CN110360924A - 一种双波长叠层显微成像方法及系统 - Google Patents

一种双波长叠层显微成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双波长叠层显微成像方法及系统。该方法包括：获取在两种波长光束的照射下CCD探测器得到的多幅衍射图；将每幅衍射图进行分通道提取得到两种波长下的多幅衍射图；对每种波长下的衍射图进行物平面的振幅信息提取得到物平面振幅图；计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数；比较相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度得到位置偏差；根据位置偏差对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准得到校准坐标；对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整得到对应的衍射图的真实坐标；将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。本发明的方法及系统能够提高成像效率。

Description

一种双波长叠层显微成像方法及系统
技术领域
本发明涉及叠层成像领域，特别是涉及一种双波长叠层显微成像方法及系统。
背景技术
叠层成像是通过采集交叠的衍射图样恢复出样品复振幅分布的无透镜相干衍射成像技术。双波长叠层显微成像是通过采用波长复用的球面波照明，增加照明光束对被测样品的唯一解约束，缩小了解空间并提高了叠层成像的冗余数据量，从而能过得到更加精确的重建图像。叠层成像基本成像原理为：两束照明光束通过透镜后形成发散的球面波，再通过一个针孔限制光照区域大小，光束透过被测样品到达CCD探测器的探测平面，通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光，在探测平面接收到被测物体互相交叠的衍射图，将其代入EPIE算法中得到相应的重建图像。相比于其他成像方法，叠层成像具有大视场、稳定高、光路结构紧凑等优点，是一种可以满足现代生物医学无损可视化研究细胞的成像技术，同时也在工业检测方面有较强的应用。叠层显微成像技术在追求高分辨率的情况下会对被测样品进行较高倍数的放大，因此不可避免的也放大了平移台的定位误差。现有的误差校正算法都是在每次EPIE迭代中引入新的约束条件，多次迭代后逐步逼近真实位置，迭代过程复杂，计算量大，并且在每次迭代更新时都需要重新计算位置误差，导致成像效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种双波长叠层显微成像方法及系统，提高成像效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双波长叠层显微成像方法，包括：
获取在两种波长的光束的照射下通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光得到的多幅衍射图；
将每幅所述衍射图进行分通道提取，得到两种波长下的多幅衍射图；
对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图；
计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数；
比较相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度，从而得到相邻两幅振幅图的位置偏差；
根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标；
对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整，得到对应的衍射图的真实坐标；
将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。
可选的，所述计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数，具体包括：
以相邻的两幅振幅图相邻为初始位置，以Δr为基本平移单元将其中一幅振幅图向另一幅振幅图平移，每平移一次计算两幅振幅图的重叠部分的振幅信息的相关系数，直到被平移的振幅图跨过另一幅振幅图。
可选的，所述对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图，具体包括：
利用局部相位恢复迭代对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图。
可选的，所述根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标，具体包括：
根据平移台移动步长和所述CCD探测器的像原尺寸计算每幅所述平面振幅图在物平面的理论坐标；
根据每幅所述振幅图的理论坐标和所述位置偏差计算所述每幅所述振幅图的校准坐标。
一种双波长叠层显微成像系统，包括：
衍射图获取模块，用于获取在两种波长的光束的照射下通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光得到的多幅衍射图；
分通道提取模块，用于将每幅所述衍射图进行分通道提取，得到两种波长下的多幅衍射图；
振幅信息提取模块，用于对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图；
相关系数计算模块，用于计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数；
位置偏差计算模块，用于比较相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度，从而得到相邻两幅振幅图的位置偏差；
校准坐标计算模块，用于根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标；
真实坐标计算模块，用于对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整，得到对应的衍射图的真实坐标；
重建模块，用于将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。
可选的，所述相关系数计算模块包括：
平移计算单元，用于以相邻的两幅振幅图相邻为初始位置，以Δr为基本平移单元将其中一幅振幅图向另一幅振幅图平移，每平移一次计算两幅振幅图的重叠部分的振幅信息的相关系数，直到被平移的振幅图跨过另一幅振幅图。
可选的，所述振幅信息提取模块包括：
相位恢复迭代单元，用于利用局部相位恢复迭代对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图。
可选的，所述校准坐标计算模块包括：
理论坐标计算单元，用于根据平移台移动步长和所述CCD探测器的像原尺寸计算每幅所述平面振幅图在物平面的理论坐标；
校准单元，用于根据每幅所述振幅图的理论坐标和所述位置偏差计算所述每幅所述振幅图的校准坐标。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的双波长叠层显微成像方法及系统，在利用叠层成像算法进行成像之前利用相邻两幅衍射图对应的物平面振幅图的振幅信息来确定位置偏差，从而实现位置偏差的校准。本发明的双波长叠层显微成像方法及系统只需在利用叠层成像算法进行成像之前进行一次性校准，避免多次校准导致的运算复杂度，提高了成像效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双波长叠层显微成像装置的装置结构图；
图2为本发明的双波长叠层显微成像方法实施例的方法流程图；
图3为采用本发明的双波长叠层显微成像算法前后的成像结果图；
图4为本发明双波长叠层显微成像系统实施例的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双波长叠层显微成像方法及系统，提高成像效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明采用双波长叠层显微成像装置。
图1为双波长叠层显微成像装置的装置结构图。
参见图1，该显微成像装置包括：第一激光器1、第二激光器9、第一衰减器2、第二衰减器10、分光棱镜3、准直扩束系统4、透镜5、针孔6、平移台11、CCD探测器8。
第一激光器1和第二激光器9的激光发射方向均正对分光棱镜3，且第一激光器1和第二激光器9的激光发射方向相互垂直。第一衰减器2设置在第一激光器1与分光棱镜3之间，第二衰减器10设置在第二激光器9与分光棱镜3之间。分光棱镜3、准直扩束系统4、透镜5、针孔6、平移台11和CCD探测器8依次设置。且分光棱镜3、准直扩束系统4、透镜5、针孔6和CCD探测器8的光轴同轴。平移台11用于承载被测样品，用于带动被测样品在针孔6和CCD探测器8之间移动。针孔6位于透镜5后f+Δd(Δd＞0)的位置，用于将汇聚后的光斑限制在极小的照明孔径中。
第一激光器1和第二激光器9分别发出两种不同波长的照明光束作为相干光源，两种不同波长的照明光束分别经过两个衰减器调节光束的光强强弱，经过调节后的两种光束垂直汇入分光棱镜3进行合束，合束后的光束进入准直扩束系统4进行准直扩束，得到光斑更大更均匀的平面波，准直扩束后的平面波经过透镜5后汇聚到针孔6处，被测样品放置在针孔6后d1位置处并位于光轴上，被测样品被固定在平移台11上。CCD探测器8位于被测样品后d2位置处。经过针孔6后的光透过被测样品后照射到达CCD探测器8的探测平面，从而使CCD探测器8接收到带有待测样品7的信息的衍射图。依次控制平移台11移动样品，并在每次移动后使CCD探测器8采集一次图像，得到待测样品7的被测区域互相交叠的所有衍射图。
第一激光器1和第二激光器9均为DH-HN系列2mW氦氖激光器。第一激光器1发出的激光的波长为632.8nm，第二激光器9发出的激光的波长为532nm。第一衰减器2和第二衰减器10均为圆形可调衰减器。透镜5为焦距30mm的K9平凸透镜5。针孔6直径为300μm，平移台11为三维电动平移台。CCD探测器8的型号为MER-2000。CCD探测器8距离待测样品7的距离为50mm。
本发明的双波长叠层显微成像方法应用于上述的双波长叠层显微成像装置。该方法的大体思路为：
将CCD探测器8采集到的衍射图代入等效纯振幅物体的局部相位恢复迭代算法，因为衍射图中含有待测样品7的信息，将衍射图进行算法迭代重建即可得到待测样品7相对真实的振幅分布，通过计算相邻两幅重建振幅图的互相关峰值，即可得到交叠部分的相对平移像素值，以此便可得到相对位置偏差。因待测样品7每次移动的真实物理位置是一定的，所以两个波长得到的位置偏差矩阵应收敛于特定值，因此将两个位置偏差矩阵取平均后带入EPIE迭代算法中进行被测样品的恢复重建。
图2为本发明的双波长叠层显微成像方法实施例的方法流程图。
参见图2，该双波长叠层显微成像方法，包括：
步骤201：获取在两种波长的光束的照射下通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光得到的多幅衍射图。
获取衍射图的具体过程为：
调节针孔与待测样品之间的间距为d1，调节待测样品与CCD探测器之间的距离为d2。d1为实测值，d2为理论计算得到的等效衍射距离。然后按照平移台的扫描路径依次采集待测样品的衍射图。
步骤202：将每幅所述衍射图进行分通道提取，得到两种波长下的多幅衍射图。
以某一种波长下的衍射图为例，该波长的多幅衍射图为Ie(u)，其中e＝1,2,3…E，E是待测样品衍射图的数量。
步骤203：对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图。该步骤203所采用的算法为局部相位恢复迭代算法。具体为：
其中，表示局部相位恢复迭代算法，Ψ(1)、Ψ(2)中均包含被测样品的位置信息；Ψ(1)为第e幅衍射图对应的物平面振幅图。Ψ(2)为第e+1幅衍射图对应的物平面振幅图。
步骤204：计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数。
该步骤具体为：以相邻的两幅振幅图相邻为初始位置，以Δr为基本平移单元将其中一幅振幅图向另一幅振幅图平移，每平移一次计算两幅振幅图的重叠部分的振幅信息的相关系数，直到被平移的振幅图跨过另一幅振幅图。优选的，Δr为一个像素。
相关系数的计算公式为：
其中，r(Ψ1(r),Ψ2(r+Δr))为相关系数，cov()为协方差函数，Var()为方差函数。Ψ1(r)、Ψ2(r)分别表示从Ψ(1)和Ψ(2)中截取出的重叠部分的振幅分布。
步骤205：比较相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度，从而得到相邻两幅振幅图的位置偏差。
各振幅图的位置偏差
步骤206：根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标。
该步骤206具体包括：
根据平移台移动步长和所述CCD探测器的像原尺寸计算每幅所述平面振幅图在物平面的理论坐标。
待测样品透过率函数和探针函数分别表示为O(r)和P(r)，物平面的复振幅分布为O(r)*P(r)，则CCD探测器探测到的衍射图强度Ie(u)与物平面的坐标向量的关系为：
Ie(u)＝|Γ<O(r-Re)>|2
其中r＝(x,y)是物平面上的真实坐标向量，Re＝(Xe,Ye)表示第e个衍射图的偏移向量，Xe表示第e个衍射图的x轴偏移量，Ye表示第e个衍射图的y轴偏移量；Γ<>表示衍射传播算子，传播距离为待测样品到CCD探测器的等效间距d2。该步骤206的目的在于计算出真实坐标r。
定义r0为待测样品第e幅衍射图对应在物平面的理论坐标；Re为所要求的物体位置误差向量，表示第e幅衍射图对应在物平面的位置偏移；平移台移动步长为D(μm),CCD的像原尺寸为m*m(μm)，则：
根据每幅所述振幅图的理论坐标和所述位置偏差计算所述每幅所述振幅图的校准坐标。
下面以某一波长下的位置偏差计算方法为例进行说明：
通常平移台的移动方向为x轴方向和y轴方向两个方向。即以水平方向且与光轴垂直的方向为x轴方向，以竖直方向为y轴方向(其中光轴方向即为z轴方向)，则E幅振幅图按x轴方向和y轴方向形成矩阵形式，假设x轴方向上共有J幅振幅图，y轴方向上共有K幅振幅图：
以第一幅振幅图对应的物平面位置作为坐标原点，则第一幅振幅图对应的位置偏差R(1,1)＝0。
x轴方向第j幅振幅图对应的物平面位置误差等于x轴方向前j幅(即第1～第j幅)振幅图的位置偏差之和。其中j＝2,3,…,J。
y轴方向第k幅振幅图对应的物平面位置误差等于y轴方向前k幅(即第1～第k幅)振幅图的位置偏差之和。k＝2,3,…,K。
由该方法可以得到第一激光器各幅振幅图的位置偏差Re1和第二激光器各幅振幅图的位置偏差Re2，其中Re1表示第一激光器第e幅振幅图的位置偏差，Re2表示第二激光器第e幅振幅图的位置偏差。
则第一激光器对应的校准坐标re1＝r0(e)+Re1，第二激光器对应的校准坐标re2＝r0(e)+Re2，e＝2,3…E。
步骤207：对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整，得到对应的衍射图的真实坐标。
第e幅衍射图的真实坐标
步骤208：将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。叠层成像算法采用Ptychography算法。
重建后的物体图像O＝θ＜Ie(u),r＞。其中，θ<>为叠层重建算法(Ptychography算法)。
图3为采用本发明的双波长叠层显微成像算法前后的成像结果图。
由图3可知，采用本发明的双波长叠层显微成像算法进行成像可以清晰重建出待测样品的图像。
图4为本发明双波长叠层显微成像系统实施例的系统结构图。
参见调4，该双波长叠层显微成像系统，包括：
衍射图获取模块401，用于获取在两种波长的光束的照射下通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光得到的多幅衍射图；
分通道提取模块402，用于将每幅所述衍射图进行分通道提取，得到两种波长下的多幅衍射图；
振幅信息提取模块403，用于对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图；
相关系数计算模块404，用于计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数；
位置偏差计算模块405，用于比较相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度，从而得到相邻两幅振幅图的位置偏差；
校准坐标计算模块406，用于根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标；
真实坐标计算模块407，用于对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整，得到对应的衍射图的真实坐标；
重建模块408，用于将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。
可选的，所述相关系数计算模块404包括：
平移计算单元，用于以相邻的两幅振幅图相邻为初始位置，以Δr为基本平移单元将其中一幅振幅图向另一幅振幅图平移，每平移一次计算两幅振幅图的重叠部分的振幅信息的相关系数，直到被平移的振幅图跨过另一幅振幅图。
可选的，所述振幅信息提取模块403包括：
相位恢复迭代单元，用于利用局部相位恢复迭代对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图。
可选的，所述校准坐标计算模块406包括：
理论坐标计算单元，用于根据平移台移动步长和所述CCD探测器的像原尺寸计算每幅所述平面振幅图在物平面的理论坐标；
校准单元，用于根据每幅所述振幅图的理论坐标和所述位置偏差计算所述每幅所述振幅图的校准坐标。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的双波长叠层显微成像方法及系统，在利用叠层成像算法进行成像之前利用相邻两幅衍射图对应的物平面振幅图的振幅信息来确定位置偏差，从而实现位置偏差的校准。本发明的双波长叠层显微成像方法及系统只需在利用叠层成像算法进行成像之前进行一次性校准，避免多次校准导致的运算复杂度，提高了成像效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种双波长叠层显微成像方法，其特征在于，包括：
获取在两种波长的光束的照射下通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光得到的多幅衍射图；
将每幅所述衍射图进行分通道提取，得到两种波长下的多幅衍射图；
对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图；
计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数；
比较相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度，从而得到相邻两幅振幅图的位置偏差；
根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标；
对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整，得到对应的衍射图的真实坐标；
将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。
2.根据权利要求1所述的双波长叠层显微成像方法，其特征在于，所述计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数，具体包括：
以相邻的两幅振幅图相邻为初始位置，以Δr为基本平移单元将其中一幅振幅图向另一幅振幅图平移，每平移一次计算两幅振幅图的重叠部分的振幅信息的相关系数，直到被平移的振幅图跨过另一幅振幅图。
3.根据权利要求1所述的双波长叠层显微成像方法，其特征在于，所述对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图，具体包括：
利用局部相位恢复迭代对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图。
4.根据权利要求1所述的双波长叠层显微成像方法，其特征在于，所述根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标，具体包括：
根据平移台移动步长和所述CCD探测器的像原尺寸计算每幅所述平面振幅图在物平面的理论坐标；
根据每幅所述振幅图的理论坐标和所述位置偏差计算所述每幅所述振幅图的校准坐标。
5.一种双波长叠层显微成像系统，其特征在于，包括：
衍射图获取模块，用于获取在两种波长的光束的照射下通过平移台的间断移动和CCD探测器的间断曝光得到的多幅衍射图；
分通道提取模块，用于将每幅所述衍射图进行分通道提取，得到两种波长下的多幅衍射图；
振幅信息提取模块，用于对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图；
相关系数计算模块，用于计算每种波长下相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数；
位置偏差计算模块，用于比较相邻的两幅振幅图在不同的重叠程度下的振幅信息的相关系数确定相关系数最大值所对应的重叠程度，从而得到相邻两幅振幅图的位置偏差；
校准坐标计算模块，用于根据所述位置偏差，对每种波长下的各幅振幅图进行坐标校准，得到每种波长下的各幅振幅图的校准坐标；
真实坐标计算模块，用于对两种波长下的同一序号的振幅图的校准坐标求平均取整，得到对应的衍射图的真实坐标；
重建模块，用于将各幅衍射图的真实坐标输入叠层成像算法得到重建后的物体图像。
6.根据权利要求5所述的双波长叠层显微成像系统，其特征在于，所述相关系数计算模块包括：
平移计算单元，用于以相邻的两幅振幅图相邻为初始位置，以Δr为基本平移单元将其中一幅振幅图向另一幅振幅图平移，每平移一次计算两幅振幅图的重叠部分的振幅信息的相关系数，直到被平移的振幅图跨过另一幅振幅图。
7.根据权利要求5所述的双波长叠层显微成像系统，其特征在于，所述振幅信息提取模块包括：
相位恢复迭代单元，用于利用局部相位恢复迭代对每种波长下的多幅衍射图进行物平面的振幅信息提取，得到每幅衍射图对应的物平面振幅图。
8.根据权利要求5所述的双波长叠层显微成像系统，其特征在于，所述校准坐标计算模块包括：
理论坐标计算单元，用于根据平移台移动步长和所述CCD探测器的像原尺寸计算每幅所述平面振幅图在物平面的理论坐标；
校准单元，用于根据每幅所述振幅图的理论坐标和所述位置偏差计算所述每幅所述振幅图的校准坐标。
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