CN110596885B - 扫描光场成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扫描光场成像系统。通过扫描微透镜阵列或者等效的扫描方式来提升光场成像系统的分辨率性能，提升空间采样率，克服空间采样精度与角度采样精度之间的矛盾，获取高分辨率的四维相空间信息，并将光场成像系统中的微透镜阵列固定在二维压电平移台之中，通过二维快速扫描，实现对空间域的高分辨率采样，得到高分辨率的四维相空间信息，因此能够有效提升光场成像包括显微成像，宏观成像和天文成像等的重建分辨率，从而拓展了光场成像系统的应用范围。

Description

扫描光场成像系统
技术领域
本发明属于成像设备技术领域，尤其涉及一种扫描光场成像系统。
背景技术
在各类科学研究中，对动态样本与场景进行三维探测是获得高精度准确场景感知的前提。但是，传统的光学成像系统只能进行快速二维成像，不能全面地反映场景的复杂结构信息。因此，快速三维成像技术是不可或缺的。
现有的三维成像技术主要通过轴向扫描实现，使用平移台对样本进行轴向扫描或者使镜头聚焦不同位置，聚焦在三维样本或场景的不同深度上，从而实现三维成像。但是，轴向扫描样本的过程往往比较缓慢，而且在移动过程中，样本可能会由于惯性发生移动，造成了三维成像的不准确性。另外，也有研究者开发出了光场成像系统，可以在一次拍摄内获取三维信息。当然，这样的采集方式是有代价的，由于不确定性原理的局限，其空间分辨率与角度分辨率之间存在矛盾，往往在获取角度分辨率的同时牺牲了空间分辨率，只能实现低分辨率的三维成像。现有技术的缺陷限制了光场成像在大量快速三维成像技术中的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种扫描光场成像系统。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种扫描光场成像系统，包括：
普通成像模块，用于对样本或者场景进行光学成像；
微透镜阵列平移模块，由二维电动平移台和微透镜阵列组成，所述微透镜阵列用于采集不同空间局部位置的不同角度光强分布，将对应于不同角度的信息调制到每个微透镜后对应的不同空间位置，所述二维电动平移台用于带动所述微透镜阵列进行二维平移，以对带有样本信息的光束的进行二维扫描；
相机，用于当所述二维电动平移台每平移一次之后采集扫描光场图像，以获得扫描光场图像堆栈信息；
控制系统，用于控制所述二维电动平移台的二维平移，并同步触发所述二维电动平移台与所述相机。
在一些可选的实施例中，所述的扫描光场成像系统，还包括：中继成像系统，用于继接光路，匹配所述微透镜阵列与所述相机的采样率。
在一些可选的实施例中，所述相机为科研型互补金属氧化物半导体晶体管sCMOS、单色传感器、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体晶体管CMOS。
在一些可选的实施例中，所述控制系统包括：硬件程序单元、控制器及数据传输线；所述硬件程序单元用于提供所述二维电动平移台在二维扫描时所需的控制电压以及所述相机拍摄时所需的触发脉冲电压，所述控制器将所述硬件程序单元所生成的控制电压通过所述数据传输线向所述二维电动平移台和所述相机的驱动模块中传送。
本发明所带来的有益效果：通过扫描的方式提升光场成像系统的分辨率性能，提升空间采样率，利用光场成像系统获取高分辨率四维相空间信息，并将光场成像系统中的微透镜阵列固定在二维电动平移台之中，通过二维快速扫描，实现对空间域的高分辨率采样，得到高分辨率的四维相空间信息，即可在采集之后，在高分辨率相空间域上使用理查德森露西算法进行重建，从而得到高分辨率的三维样本或场景信息，因此能够有效提升光场成像系统的分辨率。并且每一次的采集都能获取全局信息，每一次扫描都是在此基础上对全局信息的更新，通过引入循环迭代算法，能够在不降低成像速度的同时获取高分辨率三维信息，从而拓展了光场成像系统的大量应用，结构简单、成本可控，比如在活体显微成像之中；尤其适用于活体生物组织亚细胞结构的动态观测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的系统框图；
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图1和2所示，在一些说明性的实施例中，提供一种扫描光场成像系统，对传统光场成像系统中的微透镜阵列进行小范围地移动，提升采样分辨率，并通过后处理等手段将扫描光场图像堆栈重建恢复高分辨率三维信息。
本发明的扫描光场成像系统包括：普通成像模块100、微透镜阵列平移模块200、中继成像系统300、相机400及控制系统500。
普通成像模块100，用于对样本或者场景进行光学成像，将样本或者场景输入信号转化为光学信息，并进行光学放大成像，即对三维场景信息进行光学成像，便于后续采集环节。
普通成像模块100，可以是商用的显微镜、望远镜、各类成像镜头、单反镜头或手机镜头等等，或是使用镜片组构建而成的成像系统。普通成像模块100用于将场景或样本信息转化为光学信息，包括但不限于显微成像，宏观成像，镜头成像，天文成像等。
微透镜阵列平移模块200，由二维电动平移台210和微透镜阵列220组成，微透镜阵列220放置在像面附近，微透镜阵列220用于采集不同空间局部位置的不同角度光强分布，将对应于不同角度的信息调制到每个微透镜后对应的不同空间位置，实现空间维度到相空间维度的转换，同时微透镜阵列220与普通成像模块100的数值孔径相匹配，避免串扰。二维电动平移台210用于带动微透镜阵列220进行二维平移，以对带有样本信息的光束的进行二维扫描，二维电动平移台210能够对固定在其上的微透镜阵列220进行快速二维扫描，实现对微透镜阵列进行二维精确扫描。微透镜阵列平移模块200实现二维扫描，并保证每次扫描的间隔对应于相机400的指定像素，扫描范围最大为一个小微透镜大小。
具体而言，二维电动平移台210使用电压控制，可以实现高精度的平移移动，并在电压恒定时，能够保持平移台的稳定。
中继成像系统300，用于继接光路，匹配所述微透镜阵列220与所述相机400的采样率。中继成像系统300可以是单透镜也可以是多透镜组，选择透镜焦距不同，实现对光路信息的放大或缩小，用于调整经过微透镜阵列220之后的光束，匹配微透镜阵列220与相机400的采样率。
相机400，用于当二维电动平移台210每平移一次之后采集扫描光场图像，以获得扫描光场图像堆栈信息。
其中，相机为科研型互补金属氧化物半导体晶体管sCMOS、单色传感器、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体晶体管CMOS。
控制系统500，用于控制二维电动平移台210的二维平移，保证二维电动平移台210带动微透镜阵列220精确扫描，并同步触发二维电动平移台210与相机400。
控制系统500包括：硬件程序单元510、控制器520及数据传输线530。硬件程序单元510可以由LABVIEW或者Matlab等软件编程实现，用于提供二维电动平移台210在二维扫描时所需的控制电压以及相机400拍摄时所需的触发脉冲电压。控制器520可以是电压信号发生器或者计算机控制板卡，将硬件程序单元510所生成的电压通过数据传输线530向二维电动平移台210和相机400的驱动模块中传送。
本发明扫描光场成像系统，还包括：重建模块，用于通过像素重新排列，将扫描光场图像堆栈信息转化为高分辨率相空间信息，并在相空间域上，使用理查德森露西算法将相空间信息恢复为高分辨率三维场景信息。
利用本发明扫描光场成像系统进行采集成像的过程如下：
首先，使用镜头可以是普通宽场荧光显微镜，即普通成像模块100对三维生物样本进行成像。
然后，在成像面放置微透镜阵列220对光路进行调制，同时使用中继成像系统300，匹配微透镜阵列220与相机400参数。使用微透镜阵列220，将宽场采集方式转化为光场采集方式，实现四维相空间的光场获取。
然后，使用二维电动平移台210，对微透镜阵列220进行二维扫描，实现对光路的高分辨率调制。将微透镜阵列220固定在二维电动平移台210上，使用控制系统500控制二维电动平移台210的驱动器，实现对微透镜阵列220的二维扫描，从而得到对光路的高分辨率调制。
然后，使用控制系统500同步触发二维电动平移台210与相机400，在相机400上采集扫描光场图像堆栈。使用控制系统500输出电压，同步触发二维电动平移台210与相机400，保证二维电动平移台210每平移一次之后，相机400开始采集；而在相机400采集过程中，保持二维电动平移台210不发生移动。从而在二维电动平移台210扫描之后，得到扫描光场图像堆栈信息。
然后，将采集到的扫描光场图像堆栈信息转化为四维高分辨相空间信息。将扫描光场图像堆栈中对应于同一空间频率分量的空间像素进行重新排列，转化成高分辨率的四维相空间数据。
最后，在相空间上使用理查德森露西算法进行三维重建，恢复三维场景信息。将高分辨率的四维相空间信息使用迭代的理查德森露西算法进行恢复，得到高分辨率的三维样本或者场景信息。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (4)

1.扫描光场成像系统，其特征在于，包括：
普通成像模块，用于对样本或者场景进行光学成像；
微透镜阵列平移模块，由二维电动平移台和微透镜阵列组成，所述微透镜阵列用于采集不同空间局部位置的不同角度光强分布，将对应于不同角度的信息调制到每个微透镜后对应的不同空间位置，所述二维电动平移台用于带动所述微透镜阵列进行二维平移，以对带有样本信息的光束进行二维扫描；
相机，用于当所述二维电动平移台每平移一次之后采集扫描光场图像，以获得扫描光场图像堆栈信息；
控制系统，用于控制所述二维电动平移台的二维平移，并同步触发所述二维电动平移台与所述相机；微透镜阵列平移模块，微透镜阵列放置在像面附近，同时微透镜阵列与普通成像模块的数值孔径相匹配，微透镜阵列平移模块实现二维扫描，并保证每次扫描的间隔对应于相机的指定像素，扫描范围最大为一个小微透镜大小；
重建模块，用于通过像素重新排列，将扫描光场图像堆栈信息转化为高分辨率相空间信息。
2.根据权利要求1所述的扫描光场成像系统，其特征在于，还包括：中继成像系统，用于继接光路，匹配所述微透镜阵列与所述相机的采样率。
3.根据权利要求2所述的扫描光场成像系统，其特征在于，所述相机为科研型互补金属氧化物半导体晶体管sCMOS、单色传感器、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体晶体管CMOS。
4.根据权利要求3所述的扫描光场成像系统，其特征在于，所述控制系统包括：硬件程序单元、控制器及数据传输线；所述硬件程序单元用于提供所述二维电动平移台在二维扫描时所需的控制电压以及所述相机拍摄时所需的触发脉冲电压，所述控制器将所述硬件程序单元所生成的控制电压通过所述数据传输线向所述二维电动平移台和所述相机的驱动模块中传送。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112415736B (zh) * 2020-11-24 2023-06-06 深圳技术大学 光场光学显微镜及光场光学显微系统
CN113280754A (zh) * 2021-07-22 2021-08-20 清华大学 高精度深度计算装置及方法
CN113487658B (zh) * 2021-08-31 2021-11-16 清华大学 一种用于扫描光场成像系统的动态场景拍摄方法及装置
CN113504547A (zh) * 2021-09-07 2021-10-15 清华大学 基于扫描光场的视觉雷达成像系统和方法
CN115185078A (zh) * 2022-05-30 2022-10-14 元潼(北京)技术有限公司 非相干孔径合成像差校正方法及装置
CN115174789A (zh) * 2022-07-04 2022-10-11 上海乂义实业有限公司 一种基于微动平台的微透镜阵列聚焦型光场相机
CN115278065A (zh) * 2022-07-18 2022-11-01 奕目(上海)科技有限公司 光场成像方法、光场成像系统、光场相机及存储介质
CN116224560A (zh) * 2022-12-30 2023-06-06 浙江荷湖科技有限公司 一种单振镜扫描光场成像系统和方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1137400C (zh) * 2001-08-23 2004-02-04 华中科技大学 快速进行纵深扫描成像方法
EP2955913A1 (en) * 2014-06-10 2015-12-16 Thomson Licensing Hybrid plenoptic camera
CN105093472B (zh) * 2015-08-25 2017-11-28 华为技术有限公司 成像装置和成像方法
CN106707492B (zh) * 2017-01-13 2019-07-26 清华大学 基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统
CN106842529B (zh) * 2017-01-23 2019-03-01 清华大学 快速三维显微成像系统
KR101913654B1 (ko) * 2017-05-30 2018-12-28 학교법인 한동대학교 주밍기구가 포함된 빔 균질기
CN109541791A (zh) * 2019-01-30 2019-03-29 清华大学 基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统及方法

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