CN110568603A

CN110568603A - 基于fpm的显微成像系统

Info

Publication number: CN110568603A
Application number: CN201910741454.7A
Authority: CN
Inventors: 戴琼海; 张雅琳; 范静涛
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2019-12-13

Abstract

本发明公开了一种基于FPM的显微成像系统，包括：数字微反射镜和微透镜阵列；激光器，用于发射光线到所述数字微反射镜，使得所述数字微反射镜反射光线到所述透镜阵列；照明物镜，用于在所述微透镜阵列将平面波转换为球面波，并透射光线至所述照明物镜后，将所述球面波转换为平面波，并照射至放置在载物孔上的成像物体进行成像。根据本发明实施例的系统，可以利用数字微反射镜和微透镜阵列的配合实现不同角度照明待测样本，使成像仪器获取低分辨率图像，随后利用FPM算法进行迭代重建，提高图像分辨率，相当于高倍物镜的分辨率且具有更宽的视场，提高系统的能量，降低信噪比，提升成像速度。

Description

基于FPM的显微成像系统

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种基于FPM的显微成像系统。

背景技术

相关技术，光学显微镜由于本身空间带宽积的限制，其信息通量是一定的。要获取高分辨率的图像就必须提高数值孔径，但如此视场却受到限制。FPM(FourierPtychography Microscopy，频域叠层显微镜)可以绕开物镜的分辨率极限，极大提高系统的空间带宽积，使原本只能获取低频信息、小数值孔径的物镜获取更高频的信息，采用方向光来提升分辨率。

然而，现有的基于FPM的显微照明系统，普遍采用LED为光源，具有视场小、能量低，信噪比低的特点。采用激光为光源的显微照明系统仍然存在数字微反射镜的开放数量与信噪比和分辨率之间的矛盾。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于FPM的显微成像系统，该系统可以具有照明能量高、信噪比的特点，可适用于基于FPM的显微成像系统配合的显微照明系统。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于FPM的显微成像系统，包括：数字微反射镜和微透镜阵列；激光器，用于发射光线到所述数字微反射镜，使得所述数字微反射镜反射光线到所述透镜阵列；照明物镜，用于在所述微透镜阵列将平面波转换为球面波，并透射光线至所述照明物镜后，将所述球面波转换为平面波，并照射至放置在载物孔上的成像物体，以利用FPM算法进行迭代重建，得到成像结果。

本发明实施例的基于FPM的显微成像系统，可以利用数字微反射镜和微透镜阵列的配合实现不同角度照明待测样本，使成像仪器获取低分辨率图像，随后利用FPM算法进行迭代重建，提高图像分辨率，相当于高倍物镜的分辨率且具有更宽的视场，提高系统的能量，降低信噪比，提升成像速度，具有照明能量高、信噪比的特点，可适用于基于FPM的显微成像系统配合的显微照明系统。

另外，根据本发明上述实施例的基于FPM的显微成像系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：扩束器，用于将所述发射光线扩大并照射至所述数字微反射镜。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述激光器为单色激光器。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述数字微反射镜的微反射镜块面向激光器仰12°，或背向激光器俯12°。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列可以划分为n个区块。

其中，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列的每一个微透镜的中心分别对应于所述n个区块的每一个区块的中心位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述n个区块分别对应于照射到成像物体处的n个角度的平行光。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列的后焦面与所述照明物镜的前焦面重合，所述成像物体与所述照明物镜的后焦面重合。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述载物孔的中心与所述成像物体的中心重合，用于使光线以不同角度照明到所述成像物体。

另外，在本发明的一个实施例中，所述成像物体的中心点与所述照明物镜的中心以及所述微透镜阵列的中心在同一条轴线上。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于FPM的显微成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于FPM的显微成像系统

如图1所示，该基于FPM的显微成像系统包括：数字微反射镜100、微透镜阵列200、激光器300和照明物镜400。

其中，激光器300发射光线到数字微反射镜100，使得数字微反射镜100反射光线到透镜阵列。照明物镜400在微透镜阵列200将平面波转换为球面波，并透射光线至照明物镜400后，将球面波转换为平面波，并照射至放置在载物孔上的成像物体，以利用FPM算法进行迭代重建，得到成像结果。本发明实施例的系统可以具有照明能量高、信噪比的特点，可适用于基于FPM的显微成像系统配合的显微照明系统。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的系统还包括：扩束器500500。其中，扩束器500将发射光线扩大并照射至数字微反射镜100。

具体而言，光器发射光线经过扩束器500到数字微反射镜100；数字微反射镜100反射光线到透镜阵列；微透镜阵列200将平面波转换为球面波，汇集能量并透射光线到照明物镜400，提高单路方向光的照明能量；的照明物镜400将球面波转换为平面波，并照射至放置在载物孔上的物体，再进行成像。

本发明实施例的系统可以实现多幅不同角度照明下的低分辨率图像，随后利用FPM算法进行迭代重建，可以提高图像分辨率，相当于高倍物镜的分辨率且具有更宽的视场，利用数字微反射镜100和微透镜阵列200的配合提升每路方向光的能量，降低信噪比，提升成像速度。

可选地，在本发明的一个实施例中，激光器300可以为单色激光器300，例如激光器300的波长可以为532nm，扩束器500的放大倍率为×5-10。

可选地，在本发明的一个实施例中，数字微反射镜100的微反射镜块面向激光器300仰12°，或背向激光器300俯12°，微透镜阵列200可以划分为n个区块，例如数字微反射镜100为1920×1200阵列，总尺寸为102mm×83mm，每个数字微反射镜100尺寸为10.8μm×10.8μm

进一步地，在本发明的一个实施例中，微透镜阵列200的每一个微透镜的中心分别对应于n个区块的每一个区块的中心位置。例如，微透镜阵列200可以为定制的以合金铝为基底的微透镜阵列200，而照明物镜400的放大倍率×10，数值孔径0.16，其中，样本700放置于有载物孔的载物台600上。

可以理解的是，数字微反射镜100中的微反射镜块面向激光器300仰12°，或背向激光器300俯12°，整个微透镜阵列200可以被划分为n个区块，并且微透镜阵列200中的每一个微透镜的中心分别对应于n个区块的每一个区块的中心位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，n个区块分别对应于照射到成像物体处的n个角度的平行光。也就是说，n个区块分别对应于照射到样本700处的n个角度的平行光。

进一步地，在本发明的一个实施例中，微透镜阵列200的后焦面与照明物镜400的前焦面重合，成像物体与照明物镜400的后焦面重合。可以理解的是，微透镜阵列200的后焦面与照明物镜400的前焦面重合。，被照明的样本700与照明物镜400的后焦面重合。

进一步地，在本发明的一个实施例中，载物孔的中心与成像物体的中心重合，用于使光线以不同角度照明到成像物体。可以理解的是，载物孔的中心与样本700中心重合，用于使光线以不同角度照明到样本700。

另外，在本发明的一个实施例中，成像物体的中心点与照明物镜400的中心以及微透镜阵列200的中心在同一条轴线上。即言，成像物体的中心点与照明物镜400的中心以及整个微透镜阵列200的中心在同一条轴线上。

具体而言，通过激光器300发射出的光线，经过扩束镜入射到数字微反射镜100上，数字微反射镜100编程形成n个区块，分别对应微透镜阵列200中的每一个透镜，通过依次调控编程的数字微反射镜100，使得经过数字反射镜中一个区块的光线反射至微透镜阵列200中相对应的透镜上，光线透过微透镜阵列200投射到照明物镜400，经过照明物镜400分别以不同角度照射到样本700上，使成像仪器获取低分辨率图像，利用FPM算法进行迭代重建，可以提高图像分辨率，相当于高倍物镜的分辨率且具有更宽的视场。该系统可以提高方向光照明系统的能量，降低信噪比，提升成像速度。

以下对本发明实施例的系统的成像原理进行详细描述。

步骤S1：由激光器300光源发射光线到数字微反射镜100；

步骤S2：将数字微反射镜100(可以包括数字微反射镜底座101和数字微反射镜支架102)编程形成n个区块，分别对应微透镜阵列200中的每一个透镜；

步骤S3：通过调控编程的数字微反射镜100，使得经过数字反射镜中一个区块的光线反射至微透镜阵列200中相对应的透镜上；

步骤S4：光线透过微透镜阵列200投射到照明物镜400；

步骤S5：光线经过照明物镜400以一个角度照射到样本700上，使成像仪器获取一幅低分辨率图像；

步骤S6：重复步骤S3，通过依次调控编程的数字微反射镜100，使得经过数字反射镜中每一个区块的光线分别反射至微透镜阵列200中相对应的透镜上，重复步骤S4；

步骤S7：光线经过照明物镜400分别以不同角度照射到样本700上，通过成像物镜800，使成像仪器获取多幅低分辨率图像；

步骤S8：利用FPM算法进行迭代重建，提高图像分辨率，获取高分辨率图像。

激光器300光源波长采用532nm，输出功率4-6w，光束直径为3mm，扩束器500选用放大倍率为×5。数字微反射镜100是一个高反射铝微反射镜阵列，每个微反射镜在微型铰链的作用下可控制其朝向光源12°或者背向光源12°，选用的数字微反射镜100为1920×1200阵列，微反射镜的总尺寸为102mm×83mm，每个微反射镜尺寸为10.8μm×10.8μm，将数字微反射镜100编程形成64个区块，每个区块240×150阵列，对应64个微透镜，每个透镜的中心分别对应为每个数字微反射镜100区块的中心。照明物镜400放大倍率×10，数值孔径0.16。

设置数字微反射镜100中的每240×150个反射镜作为一个区块，让区块内的微反射镜处于面向光源位置，其他反射镜处于背向光源位置，通过光源调节使曝光处于最佳状态采集图像。顺序设置每一个区块反射镜面向光源位置，这样完成64次图像的采集，利用FPM算法进行迭代重建，提高图像分辨率，获取高分辨率图像。

综上，本发明实施例的基于FPM的显微成像系统，可以利用数字微反射镜和微透镜阵列的配合实现不同角度照明待测样本，使成像仪器获取低分辨率图像，随后利用FPM算法进行迭代重建，提高图像分辨率，相当于高倍物镜的分辨率且具有更宽的视场，提高系统的能量，降低信噪比，提升成像速度，具有照明能量高、信噪比的特点，可适用于基于FPM的显微成像系统配合的显微照明系统。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于FPM的显微成像系统，其特征在于，包括：

数字微反射镜和微透镜阵列；

激光器，用于发射光线到所述数字微反射镜，使得所述数字微反射镜反射光线到所述透镜阵列；以及

照明物镜，用于在所述微透镜阵列将平面波转换为球面波，并透射光线至所述照明物镜后，将所述球面波转换为平面波，并照射至放置在载物孔上的成像物体，以利用FPM算法进行迭代重建，得到成像结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

扩束器，用于将所述发射光线扩大并照射至所述数字微反射镜。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器为单色激光器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字微反射镜的微反射镜块面向激光器仰12°，或背向激光器俯12°。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述微透镜阵列划分为n个区块。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述微透镜阵列的每一个微透镜的中心分别对应于所述n个区块的每一个区块的中心位置。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述n个区块分别对应于照射到成像物体处的n个角度的平行光。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微透镜阵列的后焦面与所述照明物镜的前焦面重合，所述成像物体与所述照明物镜的后焦面重合。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述载物孔的中心与所述成像物体的中心重合，用于使光线以不同角度照明到所述成像物体。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像物体的中心点与所述照明物镜的中心以及所述微透镜阵列的中心在同一条轴线上。