一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学显微成像、计算成像技术领域，提出了一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置及方法，其装置包括从上至下依次包括显微物镜、套筒透镜、相机、载物台和远心平行光源阵列，其方法包括S1:相邻频谱圆的重叠率确定，计算出两个频谱圆之间的距离，装配基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置,S2:傅里叶叠层显微成像的重构。本发明专利技术采用了远心平行光源阵列代替原来的LED光源阵列，远心平行光源具有平行度好、准直度强，具有更好的相干性和角度精确控制，克服了杂散光对重构图像的影响，去除了重建图像存在的伪影、强度不均匀的问题，使得全视场成像波矢一致，重建图像伪像消失、图像更为清晰、且强度均匀。且强度均匀。且强度均匀。

【技术实现步骤摘要】
一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置及方法


[0001]本专利技术属于光学显微成像、计算成像
，具体涉及一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置及方法。

技术介绍

[0002]从传统成像系统角度看，分辨率的提高与视场的扩大往往是一对难以调和的矛盾，即成像系统很难兼具大视场和高分辨的特点。简而言之，就是在大视场低倍物镜下可以看到被检物体的全貌但成像分辨率低，换成小视场高倍物镜时，就只能看到被检物体的很小一部分但成像分辨率高。即传统光学显微镜无法同时获得大视场、高分辨率图像。
[0003]2013年加州理工大学首次将傅里叶叠层成像技术引入到显微成像领域，同时实现了高分辨率和大视场的显微成像技术，该方法整合了相位恢复和合成孔径的概念。在傅里叶叠层成像系统中，样品被不同角度的LED阵列照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像，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，之后再利用相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域里迭代，依次更新对应的子孔径里的频谱信息，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(合成孔径)，最终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、低放大率物镜，获得大视场和高分辨率的成像结果。
[0004]上述方案虽然能够得到包含强度信息和相位信息的样品图像，但是由于LED阵列相干性较低、角度控制精度较差等因素制约，使得上述方案在重构出的显微图像依然存在分辨率较低的缺点，没有达到系统设计最佳的分辨率。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决
技术介绍
中记载的问题，提供一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置及方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置，从上至下依次包括显微物镜、套筒透镜、相机、载物台和远心平行光源阵列。
[0007]一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像方法，包括如下步骤：
[0008]S1:相邻频谱圆的重叠率确定，计算出两个频谱圆之间的距离，装配如权利要求4所述的基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置；
[0009]计算出两个频谱圆之间的距离的计算方式如下：
[0010][0011]其中，λ是光波波长，d是相邻远心平行光源之间的距离，h是远心平行光源阵列中
心到样品的距离，
[0012]重叠区域的面积可以通过公式(2)计算出来，
[0013][0014]相邻频谱圆间的重叠率为,
[0015][0016]其中S＝π
×
2.52mm2；
[0017]S2:傅里叶叠层显微成像的重构。
[0018]在本专利技术的一种优选实施方式，显微物镜为20mm显微物镜，并由若干透镜组合而成。
[0019]在本专利技术的一种优选实施方式，远心平行光源阵列为口径5mm远心平行光源阵列。
[0020]在本专利技术的一种优选实施方式，相机为4000万像素高分辨率相机，其每个像元尺寸为1.5μm。
[0021]在本专利技术的一种优选实施方式，S2中傅里叶叠层显微成像的重构，包括如下步骤：
[0022]步骤1，选择垂直入射的远心平行光源所对应的低分辨率图像进行插值作为样品的高分辨率光强图的初始值，样品的高分辨率相位图初始化为零，其初始化公式为：
[0023][0024]式中U0为样品初始化的高分辨率频谱，F表示求频谱的傅里叶变换，B表示对一幅图像进行双线性插值，I
0,0
表示第0行第0列的远心平行光源垂直照明时拍摄到的样品低分辨率图像，为第0行第0列的远心平行光源单元对应的频谱里的孔径函数；
[0025]步骤2，对入射角度为θ的远心平行光源，利用显微物镜的圆形光瞳函数获取样品的初始高分辨率频谱中对应角度θ的子孔径里的频谱信息，生成一个低分辨率图像的复振幅，称之为目标复振幅，目标复振幅生成公式为，
[0026][0027][0028]式中)表示第m行第n列远心平行光源对应的频谱，(u,v)表示频域坐标，表示第m行第n列远心平行光源对应的目标复振幅分布，F
‑1表示傅里叶反变换，j表示迭代次数，上标c表示待更新的目标频谱和目标复振幅；
[0029]步骤3，保持样品复振幅图像的相位不变，用相应照射角度为θ下拍摄到的低分辨率图像去更新样品复振幅图像的振幅部分，复振幅更新公式为，
[0030][0031]式中)表示第m行第n列远心平行光源对应的更新后的样品复振幅分布，)为第m行第n列的远心平行光源对应的拍摄到的样品低分辨率图像，上标u表示更新后的样品频谱和样品复振幅，上标c表示拍摄到的样品图像；
[0032]步骤4，更新后的样品复振幅图像的频谱利用傅里叶变换求出，并用样品低分辨率频谱去更新样品高分辨率频谱中相应子孔径内的频谱成分，更新公式为，
[0033][0034][0035]式中)表示第m行第n列远心平行光源对应的更新后的样品复振幅分布的频谱；
[0036]步骤5，如果还有未更新的不同入射角度的交叠子孔径，则重复迭代(2)～(4)来更新其他远心平行光源入射角度所对应的频谱成分；
[0037]步骤6，当所有远心平行光源入射角度都更新过一遍之后，再重复迭代(2)～(5)，直到样品的高分辨率复振幅收敛，从而最终获得样品高分辨率复振幅最优解。
[0038]本专利技术的原理以及有益效果：本专利技术提出一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置及方法，由于采用了远心平行光源阵列代替原来的LED光源阵列，远心平行光源具有平行度好、准直度强，具有更好的相干性和角度精确控制，克服了杂散光对重构图像的影响，去除了重建图像存在的伪影、强度不均匀的问题，使得全视场成像波矢一致，重建图像伪像消失、图像更为清晰、且强度均匀。
[0039]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
[0040]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从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：
[0041]图1为本专利技术不同重叠率下傅里叶叠层成像重建结果的MSE。
[0042]图2为本专利技术傅里叶叠层显微成像装置结构图。
[0043]图3为LED光源阵列傅里叶叠层显微成像重建图像效果图与图远心平行光源阵列傅里叶叠层显微成像重建图像效果图的对比图。
具体实施方式
[0044]下面详细描述本专利技术的实施例，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，而不能理解为对本专利技术的限制。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置，其特征在于，从上至下依次包括显微物镜、套筒透镜、相机、载物台和远心平行光源阵列。2.如权利要求1所述的基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置，其特征在于，显微物镜为20mm显微物镜，并由若干透镜组合而成。3.如权利要求2所述的基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置，其特征在于，远心平行光源阵列为口径5mm远心平行光源阵列。4.如权利要求3所述的基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置，其特征在于，相机为4000万像素高分辨率相机，其每个像元尺寸为1.5μm。5.一种基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像方法，其特征在于，包括如下步骤：S1:相邻频谱圆的重叠率确定，计算出两个频谱圆之间的距离，装配如权利要求4所述的基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像装置；计算出两个频谱圆之间的距离的计算方式如下：其中，λ是光波波长，d是相邻远心平行光源之间的距离，h是远心平行光源阵列中心到样品的距离，重叠区域的面积可以通过公式(2)计算出来，相邻频谱圆间的重叠率为,其中S＝π
×
2.52mm2；S2:傅里叶叠层显微成像的重构。6.如权利要求5所述的基于远心平行光源的傅里叶叠层显微成像方法，其特征在于，S2中傅里叶叠层显微成像的重构，包括如下步骤：步骤1，选择垂直入射的远心平行光源所对应的低分辨率图像进行插值作为样品的高分辨率光强图的初始值，样品的高分辨率相位图初始化为零，其初始化公式为：式中U0为样品初始化的高分辨率频谱，F表示求频谱的傅里叶变换，B表示对一幅图像进行双线性插值，I
0,0
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘哲，于伯旋，贺雨洁，李成创，唐佳爱，刘硕，任义烽，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：