本發(fā)明涉及顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

FPM(Fourier Ptychography Microscopy，頻域拼貼顯微)是一種能夠同時(shí)滿足寬視場(chǎng)和高分辨的顯微成像方法。該方法通過采集對(duì)應(yīng)不同空間頻率的低分辨樣本圖像，并將這些低分辨顯微圖像在傅里葉域進(jìn)行拼貼，來恢復(fù)寬視場(chǎng)高分辨圖像的顯微成像方法，該方法同時(shí)能夠恢復(fù)樣本的相位信息和一定厚度的三維重建。該方法能夠獲得很大的空間帶寬積(Spatial Bandwidth Product，SPB)，從某種程度上突破光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，因而在光學(xué)生物成像方面有著重要的應(yīng)用。

目前，F(xiàn)PM系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，原型系統(tǒng)是基于LED陣列的光照端FPM系統(tǒng)，另一種是基于機(jī)械掃描(Aperture Scanning)的采集端FPM系統(tǒng)?；贚ED陣列的光照端FPM系統(tǒng)，是通過變光照(結(jié)構(gòu)光)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于樣本圖像不同空間頻譜信息的掃描和采樣，系統(tǒng)需要將顯微鏡的寬場(chǎng)照明替換為一塊LED面板(比如15*15的正方形點(diǎn)陣)，控制器每次點(diǎn)亮一個(gè)LED的同時(shí)采集一張低分辨圖像，然后使用這些采集到的圖像來恢復(fù)寬視場(chǎng)高分辨(大SBP)的顯微圖像；而基于機(jī)械掃描的采集端FPM系統(tǒng)，需要將樣本圖像的光圈面引出，然后在光圈面上放置一個(gè)通過電機(jī)機(jī)械控制的大小可調(diào)的光圈。通過參數(shù)計(jì)算確定光圈的大小，然后同步控制光圈掃描不同的空間頻譜位置并采集相應(yīng)的圖像，最后，根據(jù)拼貼算法將多張低分辨率圖像重建并恢復(fù)寬視場(chǎng)高分辨的樣本圖像。

上述兩種實(shí)現(xiàn)方式的基本原理類似。其中，基于LED陣列的光照端FPM系統(tǒng)中，每個(gè)LED離都樣本較遠(yuǎn)，發(fā)出的光可以看作是平行光，也就是平面波入射到樣本上。LED陣列(面板)上不同平面位置的LED發(fā)出的光的照射到樣本上的角度不一樣。根據(jù)傅里葉光學(xué)的角譜理論，不同入射角度的平面波對(duì)應(yīng)不同空間頻率，因此不同角度入射的LED光源照亮樣本，能夠獲得對(duì)應(yīng)不同空間頻率的圖像細(xì)節(jié)。詳細(xì)來說，不同的入射角度對(duì)應(yīng)的相位偏移，相對(duì)于垂直入射的平面波來說，相當(dāng)于乘上了一個(gè)與角度相關(guān)的純相移因子。由傅里葉變換的性質(zhì)可知，函數(shù)在空間域的相移對(duì)應(yīng)傅里葉面的位移，因此不同角度的光照相當(dāng)于與用一個(gè)帶通濾波器在光圈的進(jìn)行掃描。另一方面，采集端機(jī)械掃描則是直接通過光圈器件進(jìn)行掃描式地空間頻率濾波，以采集對(duì)應(yīng)不同空間頻率的低分率圖像。

也就是說，上述兩種實(shí)現(xiàn)方式的基本原理以及重構(gòu)算法是基本相同的，并且都完成了類似的功能，但是都有相應(yīng)的不足。簡(jiǎn)要來說，基于LED陣列的光照端FPM系統(tǒng)的不足在于：該系統(tǒng)只適用于很薄的透明或者半透明樣本，這是由于基于LED陣列的變光照是在樣本的入射面進(jìn)行調(diào)制，如果樣本過厚，則經(jīng)過樣本時(shí)，波前在樣本不同的深度都會(huì)被改變，出射波相當(dāng)于入射波卷積了多層樣本深度信息，則成像端將采集不到正確的入射端被調(diào)制圖像。另一方面，基于機(jī)械掃描的采集端FPM系統(tǒng)的不足在于：(1)該系統(tǒng)的照明端是不變的平行光，因此分辨率受限于物鏡的NA，該系統(tǒng)通過多次復(fù)用成像傳感器，能夠使用性能很差、分辨率較低的傳感器拍到高分辨率的圖像；(2)由控制器控制的機(jī)械掃描速度較慢，且掃描的方式不能靈活的控制，尤其是不能進(jìn)行多光圈的復(fù)用采集。

目前有一種同樣基于LED陣列的光照端FPM系統(tǒng)的迭代算法被提出，該算法克服傳統(tǒng)LED陣列FPM算法對(duì)于樣本厚度的限制(很薄)，能夠?qū)穸冗_(dá)到100um的透明樣本進(jìn)行寬視場(chǎng)高分辨顯微圖像的恢復(fù)，并且該算法能夠?qū)υ摵駱颖具M(jìn)行三維重建。然而該算法的收斂性和算法效率較差，對(duì)樣本采集數(shù)據(jù)的敏感性較高。因此，總的來說，相關(guān)技術(shù)中的FPM(頻域拼貼顯微)系統(tǒng)和方法都各有不足，有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在保證一定寬視場(chǎng)的前提下，提高相機(jī)傳感器采集的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于一定厚度樣本的高分辨重建，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)樣本的采集，并且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面的實(shí)施例提出了一種基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，包括：顯微鏡，用于通過相機(jī)引出口將顯微樣本放大到像平面；中繼模塊，用于將所述顯微樣本所成像的光圈面縮小，以使該光圈面與后級(jí)空間光調(diào)制器屏幕的大小相適應(yīng)；頻譜調(diào)制模塊，所述頻譜調(diào)制模塊包括偏振分光棱鏡和空間光調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)所述頻譜調(diào)制模塊的前后距離，以使空間光調(diào)制器屏幕上恰好是樣本所成像的光圈面；相機(jī)成像模塊，所述相機(jī)成像模塊包括尺寸匹配的成像鏡頭和相機(jī)傳感器，以接收由空間光調(diào)制器進(jìn)行頻譜調(diào)制并再次經(jīng)過偏振分光棱鏡斜面發(fā)射的光信號(hào)，并采集相應(yīng)的樣本圖像；控制器，所述控制器與空間光調(diào)制器和相機(jī)傳感器同時(shí)相連，用于同步控制頻譜調(diào)制和圖像采集，快速采集多張不同空間頻譜下的低分率圖像，以獲取恢復(fù)單幀高分辨率圖像或多幀高分辨率視頻所需的原始圖像數(shù)據(jù)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在一些示例中，所述顯微鏡的光照端放置一個(gè)中心頻率為550nm的窄帶濾波片，并通過調(diào)節(jié)顯微鏡聚光鏡孔徑的大小，獲得單色平行光照明。

在一些示例中，所述中繼模塊包括中繼透鏡和偏振片，所述中繼透鏡和偏振片的光學(xué)孔徑與所述顯微鏡的光學(xué)孔徑相匹配。

在一些示例中，所述中繼模塊通過調(diào)節(jié)偏振片的旋轉(zhuǎn)方向來選取特定偏振方向的光透過，以消除系統(tǒng)中的部分背景雜光。

在一些示例中，所述偏振分光棱鏡將入射光分成垂直和水平兩路光，并將其中一路光投射到后一級(jí)空間光調(diào)制器的屏幕上；所述空間光調(diào)制器偏振原理對(duì)投射到屏幕上的光圈面信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同空間頻譜的出射光。

在一些示例中，所述空間光調(diào)制器為L(zhǎng)COS器件。

在一些示例中，所述相機(jī)成像模塊中成像鏡頭的光學(xué)孔徑與所述頻譜調(diào)制模塊投射出的成像尺寸相匹配，選取的相機(jī)傳感器的采集分辨率弱于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。

在一些示例中，所述相機(jī)成像模塊將成像鏡頭和相機(jī)傳感器放置在預(yù)設(shè)位置，以采集預(yù)設(shè)視場(chǎng)大小和放大倍數(shù)的樣本圖像。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，能夠在保證一定寬視場(chǎng)的前提下，提高相機(jī)傳感器采集的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于一定厚度樣本的高分辨重建，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)樣本的采集，并且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。另外，該系統(tǒng)采集的速度很快，可以在一定程度上采集動(dòng)態(tài)樣本，而且采集方式可以靈活地編程控制；對(duì)于一定有厚度的樣本，可以通過光的自由空間傳播算法算出樣本其他深度的信息，并以此來恢復(fù)樣本的三維信息；還可以進(jìn)行多光圈的復(fù)用采集，進(jìn)一步提高采集速。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第二方面的實(shí)施例提出了一種如本發(fā)明上述第一方面實(shí)施例所述的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法，所述顯微鏡相機(jī)引出口成像的光學(xué)孔徑與中繼模塊、頻譜調(diào)制模塊以及成像模塊的光學(xué)尺寸均相互匹配，所述方法包括以下步驟：調(diào)整顯微鏡的聚光鏡和放置濾光片以獲得單色平行光，并通過顯微鏡的相機(jī)引出口將顯微樣本放大到像平面；通過所述中繼透鏡將光圈面縮小到與空間光調(diào)制器屏幕匹配的大?。徽{(diào)節(jié)偏振分光棱鏡和空間光調(diào)制器的前后位置，使得成像的光圈面恰好在空間光調(diào)制器的屏幕上；將成像鏡頭和相機(jī)傳感器放置在預(yù)設(shè)位置，以采集預(yù)設(shè)視場(chǎng)大小和放大倍數(shù)的樣本圖像；通過控制器同步控制空間光調(diào)制器和相機(jī)傳感器，進(jìn)行頻譜調(diào)制和圖像采集，獲得對(duì)應(yīng)于不同空間頻率的多張低分辨圖像；通過迭代重構(gòu)算法，將采集得到的多張低分辨圖像在傅里葉域進(jìn)行頻譜拼貼，恢復(fù)相應(yīng)的高分辨圖像和相應(yīng)的相位圖像。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在一些示例中，所述頻譜調(diào)制模塊與相機(jī)成像模塊之間有一個(gè)90度的彎折角，該方法還包括：將顯微鏡相機(jī)引出口的光軸與中繼模塊、頻譜調(diào)制模塊以及相機(jī)成像模塊進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法，能夠在保證一定寬視場(chǎng)的前提下，提高相機(jī)傳感器采集的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于一定厚度樣本的高分辨重建，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)樣本的采集，并且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。另外，該方法采集的速度很快，可以在一定程度上采集動(dòng)態(tài)樣本，而且采集方式可以靈活地編程控制；對(duì)于一定有厚度的樣本，可以通過光的自由空間傳播算法算出樣本其他深度的信息，并以此來恢復(fù)樣本的三維信息；還可以進(jìn)行多光圈的復(fù)用采集，進(jìn)一步提高采集速。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的重構(gòu)算法對(duì)于合成的高分辨復(fù)振幅圖像恢復(fù)出準(zhǔn)確強(qiáng)度和相位信息的仿真示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的重構(gòu)算法對(duì)于USAF-1951分辨率板的仿真結(jié)果，以及對(duì)蜘蛛腿樣本數(shù)據(jù)集恢復(fù)出高分辨圖像和相位的示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的采集靜態(tài)USAF-1951分辨率板和睡蓮莖橫切樣本的低分辨圖像恢復(fù)出高分辨圖像和相位的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)及其控制方法。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。如圖1所示，該系統(tǒng)10包括：顯微鏡100、中繼模塊200、頻譜調(diào)制模塊300、相機(jī)成像模塊400及控制器500。

其中，顯微鏡100用于通過相機(jī)引出口將顯微樣本放大到像平面。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，顯微鏡100的光照端放置一個(gè)中心頻率為550nm的窄帶濾波片，并通過調(diào)節(jié)顯微鏡100聚光鏡孔徑的大小，獲得單色平行光照明。進(jìn)一步地，單色平行光可以看作是相干的單色平面波，因此，整個(gè)系統(tǒng)是基于相干光照明的光學(xué)系統(tǒng)。

中繼模塊200用于將顯微樣本所成像的光圈面縮小，以使該光圈面與后級(jí)空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，SLM)302的屏幕的大小相適應(yīng)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，中繼模塊200包括中繼透鏡201和偏振片202，中繼透鏡201和偏振片202的光學(xué)孔徑與顯微鏡的光學(xué)孔徑相匹配。進(jìn)一步地，中繼模塊200通過調(diào)節(jié)偏振片202的旋轉(zhuǎn)方向來選取特定偏振方向的光透過，以消除系統(tǒng)中的部分背景雜光。

頻譜調(diào)制模塊300包括偏振分光棱鏡301和空間光調(diào)制器302，通過調(diào)節(jié)頻譜調(diào)制模塊300的前后距離，以使空間光調(diào)制器302屏幕上恰好是樣本所成像的光圈面。

具體地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，偏振分光棱鏡301將入射光分成垂直和水平兩路光，并將其中一路光投射到后一級(jí)空間光調(diào)制器302的屏幕上?？臻g光調(diào)制器302通過偏振原理對(duì)投射到屏幕上的光圈面信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同空間頻譜的出射光。其中，空間光調(diào)制器302例如為L(zhǎng)COS(Liquid crystal on silicon，液晶附硅)器件。

相機(jī)成像模塊400包括尺寸匹配的成像鏡頭401和相機(jī)傳感器402，以接收由空間光調(diào)制器302進(jìn)行頻譜調(diào)制并再次經(jīng)過偏振分光棱鏡301斜面發(fā)射的光信號(hào)，并采集相應(yīng)的樣本圖像。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，相機(jī)成像模塊400中成像鏡頭401的光學(xué)孔徑與頻譜調(diào)制模塊300投射出的成像尺寸相匹配，選取的相機(jī)傳感器402的采集分辨率弱于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。

進(jìn)一步地，相機(jī)成像模塊400將成像鏡頭401和相機(jī)傳感器402放置在預(yù)設(shè)位置，以采集預(yù)設(shè)視場(chǎng)大小和放大倍數(shù)的樣本圖像。其中，預(yù)設(shè)位置根據(jù)實(shí)際需求而設(shè)定。換言之，即相機(jī)成像模塊400中通過將成像鏡頭401和相機(jī)傳感器402放置在合適的位置，以采集適當(dāng)視場(chǎng)大小和放大倍數(shù)的樣本圖像。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，例如，頻譜調(diào)制模塊300與相機(jī)成像模塊400之間有一個(gè)90度的彎折角。基于此，需要將顯微鏡100相機(jī)引出口的光軸與中繼模塊200、頻譜調(diào)制模塊300以及相機(jī)成像模塊400進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)。

控制器500與空間光調(diào)制器302和相機(jī)傳感器402同時(shí)相連，用于同步控制頻譜調(diào)制和圖像采集，快速采集多張不同空間頻譜下的低分率圖像，以獲取恢復(fù)單幀高分辨率圖像或多幀高分辨率視頻所需的原始圖像數(shù)據(jù)。

換言之，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，通過控制器同步控制空間光調(diào)制器LCOS和相機(jī)傳感器，快速獲得對(duì)應(yīng)于不同空間頻率的多張低分辨圖像；通過迭代重構(gòu)算法將采集到的低分辨圖像在傅里葉域進(jìn)行拼貼，來恢復(fù)出超出相機(jī)傳感器采集能力的高分辨率的圖像或視頻，并且保證原來的視野范圍不變，同時(shí)恢復(fù)出樣本的相位信息。最后，以恢復(fù)出的高分辨率圖像和相位為基礎(chǔ)，通過傳播算法恢復(fù)樣本的三維信息。

進(jìn)一步地，該系統(tǒng)利用空間光調(diào)制器LCOS上的“模式(pattern)移動(dòng)”代替機(jī)械掃描，能夠重建比光照端LED陣列系統(tǒng)更厚的樣本，且能夠比機(jī)械掃面更加快速和靈活，并能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜的復(fù)用采集，來進(jìn)一步提升采集速度。

綜上，本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及原理可概述為：通過相機(jī)引出口將顯微樣本放大到像平面的顯微鏡，顯微鏡光照端放置一個(gè)中心頻率為550nm的窄帶濾波片；中繼模塊，由偏振片和中繼透鏡組成，將樣本所成像的光圈面縮小到與后級(jí)空間光調(diào)制器屏幕相適應(yīng)的大?。活l譜調(diào)制模塊，由偏振分光棱鏡和空間光調(diào)制器組成，通過調(diào)節(jié)該模塊的前后距離，使得空間光調(diào)制器屏幕上恰好是樣本所成像的光圈面；成像模塊，由成像鏡頭和傳感器構(gòu)成，進(jìn)行圖像采集并由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)；控制器，對(duì)空間光調(diào)制器和圖像采集進(jìn)行同步，以獲取對(duì)應(yīng)不同空間頻率的多幅圖像。本發(fā)明實(shí)例的系統(tǒng)，通過對(duì)獲取的對(duì)應(yīng)不同空間頻率的低分辨圖像進(jìn)行頻域拼貼，從而獲得相同視場(chǎng)下的高分辨強(qiáng)度圖像和相位信息。由于系統(tǒng)采集圖片的速度很快(約1幀/1秒)，因此可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)于生物樣本動(dòng)態(tài)過程的觀測(cè)，比如癌細(xì)胞凋零等。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，能夠在保證一定寬視場(chǎng)的前提下，提高相機(jī)傳感器采集的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于一定厚度樣本的高分辨重建，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)樣本的采集，并且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。另外，該系統(tǒng)采集的速度很快，可以在一定程度上采集動(dòng)態(tài)樣本，而且采集方式可以靈活地編程控制；對(duì)于一定有厚度的樣本，可以通過光的自由空間傳播算法算出樣本其他深度的信息，并以此來恢復(fù)樣本的三維信息；還可以進(jìn)行多光圈的復(fù)用采集，進(jìn)一步提高采集速。

為了便于更好地理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖，以具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

在本實(shí)施例中，基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)可簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)C-FPM(LCOS based Capture-side Fourier Ptychography Microscopy，基于LCOS的采集端頻域拼貼顯微成像)系統(tǒng)。結(jié)合圖2所示，該LC-FPM系統(tǒng)10包括：顯微鏡100、中繼模塊200、頻譜調(diào)制模塊300、成像模塊400和控制器500。其中，中繼模塊200包括：中繼透鏡201和偏振片202；頻譜調(diào)制模塊300包括：偏振分光棱鏡301和空間光調(diào)制器(LCOS)302；成像模塊400包括：成像鏡頭401和相機(jī)傳感器402。

具體地，顯微鏡100首先通過窄帶濾波片101獲得單色光照明，然后通過顯微鏡的相機(jī)引出口102將顯微樣本放大到像平面。中繼模塊200將樣本所成像的光圈面縮小到與后級(jí)的空間光調(diào)制器302的屏幕相適應(yīng)的大小。頻譜調(diào)制模塊300通過調(diào)節(jié)前后距離，使得空間光調(diào)制器302的屏幕上恰好是樣本成像的光圈面，并通過空間光調(diào)制器302進(jìn)行頻譜調(diào)制。成像模塊400采集對(duì)應(yīng)不同空間頻譜的低分辨率圖像?？刂破?00與空間光調(diào)制器302和相機(jī)傳感器402同時(shí)相連，對(duì)空間光調(diào)制器302的頻譜調(diào)制過程和相機(jī)傳感器402的圖像采集過程進(jìn)行同步控制。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，中繼模塊200包括中繼透鏡201和偏振片202兩個(gè)部分，兩部分的光學(xué)孔徑均與顯微鏡的光學(xué)孔徑相匹配。中繼模塊200中通過調(diào)節(jié)偏振片202的旋轉(zhuǎn)方向來選取特定偏振方向的光透過，以此來消除系統(tǒng)中的部分背景雜光。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，頻譜調(diào)制模塊300包括：偏振分光棱鏡301和空間光解調(diào)器302。偏振分光棱鏡301將入射光分成垂直和水平兩路光，并將其中一路光投射到后一級(jí)空間光調(diào)制器302的屏幕上；空間光調(diào)制器302(例如為L(zhǎng)COS器件)通過偏振原理對(duì)投射到屏幕上的光圈面信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同空間頻譜的出射光。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，相機(jī)成像模塊400中成像鏡頭401的光學(xué)孔徑與頻譜調(diào)制端300投射出的成像尺寸相匹配，選取的成像傳感器402的采集分辨率弱于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。

具體地，參照?qǐng)D2所示，為了能夠采集大視場(chǎng)下對(duì)應(yīng)顯微樣本600不同空間頻譜的低分率圖像，控制器500同步控制空間光調(diào)制器302和相機(jī)傳感器402。其中，空間光調(diào)制器302放置在光學(xué)系統(tǒng)的光圈面上，顯示經(jīng)過計(jì)算得到的不同模式(pattern)圖像，模式圖像按照固定的時(shí)間間隔變化，對(duì)應(yīng)光圈面上不同的空間頻譜。同時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)模式圖像，相機(jī)傳感器402同步采集一張低分辨圖像。通過精確采集到的不同空間頻譜的低分辨圖像，本發(fā)明實(shí)例能夠獲得同樣大視場(chǎng)下的顯微樣本600高分辨圖像和計(jì)算出相位，并可以獲得一定厚度的三維信息。

作為具體的實(shí)施例，參照?qǐng)D2所示，展示了LC-FPM系統(tǒng)10的光學(xué)原理示意圖。其中，為方便原型系統(tǒng)構(gòu)建，本發(fā)明實(shí)施例的顯微鏡100可以采用商業(yè)的寬視場(chǎng)顯微鏡(Zeiss Observer Z1)來放大顯微樣本600到像平面。顯微鏡100的光照端放置一個(gè)中心頻率為550nm的窄帶濾波片101，并調(diào)節(jié)顯微鏡聚光鏡103數(shù)值孔徑到最小來模擬點(diǎn)光源，獲得單色平行光照明，也就是相干光照明。顯微鏡100可以采用1倍目鏡，10倍物鏡104(Pln Apo 10ⅹ/0.45DICII，NA＝0.45)。顯微鏡100的相機(jī)引出口102的像平面大小通過中繼模塊200縮小，并變換到光圈面，經(jīng)過偏振分光棱鏡301將光圈面反射到空間光調(diào)制器302上。相機(jī)引出口102包括透鏡套管1021和反射鏡1022；空間光調(diào)制器302采用HOLOEYE LCR1080Reflective LCOS，像素尺寸8.1um，分辨率1920ⅹ1200，最大刷新率60Hz，單色顯示，灰度范圍0-256(8bit)。中繼透鏡(普通光學(xué)透鏡，焦距50mm，f/1.4)產(chǎn)生與空間光調(diào)制器302大小匹配的光圈面，偏振片202配合偏振分光棱鏡301使用，消除系統(tǒng)的背景雜光。遮光板303用來遮擋系統(tǒng)初涉光，以及防止外界光入射到系統(tǒng)中影響空間光調(diào)制器302的性能。成像鏡頭401(Canon Lens EF,焦距50mm，f/1.4)與頻譜調(diào)制模塊300出射的光學(xué)孔徑匹配，并將大小適合的像成在相機(jī)傳感器402上，相機(jī)傳感器402采用PointGray GRAS(Grassshoper)灰度相機(jī)，像素尺寸6.9um，分辨率1024ⅹ768，幀率15幀/秒。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)所使用的聚光鏡103可以調(diào)節(jié)的數(shù)值孔徑范圍為0.09-0.55，最小的NA＝0.09仍然不足以產(chǎn)生所需要的相干光照明，所以實(shí)際操作時(shí)，在聚光鏡103的視場(chǎng)光闌上額外放置一個(gè)調(diào)節(jié)至最小孔徑的光圈，來模擬點(diǎn)光源，來獲得相干光。

另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的顯微鏡100的其它構(gòu)成以及作用對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，此處不再贅述。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，相機(jī)成像模塊400中通過將成像鏡頭401和傳感器402放置在合適的位置，來采集適當(dāng)視場(chǎng)大小和放大倍數(shù)的樣本圖像。具體來說，就是調(diào)整成像鏡頭401的相對(duì)位置，使得由空間光調(diào)制器302出射的像進(jìn)一步縮小，并讓顯微成像的范圍剛好與相機(jī)傳感402的成像靶面大小(直徑2/3英寸，約17mm)匹配，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)約為3倍。

進(jìn)一步，系統(tǒng)實(shí)際的放大倍數(shù)根據(jù)采集得到的分辨率板USAF1951進(jìn)行計(jì)算，具體來說，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，例如，實(shí)驗(yàn)采集得到的分辨率板USAF1951中第4組第2個(gè)的長(zhǎng)度約為60個(gè)像素，而相機(jī)傳感器402的像素大小為6.9um，再根據(jù)分辨率板USAF1951中第4-2元素的實(shí)際長(zhǎng)度為27.84*5um，則可計(jì)算出放大倍數(shù)為60*6.9/(27.84*5)＝2.97倍。因?yàn)轱@微物鏡104的放大倍數(shù)為10倍，可知后級(jí)系統(tǒng)(起作用的主要是中繼透鏡201和成像透鏡401)將從顯微鏡100相機(jī)引出口102導(dǎo)出的顯微樣本600的像縮小了約3.3倍。

進(jìn)一步地，參照?qǐng)D2所示，在本實(shí)施例中，頻譜調(diào)制模塊300與相機(jī)成像模塊400之間有一個(gè)90度的彎折角，需要將顯微鏡相機(jī)引出口102的光軸與中繼模塊200、頻譜調(diào)制模塊300以及成像模塊400進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)。

進(jìn)一步地，空間光調(diào)制器302放置在光學(xué)系統(tǒng)的光圈面上，每次顯示的模式圖像均為黑色背景中相同大小、不同位置的白色方塊，方塊的大小根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得出，跟相機(jī)傳感器402的分辨率匹配，決定了每次空間頻率帶通的范圍。模式圖像按照固定的時(shí)間間隔變化，具體來說，就是白色方塊每次按照固定步長(zhǎng)移動(dòng)到不同的位置，對(duì)應(yīng)光圈面上不同的空間頻譜；由于算法迭代的收斂性需要，此固定步長(zhǎng)要保證相鄰兩個(gè)方塊之間的重疊區(qū)域超過60％。其中，每次實(shí)驗(yàn)采集的時(shí)候，對(duì)應(yīng)中間低頻圖像的模式，其方塊位置都需要重新確定，方法先將低頻對(duì)應(yīng)的位置定在LCOS器件302中心，進(jìn)行一次粗略采集，然后根據(jù)觀察粗略采集的結(jié)果，進(jìn)行校正和確定。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，通過復(fù)用多個(gè)較差的相機(jī)傳感器402，來獲取與光學(xué)系統(tǒng)(主要是顯微物鏡104)性能相配的寬視場(chǎng)高分辨顯微圖像。這是由于現(xiàn)有商用光學(xué)顯微物鏡已經(jīng)具有很高的空間帶寬積(正比于視場(chǎng)面積/分辨率的平方)，但是普通相機(jī)傳感器的采集能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到光學(xué)系統(tǒng)的要求。具體來說，如實(shí)驗(yàn)采用的10倍物鏡104(NA＝0.45)，視場(chǎng)直徑大小為24/10＝2.4mm，光學(xué)分辨率為0.74um，因此SBP約為3千萬像素。而所使用的相機(jī)傳感器402采用PointGray GRAS灰度相機(jī)，像素尺寸6.9um，分辨率1024ⅹ768，對(duì)應(yīng)的SBP約為100萬像素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了光學(xué)系統(tǒng)的需要，有很大的提升空間。

進(jìn)一步地，參照?qǐng)D3所示，在本實(shí)施例中，采用重構(gòu)算法對(duì)于人為合成的高分辨復(fù)振幅圖像進(jìn)行仿真，恢復(fù)出準(zhǔn)確的高分辨率強(qiáng)度圖像(Lenna)和相位圖像。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D4所示，采用重構(gòu)算法對(duì)于USAF1951分辨率板進(jìn)行仿真，并對(duì)公布的實(shí)采蜘蛛腿樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行恢復(fù)，有效地獲得了高分辨圖像和相位信息。

進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D5所示，展示了采集靜態(tài)USAF1951分辨率板和睡蓮莖橫切(water lily stack)樣本的低分辨圖像恢復(fù)出高分辨圖像和相位的示意圖。

綜上，在本實(shí)施例中，該系統(tǒng)采用了一種基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微算法，偏振分光棱鏡301與空間光調(diào)制器LCOS器件302相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本成像的空間頻譜進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，完成頻域的帶通濾波功能，并由控制器500同步控制相機(jī)傳感器402，快速獲得對(duì)應(yīng)于不同空間頻率的多張低分辨圖像；最后，通過迭代重構(gòu)算法將采集到的低分辨圖像在傅里葉域進(jìn)行拼貼，來恢復(fù)出超出相機(jī)傳感器采集能力的高分辨率的圖像\或視頻，并且保證原來的視野范圍不變，同時(shí)恢復(fù)出樣本的相位信息。

也就是說，本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)能夠獲得寬視場(chǎng)高分辨的樣本圖像和相位信息，并且通過采用商業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微來驗(yàn)證了其有效性。作為同樣是采集端的FPM系統(tǒng)，本發(fā)明用LCOS器件302上的模式移動(dòng)代替機(jī)械掃描，能夠重建比LED陣列系統(tǒng)厚的樣本，能夠比機(jī)械掃面更加快速和靈活，并能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜的復(fù)用采集。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，該系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的基于LED陣列的光照端頻域拼貼顯微系統(tǒng)以及基于機(jī)械掃描的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，該顯微成像系統(tǒng)能夠在保證一定寬視場(chǎng)的前提下，提高相機(jī)傳感器采集的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于一定厚度樣本的高分辨重建，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)樣本的采集，并且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明在一定程度上繼承上述相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并解決各自的缺點(diǎn)。具體來說，本發(fā)明的系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)采集的速度很快，可以在一定程度上采集動(dòng)態(tài)樣本，而且采集方式可以靈活地編程控制；(2)對(duì)于一定有厚度的樣本，可以通過光的自由空間傳播算法算出樣本其他深度的信息，并以此來恢復(fù)樣本的三維信息；(3)可以進(jìn)行多光圈的復(fù)用采集，進(jìn)一步提高采集速度。

本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例還提出了一種基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法。其中，該基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)例如為本發(fā)明上述任意一個(gè)實(shí)施例所描述的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)，并且，顯微鏡相機(jī)引出口成像的光學(xué)孔徑與中繼模塊、頻譜調(diào)制模塊以及成像模塊的光學(xué)尺寸均相互匹配。

基于此，圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法的流程圖。其中，如圖6所示，該方法包括以下步驟：

步驟S1：調(diào)整顯微鏡的聚光鏡和放置濾光片以獲得單色平行光，并通過顯微鏡的相機(jī)引出口將顯微樣本放大到像平面。具體地，通過調(diào)整顯微鏡聚光鏡尺寸并添加窄帶濾波片，獲得平行單色光作為光源，并通過顯微鏡的相機(jī)引出口將顯微樣本放大到像平面。

步驟S2：通過中繼透鏡將光圈面縮小到與空間光調(diào)制器屏幕匹配的大小。

步驟S3：調(diào)節(jié)偏振分光棱鏡和空間光調(diào)制器的前后位置，使得成像的光圈面恰好在空間光調(diào)制器的屏幕上。

步驟S4：將成像鏡頭和相機(jī)傳感器放置在預(yù)設(shè)位置，以采集預(yù)設(shè)視場(chǎng)大小和放大倍數(shù)的樣本圖像。

步驟S5：通過控制器同步控制空間光調(diào)制器和相機(jī)傳感器，進(jìn)行頻譜調(diào)制和圖像采集，獲得對(duì)應(yīng)于不同空間頻率的多張低分辨圖像。

步驟S6：通過迭代重構(gòu)算法，將采集得到的多張低分辨圖像在傅里葉域進(jìn)行頻譜拼貼，恢復(fù)相應(yīng)的高分辨圖像和相應(yīng)的相位圖像。其中，重構(gòu)算法能夠由在空間頻率域存在相互重疊信息的低分率圖像，恢復(fù)出樣本的相位信息，而不需要額外引入相干參考光。

其中，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，頻譜調(diào)制模塊與相機(jī)成像模塊之間有一個(gè)90度的彎折角?；诖耍摲椒ㄟ€包括：將顯微鏡相機(jī)引出口的光軸與中繼模塊、頻譜調(diào)制模塊以及相機(jī)成像模塊進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，迭代算法重構(gòu)結(jié)果，尤其是相位恢復(fù)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)誤差、圖像噪聲以及算法初始值非常敏感。常規(guī)方法的初始值選用插值后的低頻低分辨率圖像，可以采用4張DPC圖像作為初始值先驗(yàn)，或者在每一次迭代的過程中，同時(shí)進(jìn)行相位優(yōu)化的方法等，來進(jìn)一步提高相位恢復(fù)的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由于使用空間光調(diào)制器代替機(jī)械掃描，而空間光調(diào)制器的最快刷新率為60Hz(大于一般相機(jī)采集幀率，如實(shí)驗(yàn)所用的PointGray GRAS，15幀/秒)，因此系統(tǒng)采集低分辨圖像的速度明顯提高；同時(shí)，由于空間光調(diào)制器的模式顯示可以靈活的編程和控制，因此可以通過模式復(fù)用采集和采集策略優(yōu)化的方式，進(jìn)一步提高采集速度和重構(gòu)質(zhì)量。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法的具體實(shí)現(xiàn)方式與本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式類似，具體請(qǐng)參見系統(tǒng)部分的描述，為了減少冗余，此處不再贅述。

綜上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于空間光調(diào)制器的采集端頻域拼貼顯微系統(tǒng)的控制方法，能夠在保證一定寬視場(chǎng)的前提下，提高相機(jī)傳感器采集的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于一定厚度樣本的高分辨重建，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)樣本的采集，并且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。另外，該方法采集的速度很快，可以在一定程度上采集動(dòng)態(tài)樣本，而且采集方式可以靈活地編程控制；對(duì)于一定有厚度的樣本，可以通過光的自由空間傳播算法算出樣本其他深度的信息，并以此來恢復(fù)樣本的三維信息；還可以進(jìn)行多光圈的復(fù)用采集，進(jìn)一步提高采集速。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。