CN208766383U - 一种多角度照明光源及基于此光源的傅立叶层叠成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多角度照明光源，包括LED或激光器，扫描振镜或微电机振镜，扫描透镜和聚光镜；其中，LED或激光器产生的光束被扫描振镜或微电机振镜发射到扫描透镜，光束经过扫描透镜汇聚到聚光镜的后焦面，再经聚光镜变为平行光，通过调整振镜角度能够改变平行光传播方向或角度。本实用新型还提供一种基于所述多角度照明光源的傅立叶层叠成像系统，包括物镜、管镜和图像传感器，物镜置于待成像物体与管镜之间，管镜位于物镜与图像传感器之间；所述傅立叶层叠成像系统还包括所述的多角度照明光源，待成像物体被置于多角度照明光源与物镜之间。

Description

一种多角度照明光源及基于此光源的傅立叶层叠成像系统

技术领域

本实用新型涉及基于傅立叶叠层成像的显微成像系统领域，具体涉及一种多角度照明光源及基于此光源的傅立叶层叠成像系统。

背景技术

以往传统的显微成像系统中，必须以牺牲分辨率来增大视场范围。因为光学系统的像差，很难同时做到高分辨率和大视场。简言之，在低倍显微物镜下可以看到被检物体的全貌，但是分辨率很低。换成高倍物镜时，分辨率提高但是就只能看到被检物体的很小一部份。为解决视场和分辨率之间这一矛盾，常规显微镜系统主要采用高倍物镜和精密扫描电动平台实现大范围空域扫描。这一系统每次采集一副高分辨，小视场的图像，然后扫描平台把物体移动到另一地方接着采图。最后通过软件将比较小的连续视野区域的图像进行图像拼接融合。该方法需要精密的机械扫描部件，所以必须依赖高度复杂的全电动平台显微镜，这也是全片显微系统价格日趋昂贵的主要因素之一。另一方面，定量相位成像由于能够提供由样品物理特性，已成为目前一种广为应用的无标记显微成像方法。定量相位成像一般基于数字全息的干涉成像。因为干涉装置复杂，测量要求高，振动引入的噪声以及散斑噪声极大影响了成像质量。该方法虽然能够实现无标记定量相位测量，但因为受到显微物镜的限制，不能同时获得大视场高分辨率的显微成像结果。综上所述，同时实现大视场、高分辨率、定量相位测量是光学显微技术的一项发展目标，而采用常规的光学显微系统难以应对这一要求。

通信和信号处理理论，尤其是以合成孔径雷达为代表的微波成像技术的迅速发展，有力地促成了现代光学的一个重要分支傅立叶光学的诞生。傅立叶光学是将电信理论及雷达系统中广泛使用的傅立叶分析方法移植到光学领域而形成的新学科。在一个传统的傅立叶叠层成像的系统中，样品被不同角度的平面波照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像。由于二维的薄物体被来自不同角度的平面波照射，所以在物镜后焦面上的物体的频谱被平移到对应的不同位置。因此，一些本来超出物镜数值孔径的频率成分被平移到物镜数值孔径以内从而能够传递到成像面进行成像。反过来看，不同角度的入射光可等效为在频谱上不同位置的交叠的光瞳函数(子孔径)，每次通过不同位置子孔径的频谱在频域上形成叠层。

重构过程如图1所示。其中，图1(a)是系统组成的示意图。重构过程的基本原理：首先根据采到的低分辨图像产生一个初始解。该初始解可以把所有低分辨的图加起来而相位取任意常数。接着利用相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域和空间域迭代。在频域里更新对应的子孔径里的频谱信息，在空间域里把图像的强度信息替换为采到图的强度而相位保留不变。在这一过程中，子孔径与子孔径交叠着扩展了频域带宽并恢复出超过物镜空间分辨率限制的高频信息从而得到大的合成孔径。最终这一过程可以同时重构出物体的大视场高分辨率光强和相位图像(相位恢复)。这样就实现了使用一个低数值孔径、低放大率的物镜同时获得大视场和高分辨率的成像结果，最终重构的分辨率取决于频域中合成数值孔径的大小。图中的LED阵列中每次有一支LED被点亮从而以一定的入射角对样品进行照明。对于每一个照明角度，系统会采集一副样品的低分辨率图像，然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一副高分辨率图像。

如图1(b)所示，重构过程的具体操作步骤如下：第一步，产生初始解；第二步，初始解傅立叶变换后通过低通滤波产生低分辨率图像；第三步，用实验采集到的强度图片替换地分辨图像的强度的信息，相位保持布不变然后更新傅立叶域的相关对应区域；第四步，对不同的照射角度重复二和三；第五部，重复二到四直到收敛。

图2展示的是傅立叶叠层成像对染色细胞切片样品的重构结果。图2(a)是全视场低分辨率原始图像，图2(b)、(c1)、(d)、(e)分别是傅立叶叠层成像对不同区域的重构结果图，图2(c2)是使用20倍物镜拍摄到的原始图像，图2(c3)是低分辨率图像直接插值放大的效果图。从图2中可以看出，使用0.08数值孔径2倍放大率的显微物镜，通过傅立叶叠层成像实现了等效合成孔径为0.5的分辨率，重构分辨率甚至超过了20倍放大率0.4数值孔径的显微物镜的分辨率，而其视场更是远大于20倍物镜拍摄到的视场。

现有傅立叶叠层成像的系统采用可编程的LED阵列作为多角度照明光源，存在以下缺陷：1、光源亮度不足。LED阵列改变入射角的方法是每次由位于阵列不同位置的一支LED被点亮来实现。这就意味着为了得到最优的照射效果则整个阵列都必须采用高亮度的LED，阵列越大，成本越高。考虑到客户的经济承受能力，很多厂商不得不使用亮度不足的LED来组阵，从而降低成像的图像质量。2、照明角度受限制。当LED与待成像物体间的距离一定时，阵列中的每支LED对待成像物体照射的入射角也随之固定，光源对待成像物体的照射就只有有限的几个入射角度可供用户选择，而无法任意调整。

实用新型内容

本实用新型提供一种傅立叶层叠成像系统用多角度照明光源及相应成像系统方案，可以在满足一定光源亮度的条件下显著降低成本，并且实现对光源照射角度的任意调整。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本实用新型提供一种多角度照明光源，包括LED或激光器，扫描振镜或微电机振镜，扫描透镜和聚光镜；其中，LED或激光器产生的光束被扫描振镜或微电机振镜发射到扫描透镜，光束经过扫描透镜汇聚到聚光镜的后焦面，再经聚光镜变为平行光，通过调整振镜角度能够改变平行光传播方向或角度。

优选的，所述LED为单支高亮度LED。

一种基于多角度照明光源的傅立叶层叠成像系统，包括物镜、管镜和图像传感器，物镜置于待成像物体与管镜之间，管镜位于物镜与图像传感器之间；所述傅立叶层叠成像系统还包括所述的多角度照明光源，待成像物体被置于多角度照明光源与物镜之间。

优选的，在成像过程中，计算机对振镜发送指令让其调整到一定的角度，光束以一定的角度照射到待成像物体上，图像传感器将采集一幅照片；计算机接着改变振镜角度重复这一过程直至采集的图像能覆盖傅立叶频域。

优选的，所述图像传感器是CCD或CMOS图像传感器。

本实用新型的有益效果在于：相比迫于成本的限制采用亮度不足的LED组阵的中低端LED阵列产品，本实用新型的照明光源只需一支高亮度LED或者激光器，其光亮度是由这一支高亮度LED决定，从而提供了一种光束亮度更高的多角度照明光源设计方案。充足的光源亮度可以显著缩短图像曝光时间，在更短时间内完成图像采集，提高用户的工作效率。由于振镜价格便宜，相比采用多支LED尤其是高亮度LED组阵的高端LED阵列产品，本实用新型的照明光源具有明显的成本或价格优势。本实用新型多角度照明光源通过控制振镜能够实现照明角度的任意调整，克服了LED阵列光源照明角度受限制的缺陷。在本实用新型多角度照明光源的支持下，本实用新型的光学成像系统价格更低，适用面更广，加之在亮度、曝光时间和照射角度控制方面的优势，系统性价比优于现有技术及其产品。

附图说明

图1介绍现有的傅立叶层叠成像系统，(a)是一种傅立叶层叠成像系统架构图，图中的LED阵列中每次有一个LED被点亮从而以一定的入射角对样品进行照明，(b)是图像重构过程；

图2展示图1系统傅立叶叠层成像对染色细胞切片样品的重构结果，(a)为全视场低分辨率原始图像，(b)、(c1)、(d)、(e)分别是傅立叶叠层成像对不同区域的重构结果图，(c2)为使用20倍物镜拍摄到的原始图像，(c3)为低分辨率图像直接插值放大的效果图；

图3是本实用新型的多角度照明光源组成框图；

图4是本实用新型的基于多角度照明的傅立叶层叠成像系统组成框图。

附图标记说明：1LED或者激光器，2振镜，3扫描透镜，4聚光镜，5待成像物体， 6物镜，7管镜，8图像传感器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。尽管本实用新型的较佳实施方案已公开如下，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

图3是本实施例的一种多角度照明光源组成框图。LED或激光器1产生的光束被扫描振镜或微电机振镜2发射到扫描透镜3。该光束经过扫描透镜3汇聚到聚光镜4的后焦面，再经过聚光镜4变为平行光用于照射在物体上。通过计算机对振镜2发送指令让其调整到某一角度，平行光的传播方向或对物体的入射角度将被调制，从而可以产生不同入射角度的光束。

图4是基于本实用新型多角度照明光源的一种傅立叶层叠成像系统架构。由图3所示的多角度照明光源发出的平行光束照射待成像物体5后穿过物镜6和管镜7，在CCD或CMOS图像传感器8处完成光电转换，产生的数字图像信号由CCD或CMOS图像传感器8 采集并缓存即可输出至信号处理器进行图像的傅立叶域合成，得到高分辨率图像。

在成像过程中，计算机对振镜2发送指令让其调整到一定的角度，光束将以一定的角度照射到待成像物体5上，图像传感器8采集一幅照片。计算机接着改变振镜2角度重复这一过程直至所采集的图像能覆盖傅立叶频域。对于每一个入射光的角度，系统都采集一副低分辨率的图像；然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一副高分辨率图像。基于振镜2的多角度照明光源在计算机控制下，其照明角度能够任意调整从而能对低频图像实现更多的频域重叠。

对比用LED阵列，本实用新型的照明光路可以只使用一支高亮度LED或者激光器，光亮度是由一支高亮度LED决定，成像速度更快，系统鲁棒性更高，价格更便宜，效率远高于现有的LED阵列系统。

Claims (5)

1.一种多角度照明光源，其特征在于：包括LED或激光器(1)，振镜(2)，扫描透镜(3)和聚光镜(4)；其中，LED或激光器(1)产生的光束被振镜(2)发射到扫描透镜(3)，光束经过扫描透镜(3)汇聚到聚光镜(4)的后焦面，再经聚光镜(4)变为平行光，通过调整振镜(2)角度能够改变平行光传播方向或角度。

2.根据权利要求1所述的多角度照明光源，其特征在于，所述LED为单支高亮度LED。

3.根据权利要求1所述的多角度照明光源，其特征在于，所述振镜(2)是扫描振镜或微电机振镜。

4.一种基于多角度照明光源的傅立叶层叠成像系统，包括物镜(6)、管镜(7)和图像传感器(8)，物镜(6)置于待成像物体(5)与管镜(7)之间，管镜(7)位于物镜(6)与图像传感器(8)之间；其特征在于，所述傅立叶层叠成像系统还包括如权利要求1至3任一项所述的多角度照明光源，待成像物体(5)被置于多角度照明光源与物镜(6)之间。

5.根据权利要求4所述的傅立叶层叠成像系统，其特征在于：所述图像传感器(8)是CCD或CMOS图像传感器。