CN117607105A - 一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置及方法。本发明装置包括：荧光激发光源、编码孔径板、荧光样本、高性能滤光片和图像传感器，荧光激发光源的下方设置荧光样本，荧光样本的下方设置编码孔径板，编码孔径板的下方设置高性能滤光片，高性能滤光片的下方设置图像传感器。本发明方法包括：调整好荧光激发光源的位置，使得荧光激发光源的照射范围完整覆盖荧光样本；打开荧光激发光源照射荧光样本，荧光激发光源和背景杂光被高性能滤光片吸收，荧光样本的发射光源经过编码孔径板后，图像传感器采集到一张编码图像；利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像。本发明装置具有便携化，成本低，操作简单等优点。

Description

一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置及方法

技术领域

本发明涉及荧光显微成像技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置及方法。

背景技术

荧光显微成像是物理、化学和生物等自然科学领域用于观察微观物体的重要手段。传统的荧光显微镜架构中，复杂的光学系统使得荧光显微镜变得日趋昂贵、笨重、复杂，极大地限制了在一些外场和极端环境下的推广和应用，因此，研制小型化、便携化的荧光显微成像装置具有重要的实际应用意义。

无透镜荧光显微成像技术是一个便携化光学检测装置的主要方法之一，它是一种无需光学镜头，利用图像传感器直接与样本紧密接触进行成像的技术，具有体积小、成本低、质量轻和高便携性等优点。现有的技术中，公开号为CN11917964B中公开了一种无透镜荧光显微成像装置，包括单色激发光源、可移动散射片、荧光样本层、高性能滤光片和图像传感器。可移动散射片选用磨砂毛玻璃，可移动散射片的一端固定在二维位移台上，二维位移台以回字形带动可移动散射片对荧光样本进行扫描，整个扫描次数需要40x40次，每次扫描后图像传感器都需要记录一副样本图像，最后对所有图像进行重构，实现了较好的重构结果。上述装置需多次扫描才能实现较好的结果，操作复杂，并且在扫描中的振动也会对图像质量产生影响。

为实现无透镜荧光成像，样本与图像传感器之间需要放置具有一定厚度的滤光片以滤除激发光和背景光，此时无透镜荧光显微成像的采集图像存在较大的离焦，从而造成图像空间分辨率较低，难以达到传统荧光显微镜的分辨率和成像质量。

发明内容

根据上述提出无透镜荧光显微成像技术的不足，提供一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像方法。本发明可以从单张采集图像重建出高分辨率图像，因此具有便携化，成本低，操作简单等优点。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，包括：荧光激发光源、编码孔径板、荧光样本、高性能滤光片和图像传感器，其中：

荧光激发光源的下方设置有荧光样本，荧光样本的下方设置有编码孔径板，编码孔径板的下方设置有高性能滤光片，高性能滤光片的下方设置有图像传感器。

进一步地，所述荧光激发光源采用单色LED光源、激光光源或采用滤光处理后的连续光谱光源，所述荧光激发光源的波长与荧光样本的激发波长相一致，均匀的照射观测样本，激发荧光样本的荧光。

进一步地，所述编码孔径板为振幅型、相位型或者两者混合型光场调制元件，所述编码孔径板设置在荧光样本和图像传感器之间，用于对荧光样本进行调制。

进一步地，所述荧光样本为切片或其他类型的薄荧光样本，荧光样本与编码孔径板之间的距离限制在0.5mm-5mm。

进一步地，所述高性能滤光片为组合式透射滤光片，由干涉滤光片和吸收滤光片结合，利用干涉滤光片的高消光比特性滤除大部分背景光，利用吸收滤光片对残余的散射光进行滤除。

进一步地，所述高性能滤光片匹配荧光激发光源和荧光样本，用于滤除荧光激发光源所发射的单色光，同时保证荧光样本的荧光的透过率。

进一步地，所述高性能滤光片紧贴编码孔径板，紧贴方式包括：

将编码孔径板直接放置于高性能滤光片上部，或者通过光纤面板进行中继，即在光纤面板上方放置编码孔径板，在光纤面板的下方放置高性能滤光片。

进一步地，所述图像传感器为二维像素化图像传感器，包括CCD、CMOS图像传感器。当没有光纤面板时，图像传感器到编码孔径板的距离限制在0.5mm-5mm，当有光纤面板，图像传感器到编码孔径板的距离在0.5mm-5mm的基础上，再加上光纤面板的厚度。

本发明还提供了一种基于所述基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置的无透镜荧光显微成像方法，包括：

调整好荧光激发光源的位置，使得荧光激发光源的照射范围完整覆盖荧光样本；

打开荧光激发光源照射荧光样本，荧光激发光源和背景杂光被高性能滤光片吸收，荧光样本的发射光源经过编码孔径板后，图像传感器采集到一张编码图像；

利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像。

进一步地，所述利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像，具体包括：

令编码孔径板在图像传感器面上所产生的点扩散函数为h(r)，点扩散函数由编码孔径板确定，根据编码孔径成像原理，图像传感器记录的图像I(r)表示为：

式中，O(r)为观测样本光强，为卷积；

根据图像传感器记录的图像I(r)的公式，目标O(r)被编码点扩散函数h(r)编码于单张图像I(r)中，采用基于压缩感知的图像重构算法，基于压缩感知原理，将重建图像转换成最小化目标函数，如下：

式中，Φ(O)为稀疏表征函数。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，可以从单张采集图像重建出高分辨率图像，因此具有便携化，成本低，操作简单等优点，适用于现场化检测环境进行使用。

基于上述理由本发明可在荧光显微成像等领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置示意图。

图2为本发明高性能滤光片结构示意图。

图3为本发明实施例提供的菲涅尔波带片示意图。

图4为本发明实施例提供的编码图像。

图5为本发明实施例提供的重建图像。

图中：1、荧光激发光源；2、编码孔径板；3、荧光样本；4、高性能滤光片；4-1、干涉滤光片；4-2、吸收滤光片；5、图像传感器；6、光纤面板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，包括：荧光激发光源1、编码孔径板2、荧光样本3、高性能滤光片4和图像传感器5，其中：

荧光激发光源1的下方设置有荧光样本3，荧光样本3的下方设置有编码孔径板2，编码孔径板2的下方设置有高性能滤光片4，高性能滤光片4的下方设置有图像传感器。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述荧光激发光源1采用单色LED光源、激光光源或采用滤光处理后的连续光谱光源，所述荧光激发光源1的波长与荧光样本3的激发波长相一致，均匀的照射观测样本，激发荧光样本3的荧光。在本实施例中，使用的光源为蓝光LED光源作为激发光照射荧光样本使其产生荧光，其中心波长为480nm。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述编码孔径板2为振幅型、相位型或者两者混合型光场调制元件，所述编码孔径板2设置在荧光样本3和图像传感器5之间，用于对荧光样本3进行调制。在本实施例中，使用的编码孔径板2为菲涅尔编码板。菲涅尔编码板由N个同心圆组成，各圆的半径为其中r₁为最内圈圆的半径。相邻的两个圆之间构成了一个圆环，第n圈圆环的宽度为/>菲涅尔编码板的最内圈圆为通光区域，从中心向外的各个圆环依次为不通光区域和通光区域，其图案如图3所示。本实施例中，菲涅尔圆环N＝121，中心圆半径r₁为0.25mm，最外圈编码板半径为2.75mm。本实施例中的编码孔径板2是通过光刻工艺在玻璃上刻蚀形成。编码孔径板2放置在荧光样本3层下方3mm的位置。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述荧光样本3为切片或其他类型的薄荧光样本，荧光样本3与编码孔径板2之间的距离限制在0.5mm-5mm。在本实施例中，观察的样本为荧光微球样本(微球样本直径为50um)，其激发波长为480nm，荧光发射波长为518nm。为了便于观察，将其放置于微流控芯片内(芯片中留有管道和通道)。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述高性能滤光片4为组合式透射滤光片，由干涉滤光片4-1和吸收滤光片4-2结合，利用干涉滤光片的高消光比特性滤除大部分背景光，利用吸收滤光片对残余的散射光进行滤除。所述高性能滤光片4匹配荧光激发光源1和荧光样本3，用于滤除荧光激发光源1所发射的单色光，同时保证荧光样本3的荧光的透过率。所述高性能滤光片4紧贴编码孔径板2，紧贴方式包括：

将编码孔径板2直接放置于高性能滤光片4上部，或者通过光纤面板6进行中继，即在光纤面板6上方放置编码孔径板2，在光纤面板6的下方放置高性能滤光片4。在本实施例中，使用的高性能滤光片4为自制荧光滤光片，该滤光片结构如图2所示，制作过程如下：

首先，选配光纤面板6，其单根芯径为5um，面板尺寸与图像传感器6表面相通；然后，根据荧光样本3的激光光波长和荧光波长在光纤面板6的上表面进行镀膜，从而形成干涉滤光片4-1，该滤光片能够将500nm以下波长光进行滤除，同时510以上波长具有较好的通过率；接下来，将黄色染料掺杂到光学胶中制作了吸收滤光片4-2，通过旋涂工艺，将吸收滤光片4-2厚度控制在100um，通过环氧树脂将吸收滤光片4-2粘接在光纤面板6下方；最后，将整个荧光发射滤光片通过环氧树脂粘贴在图像传感器6表面上。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述图像传感器5为二维像素化图像传感器，包括CCD、CMOS图像传感器；当没有光纤面板6时，图像传感器5到编码孔径板2的距离限制在0.5mm-5mm，当有光纤面板6，图像传感器5到编码孔径板2的距离在0.5mm-5mm的基础上，再加上光纤面板6的厚度。在本实施例中，使用的图像传感器5为CMOS图像传感器，像素大小为5.5um，传感器像素数为2048×2048。图像传感器5与编码孔径板2的距离设置为3mm。

本发明实施例还提供了一种基于上述基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置的无透镜荧光显微成像方法，包括：

调整好荧光激发光源1的位置，使得荧光激发光源1的照射范围完整覆盖荧光样本3；打开荧光激发光源1照射荧光样本3，荧光激发光源1和背景杂光被高性能滤光片4吸收，荧光样本3的发射光源经过编码孔径板2后，图像传感器5采集到一张编码图像；利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像。如图4所示，为利用所发明的无透镜荧光显微成像系统所采集图像的一张编码图像，图5为利用本发明的无透镜荧光显微成像的重构算法进行图像重建后的高分辨图像。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像，具体包括：

令编码孔径板在图像传感器面上所产生的点扩散函数为h(r)，点扩散函数由编码孔径板确定，常见的编码孔径板形式包括MURA可分离编码板，轮廓编码板，菲涅尔编码板等。根据编码孔径成像原理，图像传感器记录的图像I(r)表示为：

式中，O(r)为观测样本光强，为卷积；

根据图像传感器记录的图像I(r)的公式，目标O(r)被编码点扩散函数h(r)编码于单张图像I(r)中，采用基于压缩感知的图像重构算法，基于压缩感知原理，将重建图像转换成最小化目标函数，如下：

式中，Φ(O)为稀疏表征函数，常用的稀疏表征函数有小波函数、全变分函数等。求解式(2)可以采用压缩感知重建算法，包括但不限于两步迭代收缩阈值法(TwIST)、交替方向乘子法(ADMM)，以及FISTA法等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，包括：荧光激发光源(1)、编码孔径板(2)、荧光样本(3)、高性能滤光片(4)和图像传感器(5)，其中：

荧光激发光源(1)的下方设置有荧光样本(3)，荧光样本(3)的下方设置有编码孔径板(2)，编码孔径板(2)的下方设置有高性能滤光片(4)，高性能滤光片(4)的下方设置有图像传感器。

2.根据权利要求1所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述荧光激发光源(1)采用单色LED光源、激光光源或采用滤光处理后的连续光谱光源，所述荧光激发光源(1)的波长与荧光样本(3)的激发波长相一致，均匀的照射观测样本，激发荧光样本(3)的荧光。

3.根据权利要求1所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述编码孔径板(2)为振幅型、相位型或者两者混合型光场调制元件，所述编码孔径板(2)设置在荧光样本(3)和图像传感器(5)之间，用于对荧光样本(3)进行调制。

4.根据权利要求1所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述荧光样本(3)为切片或其他类型的薄荧光样本，荧光样本(3)与编码孔径板(2)之间的距离限制在0.5mm-5mm。

5.根据权利要求1所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述高性能滤光片(4)为组合式透射滤光片，由干涉滤光片(4-1)和吸收滤光片(4-2)结合，利用干涉滤光片的高消光比特性滤除大部分背景光，利用吸收滤光片对残余的散射光进行滤除。

6.根据权利要求5所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述高性能滤光片(4)匹配荧光激发光源(1)和荧光样本(3)，用于滤除荧光激发光源(1)所发射的单色光，同时保证荧光样本(3)的荧光的透过率。

7.根据权利要求5所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述高性能滤光片(4)紧贴编码孔径板(2)，紧贴方式包括：

将编码孔径板(2)直接放置于高性能滤光片(4)上部，或者通过光纤面板(6)进行中继，即在光纤面板(6)上方放置编码孔径板(2)，在光纤面板(6)的下方放置高性能滤光片(4)。

8.根据权利要求1所述的基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置，其特征在于，所述图像传感器(5)为二维像素化图像传感器，包括CCD、CMOS图像传感器；当没有光纤面板(6)时，图像传感器(5)到编码孔径板(2)的距离限制在0.5mm-5mm，当有光纤面板(6)，图像传感器(5)到编码孔径板(2)的距离在0.5mm-5mm的基础上，再加上光纤面板(6)的厚度。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项权利要求所述基于编码孔径的无透镜荧光显微成像装置的无透镜荧光显微成像方法，其特征在于，包括：

调整好荧光激发光源(1)的位置，使得荧光激发光源(1)的照射范围完整覆盖荧光样本(3)；

打开荧光激发光源(1)照射荧光样本(3)，荧光激发光源(1)和背景杂光被高性能滤光片(4)吸收，荧光样本(3)的发射光源经过编码孔径板(2)后，图像传感器(5)采集到一张编码图像；

利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像。

10.根据权利要求9所述的无透镜荧光显微成像方法，其特征在于，所述利用压缩感知重建算法对编码图像进行处理，重建得到荧光样本图像，具体包括：

令编码孔径板在图像传感器面上所产生的点扩散函数为h(r)，点扩散函数由编码孔径板确定，根据编码孔径成像原理，图像传感器记录的图像I(r)表示为：

式中，O(r)为观测样本光强，为卷积；

根据图像传感器记录的图像I(r)的公式，目标O(r)被编码点扩散函数h(r)编码于单张图像I(r)中，采用基于压缩感知的图像重构算法，基于压缩感知原理，将重建图像转换成最小化目标函数，如下：

式中，Φ(O)为稀疏表征函数。