱显微成像的系统的成像方法，其特征在于，所述步骤2)、4)、5)中FPGA控制模块采用如下控制方法实现：

1)上位机软件设置好延迟时间T、扫描点数N、测量矩阵、每个扫描点的数字微镜器件翻转次数I，频率F；

2)FPGA控制模块向电动位移平台输出一个扫描同步脉冲和一个扫描点坐标，电动位移平台接收到扫描同步脉和扫描点坐标后，立即移动到扫描点；

3)延时T时间让电动位移台稳定后，FPGA控制模块向数字微镜器件输出I个频率为F的微镜翻转同步触发脉冲；

4)数字微镜器件接收到一个微镜翻转同步触发脉冲后翻转一次，FPGA控制模块同步地对来自单光子探测模块输出的单光子脉冲开始进行计数，在下一个微镜翻转同步触发脉冲到达后停止计数，并保存计数值；

5)重复步骤4)直至数字微镜器件完成I次翻转，FPGA控制模块向上位机输出扫描点坐标和I个计数值至上位机；

6)重复步骤2)、3)、4)、5)直至电动位移平台完成N个扫描点的测量。

所述的压缩高光谱显微成像的系统的成像方法，其特征在于：所述步骤(6)包括如下步骤：

1)根据发送至上位机的一个扫描点的坐标和I个计数值，利用压缩感知理论重建算法，重建出每个扫描点的二维色散条带图；

2)将扫描点的二维色散条带图转换为扫描点的光谱曲线；

3)从所有扫描点的光谱曲线中抽取某一波段的强度，重建某一波段的强度图像

4)多个波段的强度图像融合重建出高光谱图像。

本发明的有益效果在于：

1)更低廉的系统成本。本发明中探测器只使用了单点探测器，并避免使用光谱仪，使得系统成本大大降低。

2)更高的集成度。本发明中将电动位移平台的移动控制、数字微镜器件加载测量矩阵翻转镜片以及单光子探测器产生的脉冲计数三个过程全部集成到FPGA控制模块完成，使得系统更加便于操作减少了人为操作产生的误差，且易于根据现实条件所需进行修改。

3)更高的光谱分辨率。本发明中将成像样品的光谱信息经过光栅照射到数字微镜器件上，因此单光子探测器不在影响光谱图像的分辨率，而是由数字微镜器件的分辨率影响光谱分辨率。这使得光谱分辨率得到提高。

附图说明

下面结合附图和实施案例对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的系统组成框图。

1-激光器、2-衰减片、3-电动位移平台、4-待成像样品、5-物镜、6-光栅、7-数字微镜器件、8-会聚透镜、9-单光子探测模块、10-FPGA控制模块

图2为本发明的FPGA控制模块时序图。

图3为本发明的图像重建模块的软件流程图，(a)光谱强度曲线重建，(b)高光谱图像重建。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

参见图1-3。

如图1所示，本发明公开了一种压缩高光谱显微成像的系统包括激光器、衰减片、电动位移平台、待成像样品、物镜、光栅、数字微镜器件、会聚透镜、单光子探测模块、FPGA控制模块、电脑。

激光器发射的激光经过衰减片衰减至微弱光后，FPGA控制模块控制电动位移平台移动并记录坐标位置，使光照射到已经放置到电动位移平台的待成像样品的一个像素点，使该像素点发出微弱光。待成像样品像素点发出的微弱光经由成像物镜聚焦至光栅上，光栅将入射的像素点的光色散后，照射至数字微镜器件上，形成一条光谱线。数字微镜器件包括许多微小高速数字式光反射开光组成的阵列，及其控制器。数字微镜器件中每个微镜可以在加载到数字微镜器件上的随机二值矩阵的控制下独立实现±12°偏转对入射光进行空间光调制。本实例中FPGA控制模块控制数字微镜器件加载测量矩阵，数字微镜器件将对入射的光谱线进行空间光调制，因此决定光谱分辨率高低的因素是数字微镜器件的分辨率，而不是传统光谱成像技术中由探测器分辨率决定。数字微镜器件调制后的光经由会聚透镜，聚焦至放置于数字微镜器件+12°反射光方向的SPCM。因单光子探测模块探测的是单光子级别的光，所以激光发射的光要经过衰减片衰减后才能应用于待成像物品成像。单光子探测模块包括光电转换模块，放大器，甄别器。本例中经过会聚透镜到达单光子探测模块的光子经过光电转换模块产生电脉冲信号后放大器放大该电信号，通过设置阈值，甄别器将超过阈值的脉冲发送给FPGA控制模块。FPGA控制模块对光子脉冲展宽后再对其计数，完成一次计数后控制数字微镜器件进行下一次翻转，当一个待成像物品像素点的测量矩阵全部加载完成后，FPGA控制模块控制电动位移平台进行下一次位移。最终在FPGA控制模块控制下，扫描完待成像物品每个像素点后，得到的每个点的坐标位置和每个点的光子计数值，将其发送至电脑，电脑中的软件将会结合压缩感知算法如正交匹配追踪算法(OMP)、全变分正则化(TVAL3)等，完成光谱图像的重建。

图2为本发明的FPGA控制模块时序图，FPGA控制模块采用如下控制方法实现：

1)上位机软件设置好延迟时间T、扫描点数N、测量矩阵、每个扫描点的数字微镜器件翻转次数I，频率F，两次微镜翻转同步触发脉冲之间的时间间隔为

2)FPGA控制模块向电动位移平台输出一个扫描同步脉冲和一个扫描点坐标，电动位移平台接收到扫描同步脉和扫描点坐标后，立即移动到扫描点；

3)延时T时间让电动位移台稳定后，FPGA控制模块向数字微镜器件输出I个频率为F的微镜翻转同步触发脉冲；

4)数字微镜器件接收到一个微镜翻转同步触发脉冲后翻转一次，FPGA控制模块同步地对来自单光子探测模块输出的单光子脉冲开始进行计数，在下一个微镜翻转同步触发脉冲到达后停止计数，并保存计数值；

5)重复步骤4)直至数字微镜器件完成I次翻转，FPGA控制模块向上位机输出扫描点坐标和I个计数值至上位机；

6)重复步骤2)、3)、4)、5)直至电动位移平台完成N个扫描点的测量。

图3为本发明的图像重建软件流程图，包括光谱强度曲线重建及光谱图像重建，其步骤如下：

1)根据发送至上位机的一个扫描点的坐标和I个计数值图中为K1至KI，利用压缩感知理论重建算法，重建出每个扫描点的二维色散条带图；

2)将扫描点的二维色散条带图转换为扫描点的光谱曲线；

3)从所有扫描点的光谱曲线中抽取某一波段的强度，重建某一波段的强度图像，图中示例分别抽取了a、b、c等不同波段的光强并重建了对应波段图片；

4)多个波段的强度图像融合重建出高光谱图像。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种压缩高光谱显微成像的系统，其特征在于：包括激光器、衰减片、电动位移平台、待成像样品、物镜、光栅、数字微镜器件、会聚透镜、单光子探测模块、FPGA控制模块、上位机；

所述的激光器发射激光经过衰减片衰减后激发待成像样品；所述的电动位移平台用于放置待成像样品；

所述的物镜、光栅、数字微镜器件依次放置于待成像样品激发光的传播方向；

所述的会聚透镜、单光子探测模块依次放置于加载了测量矩阵的数字微镜器件反射光的传播方向；

所述的单光子探测模块与FPGA控制模块连接，用于输出单光子脉冲信号至FPGA控制模块；

所述的FPGA控制模块与数字微镜器件连接，用于加载测量矩阵到数字微镜器件；

所述的FPGA控制模块与电动位移平台与连接，用于控制电动位移平台平移到指定位置坐标；

所述的FPGA控制模块与所述的上位机连接，用于将电动位移平台位置坐标值和单光子脉冲计数值输出至上位机。

2.根据权利要求1所述的压缩高光谱显微成像的系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光器发出激光射到衰减片上激发待成像样品，使待成像样品发出微弱光子流；

2)FPGA控制模块向电动位移平台输出位置坐标，电动平移台收到位置坐标后，平移待成像样品到激发点；

3)待成像样品发出的微弱光经透镜汇聚后进入光栅，经过光栅色散后的微弱光子流，进入数字微镜器件；

4)FPGA控制模块加载测量矩阵到数字微镜器件，数字微镜器件进行空间光调制后的反射光通过会聚透镜汇聚到单光子探测模块上；

5)单光子探测模块产生离散的单光子脉冲，并输入到FPGA控制模块；FPGA控制模块对单光子脉冲进行计数，然后将位置坐标与计数值输出至上位机；

6)上位机重建出成像样品的高光谱图像。

3.根据权利要求2所述的压缩高光谱显微成像的系统的成像方法，其特征在于，所述步骤(2)、(4)、(5)中FPGA控制模块采用如下控制方法实现：

1)上位机软件设置好延迟时间T、扫描点数N、测量矩阵、每个扫描点的数字微镜器件翻转次数I，频率F；

2)FPGA控制模块向电动位移平台输出一个扫描同步脉冲和一个扫描点坐标，电动位移平台接收到扫描同步脉和扫描点坐标后，立即移动到扫描点；

3)延时T时间让电动位移台稳定后，FPGA控制模块向数字微镜器件输出I个频率为F的微镜翻转同步触发脉冲；

4)数字微镜器件接收到一个微镜翻转同步触发脉冲后翻转一次，FPGA控制模块同步地对来自单光子探测模块输出的单光子脉冲开始进行计数，在下一个微镜翻转同步触发脉冲到达后停止计数，并保存计数值；

5)重复步骤4)直至数字微镜器件完成I次翻转，FPGA控制模块向上位机输出扫描点坐标和I个计数值至上位机；

6)重复步骤2)、3)、4)、5)直至电动位移平台完成N个扫描点的测量。

4.根据权利要求2所述的压缩高光谱显微成像的系统的成像方法，其特征在于：所述步骤(6)包括如下步骤：

1)根据发送至上位机的一个扫描点的坐标和I个计数值，利用压缩感知理论重建算法，重建出每个扫描点的二维色散条带图；

2)将扫描点的二维色散条带图转换为扫描点的光谱曲线；

3)从所有扫描点的光谱曲线中抽取某一波段的强度，重建某一波段的强度图像

4)多个波段的强度图像融合重建出高光谱图像。