基于微透镜阵列的荧光样本层析显微成像方法技术

本发明专利技术提出一种基于微透镜阵列的荧光样本层析显微成像方法，包括图像采集和三维反卷积重构两部分。图像采集部分由荧光显微镜，透镜组合，微透镜阵列和成像传感器组成，微透镜阵列位于透镜组合后的像面上，将像面上不同角度光线调制到微透镜后对应像感器不同像素点；三维反卷积重构部分，利用获取的图像，结合系统点扩展函数，通过多次正向投影和反向投影，重构荧光样本焦平面图像。本发明专利技术的优势在于适用荧光样本范围广，成像速度快，计算重建后，样本不同深度图像能够消除非焦面模糊影响。

【技术实现步骤摘要】
基于微透镜阵列的荧光样本层析显微成像方法
本专利技术涉及计算摄像学领域，特别涉及一种基于微透镜阵列的荧光样本层析显微成像方法。
技术介绍
目前，大多荧光显微三维成像利用的是共聚焦显微镜或双光子、多光子显微镜，逐点扫描采集荧光样本，形成不同深度下的图像。但这些方法存在两方面缺点。第一，所需激发光较强，容易造成荧光漂白，而且强光照射可能损伤样本细胞或组织结构；第二，对荧光样本特定深度成像需要逐点扫描，时间效率低。因此，上述方法不适用于光敏荧光样本和生物样本，而且成像速度慢，不能记录动态场景。宽视场显微镜则不同，其光通量大，在较弱激发光下即能成像，而且每个深度可以直接成像，相比前述方法成像速度快。但利用宽场显微镜获得荧光图像存在如下问题：激发光不但激发了样本位于物镜焦平面处荧光标记，也激发了不在物镜焦平面的荧光标记，因此，成像传感器每个像素点光强是焦平面上荧光强度和非焦平面荧光强度以及噪声叠加，每个深度获得图像分辨率比前述方法分辨率低。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于微透镜阵列的层析显微成像方法。该方法适用荧光样本范围广，成像速度快，计算重建后，样本不同深度图像能够消除非焦面模糊影响。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于微透镜阵列的层析显微成像系统。为了实现上述目的，本专利技术的第一方面的实施例公开了一种基于微透镜阵列的层析显微成像方法，包括以下步骤：通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到第一像平面，其中，所述显微镜为宽视场荧光显微镜；第一组合透镜根据所述第一像平面生成满足后级要求的第二像平面；微透镜阵列对所述第二像平面进行光学调制，将第二像平面上不同角度光线调制到微透镜后不同空间位置；第二组合透镜将经过所述微透镜阵列调制的图像互不重叠且无空隙地送到成像传感器；成像传感器记录经前级调制后的荧光样本图像。在一些示例中，所述通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到第一像平面，包括：通过对荧光显微样本在z轴上的移动或物镜的移动，实现对荧光样本不同深度成像。在一些示例中，对显微镜输出的荧光图像，以衍射极限分辨率通过微透镜阵列或其他强度或相位调制。在一些示例中，还包括：通过解卷积重建手段消除非焦面信号影响。本专利技术实施例的基于微透镜阵列的层析显微成像方法通过在像面加入微透镜阵列调制，对每次成像采用反卷积计算消除非焦面信号影响，即利用宽场显微镜高倍物镜，将输出的样本荧光图像分辨率极限放大到与微透镜匹配尺寸，然后通过微透镜阵列调制，将不同角度光线对应到空间不同位置，再通过光学器件调整每个微透镜对应传感器上像素范围，实现微透镜阵列后图像不重不漏，然后利用反卷积方法，消除非焦面信息影响，计算重建出焦平面图像。优点在于激发光源功率低，可应用于光敏样本和生物样本成像，减少荧光漂白和对样本的损伤；成像速度快，可以普通宽场显微镜焦堆栈成像速度实现可以与扫描的共聚焦显微镜比拟的成像质量。本专利技术第二方面的实施例公开了一种基于微透镜阵列的层析显微成像系统，包括：显微镜，所述显微镜为宽视场荧光显微镜，通过所述显微镜的相机引出口将显微样本放大到第一像平面；第一组合透镜，用于根据所述像平面生成满足后级要求的第二像平面；微透镜阵列，用于对所述第二像平面进行光学调制，将第二像平面上不同角度光线调制到微透镜后不同空间位置；第二组合透镜，用于将经过微透镜阵列调制的图像互不重叠且无空隙地送到成像传感器；成像传感器，用于记录经前级调制后的荧光样本图像。在一些示例中，通过对荧光显微样本在z轴上的移动或物镜的移动，实现对荧光样本不同深度成像。在一些示例中，对显微镜输出的荧光图像，以衍射极限分辨率通过微透镜阵列或其他强度或相位调制。在一些示例中，通过解卷积重建手段消除非焦面信号影响。本专利技术实施例的基于微透镜阵列的层析显微成像系统通过在像面加入微透镜阵列调制，对每次成像采用反卷积计算消除非焦面信号影响，即利用宽场显微镜高倍物镜，将输出的样本荧光图像分辨率极限放大到与微透镜匹配尺寸，然后通过微透镜阵列调制，将不同角度光线对应到空间不同位置，再通过光学器件调整每个微透镜对应传感器上像素范围，实现微透镜阵列后图像不重不漏，然后利用反卷积方法，消除非焦面信息影响，计算重建出焦平面图像。优点在于激发光源功率低，可应用于光敏样本和生物样本成像，减少荧光漂白和对样本的损伤；成像速度快，可以普通宽场显微镜焦堆栈成像速度实现可以与扫描的共聚焦显微镜比拟的成像质量。本专利技术的附加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，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述的和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术实施例的基于微透镜阵列的层析显微成像方法的流程图；图2为本专利技术实施例的荧光样本成像光路图；图3为本专利技术实施例的前向投影模型；图4为本专利技术实施例的传感器采集到图像；图5为本专利技术实施例的解卷积计算生成图像；图6为本专利技术实施例的基于微透镜阵列的层析显微成像系统的示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，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，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术实施例的基于微透镜阵列的层析显微成像方法主要包括以下步骤：1)荧光显微样本图像序列的采集。利用本专利技术提出的成像系统，通过调整显微物镜和样本间相对距离，使样本不同深度处于焦平面，然后利用成像光路上加入微透镜阵列调制，实现不同角度光线与传感器上不同空间位置间对应关系。采集过程完成后，即可获得样本不同深度下，经微透镜阵列调制后的图像序列。2)获取成像点扩展函数。成像点扩展函数既可以利用成像系统参数理论计算获得。也可以利用尺寸适当的荧光微球作为荧光样本，采集其在不同聚焦位置上的成像序列，用该图像序列中荧光微球的像作为系统点扩展函数。还可以直接采用盲反卷积的算法，在迭代计算焦面图像的同时生成点扩展函数。3)荧光样本焦面图像反卷积重建。首先利用1)获得的图像序列，2)计算的成像三维点扩展函数，通过反卷积迭代计算消除非焦面影响。如果采用盲解卷积算法，将理论计算扩散函数作为初始值，然后在迭代过程中实现焦面图像和点扩散函数同步收敛。本专利技术方法的优点在于相比现有共聚焦显微镜，结构简单，成本低廉；同时，本专利技术需要的激发光功率较低，可以最大限度减少激光对光敏样本、生物样本的破坏；而且，本专利技术成像过程不需要逐点扫描，成像速度快。另外，此方法反卷积重建过程在普通PC机或工作站等硬件系统上即可实现。具体而言，本专利技术提出的基于微透镜阵列的层析显微成像方法，图像序列采集过程如图1所示，并结合图2至图6，包括以下几个部分：1)荧光显微镜。采用ZEISS公司生产的AxioObserverZ1荧光显微镜，100倍放大、数值孔径1.3的硅油物镜。荧光显微镜可以调节显微样本在z轴上的位置，采用激光光源激发样本荧光，并将样本荧光图像送到显微镜成像接口。2)透镜组合1(第一组合透镜)。透镜组合1将显微镜输出的图像分辨率与微透镜尺寸匹配。显微镜输出图像位于透镜组合1前焦面上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微透镜阵列的层析显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到第一像平面，其中，所述显微镜为宽视场荧光显微镜；第一组合透镜根据所述第一像平面生成满足后级要求的第二像平面；微透镜阵列对所述第二像平面进行光学调制，将第二像平面上不同角度光线调制到微透镜后不同空间位置；第二组合透镜将经过所述微透镜阵列调制的图像互不重叠且无空隙地送到成像传感器；成像传感器记录经前级调制后的荧光样本图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于微透镜阵列的层析显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到第一像平面，其中，所述显微镜为宽视场荧光显微镜；第一组合透镜根据所述第一像平面生成满足后级要求的第二像平面；微透镜阵列对所述第二像平面进行光学调制，将第二像平面上不同角度光线调制到微透镜后不同空间位置；第二组合透镜将经过所述微透镜阵列调制的图像互不重叠且无空隙地送到成像传感器；成像传感器记录经前级调制后的荧光样本图像。2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的荧光样本层析方法，其特征在于，所述通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到第一像平面，包括：通过对荧光显微样本在z轴上的移动或物镜的移动，实现对荧光样本不同深度成像。3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的荧光样本层析方法，其特征在于，其中，对显微镜输出的荧光图像，以衍射极限分辨率通过微透镜阵列或其他强度或相位调制。4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的荧光样本层析方法，其特征在于，还包括：通过解卷积重建手...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴琼海，何继军，吴嘉敏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11