CN111189828A - 一种旋转无透镜像素超分辨成像系统及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转无透镜像素超分辨成像系统及其成像方法。本发明利用频域上对角线的长度为边长的
Figure DDA0002366184250000011
倍，从而对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure DDA0002366184250000012
倍，通过样本与面阵探测器发生相对旋转，得到各个角度下的频域图像，对各个角度上的频域图像进行拼接提取融合，在返回空间域，得到像素超分辨图像；本发明系统简洁，制造维护成本低，操作简单；只需要旋转载物台进行多次测量，就可以提高图像分辨率；有利于实现小型化、低成本、便携式显微成像检测系统，有效提高条件受限地区的医疗检测技术水平。

Description

一种旋转无透镜像素超分辨成像系统及其成像方法
技术领域
本发明涉及无透镜显微技术，具体涉及一种旋转无透镜像素超分辨成像系统及其成像方法。
背景技术
无透镜显微术(lens-free microscopy)是一种不需借助透镜进行成像的数字显微技术。它基于Gabor同轴全息原理，利用面阵探测器采集原始全息图，随后通过数字图像处理技术重建样本，从而实现数字显微成像。传统无透镜技术再现结果分辨率受限于光电探测器像素大小，其分辨率与像素大小接近。
如今无透镜显微术已经有很多报道的工作，关注的焦点无外乎如何更快得到分辨率更高图像：在分辨率提高方面，是以亚像素位移为代表的像素超分辨法；在快速处理图像数据方面，当下主要依靠神经网络与机器学习。
在提高分辨率方面，当下的像素超分辨法需要精度较高平移台将样本移动亚像素位移的距离，这会给实验带来较高成本和负担，不便于集成化和商用化。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种旋转无透镜像素超分辨成像系统及其成像方法，本发明基于传统无透镜显微术，通过采集旋转不同角度的样本图像，利用探测器对角线采样率高的特点，获取样本对角线方向上的高频信息，再通过图像处理频率融合算法，最终在各个方向上达像素超分辨水平的无透镜成像结果。
本发明的一个目的在于提出一种旋转无透镜像素超分辨成像系统。
本发明的旋转无透镜像素超分辨成像系统包括：照明光源、滤光片、透镜、光纤、旋转载物台、面阵探测器以及计算机；其中，照明光源发出照明光，照明光为部分相干光；照明光经滤光片滤光，由经透镜汇聚，经光纤传输，遇到样本后，其中一部分发生散射，另一部分直接透射穿过样本继续传播；散射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉，形成原始干涉图像；面阵探测器采集原始干涉图像，传输至计算机进行存储；样本或面阵探测器放置在旋转载物台上，通过旋转载物台控制样本与面阵探测器之间发生相对的旋转；完成一个角度的原始干涉图像采集后，通过旋转载物台旋转到下一个角度再进行原始干涉图像采集，直至采集n次，每次旋转角度为π/2n，n为≥3的自然数；计算机对原始干涉图像进行数字全息重建和旋转配准，获得具有样本平面上的分布情况的各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像；利用傅里叶变换使图像变换到频域，得到各个角度下的频域图像，频域上由于对角线的长度为边长的
Figure BDA0002366184230000021
倍，所以对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure BDA0002366184230000022
倍；将所各个角度下的频域图像上的两个对角线上的高频信息进行提取融合，得到融合后的频域图像，将融合后的频域图像进行傅里叶逆变换，返回空间域，得到一张像素超分辨图像。
照明光源采用LED光源，发出部分相干光。
面阵探测器采用CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)探测器。
本发明的另一个目的在于提出一种旋转无透镜像素超分辨成像方法。
本发明的旋转无透镜像素超分辨成像方法，包括以下步骤：
1)样本或面阵探测器放置在旋转载物台上，面阵探测器采用CCD或CMOS探测器；
2)照明光源发出照明光，照明光为部分相干光；
3)照明光遇到样本后，其中一部分发生散射，另一部分直接透射穿过样本继续传播；
4)散射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉，形成同轴全息图；
5)面阵探测器采集原始干涉图像，传输至计算机进行存储；
6)完成一个角度的原始干涉图像采集后，通过旋转载物台控制样本与面阵探测器之间发生相对的旋转，旋转到下一个角度，重复步骤5)，进行原始干涉图像采集，直至采集n次，得到n张各个角度下的原始干涉图像，每次旋转角度为π/2n，n为≥3的自然数；
7)计算机对各个角度下的原始干涉图像利用快速傅里叶插值算法进行尺寸扩大，得到各个角度下放大的干涉图像；
8)计算机对各个角度下放大的原始干涉图像进行数字全息重建，得到各个角度下的全息重建图像，对各个角度下的全息重建图像进行旋转配准，使得各个角度下的全息重建图像旋转到同一个角度，获得具有样本平面上的分布情况的各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像；
9)对各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像，利用傅里叶变换使图像变换到频域，得到各个角度下的频域图像；由于频域上对角线的长度为边长的
Figure BDA0002366184230000023
倍，所以对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure BDA0002366184230000024
倍；
10)将所得各个角度下的频域图像上的两个对角线上的高频信息进行提取融合，得到融合后的频域图像；
11)将融合后的频域图像进行傅里叶逆变换，返回空间域，得到一张像素超分辨图像。
其中，在步骤2)中，照明光源采用LED光源，发出部分相干光。
在步骤7)中，利用快速傅里叶插值算法进行尺寸扩大采用：对原始干涉图像的频域外部进行补零操作，使频域扩大范围为2～3倍。
由于CCD和CMOS探测器的像素排列方向均为水平或竖直，因此这两个方向上的采样间隔与对角线方向不同。据计算，对角线上的等效采样间隔是竖直和水平方向上
Figure BDA0002366184230000031
倍，即采样率提高
Figure BDA0002366184230000032
倍。经实验证明，在单张传统无透镜显微镜图像对角线方向上，一小角度内的分辨率要高于竖直或水平方向，即对角线上等效采样间隔更小。根据奈奎斯特采样定律，如果利用对角线等效采样率更高的思路，多次旋转样本，采集样本图像，提取出所有采样中对角线上高频信息，并在频域进行融合，则最终获得的样本图像分辨率高于传统无透镜显微术。
本发明的优点：
本发明利用频域上对角线的长度为边长的
Figure BDA0002366184230000033
倍，从而对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure BDA0002366184230000034
倍，通过样本与面阵探测器发生相对旋转，得到各个角度下的频域图像，对各个角度上的频域图像进行拼接提取融合，在返回空间域，得到像素超分辨图像；本发明系统简洁，制造维护成本低，操作简单；只需要旋转载物台进行多次测量，就可以提高图像分辨率；有利于实现小型化、低成本、便携式显微成像检测系统，有效提高条件受限地区的医疗检测技术水平。
附图说明
图1为本发明的旋转无透镜像素超分辨成像系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的旋转无透镜像素超分辨成像系统的一个实施例的显微镜模拟结果图，其中，(a)为模拟的样本图像，(b)为(a)的空间频域图像，(c)为具有不同方向的模拟的全息重建图像，(c1)、(c2)、(c3)和(c4)的旋转角度分别是0度、-60度、60度和45度，(e)为两个方向图像(c1)和(c4)的空间频率的融合结果，(d)为(e)的空间域图像，(g)为三个方向图像(c1)、(c2)和(c3)的空间频率的融合结果，(f)为(g)的空间域图像，在(d)和(f)中标记的短线用于指示解析三个同心圆的方向；
图3为本发明的旋转无透镜像素超分辨成像系统的一个实施例的对分辨率板的成像结果图，其中，(a)和(b)分别为样本在水平和对角方向上的全息重建图像，(c)和(d)分别为全息重建图像(a)和(b)的频率域，在(d)中标记的虚线矩形表示(c)中的有效频率边界，在(d)中右下角小图是保留虚线矩形内的(d)的频率，虚线矩形表示(c)中的有效频率边界，(e)和(f)分别为在(a)和(b)中标记的线轮廓(组8的元素3)，(f)中曲线为(d)中的插图的空域图像的强度曲线，位置与线1’相同，箭头指示样品的摆放方向；
图4为本发明的旋转无透镜像素超分辨成像系统的一个实施例的对生物样本的成像结果图，其中，(a)为血涂片的旋转无透镜像素超分辨成像图像，(b)为在(a)中标记的区域的放大视图，(c1)～(c3)分别为不同角度的传统无透镜成像，(c4)为在(b)中标记的区域的放大视图，(d)为在与(c)同一区域的明场显微成像图像，(e)为在(c1)～(c4)中，标记在(c4)中位置的强度曲线；
图5为本发明的旋转无透镜像素超分辨成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的旋转无透镜像素超分辨成像系统包括：照明光源1、滤光片2、透镜3、光纤4、旋转载物台、面阵探测器以及计算机；其中，照明光源发出照明光，照明光为部分相干光；照明光经滤光片2滤光由经透镜3汇聚经光纤4遇到样本0后，其中一部分发生散射，另一部分直接透射穿过样本继续传播；散射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉；面阵探测器采集原始干涉图像，传输至计算机进行存储；样本放置在样品载物台5上，面阵探测器6放置在旋转载物台7上，通过旋转载物台控制样本与面阵探测器之间发生相对的旋转。
在本实施例中，照明光源1采用发光二极管；面阵探测器采用CMOS。
本实施例的旋转无透镜像素超分辨成像方法，如图5所示，包括以下步骤：
1)面阵探测器放置在旋转载物台上，面阵探测器采用CCD探测器；
2)照明光源采用LED光源发出部分相干光；
3)照明光遇到样本后，其中一部分发生散射，另一部分直接透射穿过样本继续传播；
4)散射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉，形成同轴全息图；
5)面阵探测器采集原始干涉图像，传输至计算机进行存储；
6)完成一个角度的原始干涉图像采集后，通过旋转载物台控制样本与面阵探测器之间发生相对的旋转，旋转到下一个角度，重复步骤5)，进行原始干涉图像采集，直至采集n次，得到各个角度下的原始干涉图像，每次旋转角度为π/2n，n为≥3的自然数；
7)计算机对各个角度下的原始干涉图像利用快速傅里叶插值算法，对原始干涉图像的频域外部进行补零操作，进行尺寸扩大使频域扩大范围为2倍，得到各个角度下的放大的干涉图像；
8)计算机对各个角度下放大的原始干涉图像进行数字全息重建，得到各个角度下的全息重建图像，对各个角度下的全息重建图像进行旋转配准，使得各个角度下的全息重建图像旋转到同一个角度，获得具有样本平面上的分布情况的各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像；
9)对各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像，利用傅里叶变换使图像变换到频域，得到各个角度下的频域图像；由于频域上对角线的长度为边长的
Figure BDA0002366184230000051
倍，所以对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure BDA0002366184230000052
倍；
10)将所得各个角度下的频域图像上的两个对角线上的高频信息进行提取融合，得到融合后的频域图像；
11)将融合后的频域图像进行傅里叶逆变换，返回空间域，得到一张像素超分辨图像。
对于单张无透镜图像，在其对角线方向小角度范围内的分辨率都高于图像竖直和水平方向。样本在旋转了多个角度被采集的过程中，获取了这些角度下对角线上相应的高频信息。通过后期频率融合技术处理，将这些高频信息融合在一起，从而得到一张各个方向上都有分辨率提升的超分辨无透镜显微成像。
为说明本发明的旋转无透镜像素超分辨成像系统的超分辨成像效果，首先进行了模拟实验。如图2(a)所示，实验中样本为三个同心圆，每个线宽1.55μm，线中心之间的距离为3.1μm。按照传统无透镜显微成像原理，利用像素大小为2.2μm的探测器，无法对这三个同心圆进行分辨。在不同角度的单张无透镜成像结果中，可以看出在对角线上可以对三个同心圆进行分辨，而在横竖两个方向上不能分辨。这是由于对角线方向上的采样率更高，因此无透镜显微成像的分辨率也会更高。之后验证了，将两个方向和三个方向的无透镜显微成像结果进行平移融合的实验。结果显示使用三个方向的原始图像的融合，能够在各个方向上分辨出三个同心圆。该实验也证明了，理论上旋转无透镜显微成像技术，能够实现各个角度上分辨率均一的超分辨成像，如图2所示。
之后进行了实验当中对USAF1951分辨率板成像的实验，如图3所示，首先可以看到在正置的样本结果中，分辨率达到2μm，而在样本摆放角度为45°的情况下，分辨率可以达到1.5μm左右，实现了1.4倍左右的分辨率提升。从频率当中也可以看出，摆放角度为45°时，频域的长度更长。如果将这一部分频率进行截断，那么原图中最高分辨率的画线将不能被分辨，且分布与正置图像几乎相同。这从实验上证明了旋转无透镜像素超分辨成像系统的理论基础。
最后在实验中利用最后在实验中利用旋转无透镜显微成像技术对人血涂片进行成像。如图4所示，从第1张结果可以看出，在一次成像的条件下，可以对2.8mm×2.8mm区域内的样本进行成像。从C4当中可以看出，划线处的人血细胞可以看到一个明显的环形结构，这与明场显微镜下的结果一致，但在单方向的无透镜显为结果当中，该血红细胞是无法被分辨的，通过测量可以了解该血红细胞的内径大小为3.3μm，根据传统无透镜理论，无法利用2.2μm像素的探测器记录下这个大小的环形结构。该实验证明了旋转无透镜显微技术的更高分辨率，以及实际应用当中的可行性。对人血涂片进行成像。从第1张结果可以看出，在一次成像的条件下，能够对2.8mm×2.8mm区域内的样本进行成像。从C4当中可以看出，划线处的人血细胞可以看到一个明显的环形结构，这与明场显微镜下的结果一致，但在单方向的无透镜显为结果当中，该血红细胞是无法被分辨的，通过测量可以了解该血红细胞的内径大小为3.3μm，根据传统无透镜理论，无法利用2.2μm像素的探测器记录下这个大小的环形结构。该实验证明了旋转无透镜显微技术的更高分辨率，以及实际应用当中的可行性。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种旋转无透镜像素超分辨成像方法，其特征在于，所述旋转无透镜像素超分辨成像方法包括以下步骤：
1)样本或面阵探测器放置在旋转载物台上，面阵探测器采用CCD或CMOS探测器；
2)照明光源发出照明光，照明光为部分相干光；
3)照明光遇到样本后，其中一部分发生散射，另一部分直接透射穿过样本继续传播；
4)散射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉，形成同轴全息图；
5)面阵探测器采集原始干涉图像，传输至计算机进行存储；
6)完成一个角度的原始干涉图像采集后，通过旋转载物台控制样本与面阵探测器之间发生相对的旋转，旋转到下一个角度，重复步骤5)，进行原始干涉图像采集，直至采集n次，得到n张各个角度下的原始干涉图像，每次旋转角度为π/2n，n为≥3的自然数；
7)计算机对各个角度下的原始干涉图像利用快速傅里叶插值算法进行尺寸扩大，得到各个角度下放大的干涉图像；
8)计算机对各个角度下放大的原始干涉图像进行数字全息重建，得到各个角度下的全息重建图像，对各个角度下的全息重建图像进行旋转配准，使得各个角度下的全息重建图像旋转到同一个角度，获得具有样本平面上的分布情况的各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像；
9)对各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像，利用傅里叶变换使图像变换到频域，得到各个角度下的频域图像；由于频域上对角线的长度为边长的
Figure FDA0002366184220000011
倍，所以对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure FDA0002366184220000012
倍；
10)将所得各个角度下的频域图像上的两个对角线上的高频信息进行提取融合，得到融合后的频域图像；
11)将融合后的频域图像进行傅里叶逆变换，返回空间域，得到一张像素超分辨图像。
2.如权利要求1所述的旋转无透镜像素超分辨成像方法，其特征在于，在步骤2)中，照明光源采用LED光源，发出部分相干光。
3.如权利要求1所述的旋转无透镜像素超分辨成像方法，其特征在于，在步骤7)中，利用快速傅里叶插值算法进行尺寸扩大采用：对原始干涉图像的频域外部进行补零操作，使频域扩大范围为2～3倍。
4.一种旋转无透镜像素超分辨成像系统，其特征在于，所述旋转无透镜像素超分辨成像系统包括：照明光源、滤光片、透镜、光纤、旋转载物台、面阵探测器以及计算机；其中，照明光源发出照明光，照明光为部分相干光；照明光经滤光片滤光，由经透镜汇聚，经光纤传输，遇到样本后，其中一部分发生散射，另一部分直接透射穿过样本继续传播；散射光和透射光在面阵探测器接收面上发生干涉，形成原始干涉图像；面阵探测器采集原始干涉图像，传输至计算机进行存储；样本或面阵探测器放置在旋转载物台上，通过旋转载物台控制样本与面阵探测器之间发生相对的旋转；完成一个角度的原始干涉图像采集后，通过旋转载物台旋转到下一个角度再进行原始干涉图像采集，直至采集n次，每次旋转角度为π/2n，n为≥3的自然数；计算机对原始干涉图像进行数字全息重建和旋转配准，获得具有样本平面上的分布情况的各个角度下的旋转配准后的全息重建样本图像；利用傅里叶变换使图像变换到频域，得到各个角度下的频域图像，频域上由于对角线的长度为边长的
Figure FDA0002366184220000021
倍，所以对角线上空间频域的信息就是水平和垂直方向上信息的
Figure FDA0002366184220000022
倍；将所各个角度下的频域图像上的两个对角线上的高频信息进行提取融合，得到融合后的频域图像，将融合后的频域图像进行傅里叶逆变换，返回空间域，得到一张像素超分辨图像。
5.如权利要求4所述的旋转无透镜像素超分辨成像系统，其特征在于，所述照明光源采用LED光源，发出部分相干光。
6.如权利要求4所述的旋转无透镜像素超分辨成像系统，其特征在于，所述面阵探测器采用CCD或CMOS探测器。
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