本申請(qǐng)涉及顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

在生命科學(xué)領(lǐng)域中，大多數(shù)樣本是透明的。在觀測(cè)透明的樣本時(shí)，往往使用熒光染料對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)記，使得樣本能夠被觀測(cè)到。而在標(biāo)記的過(guò)程中，往往會(huì)使用不同光譜的熒光進(jìn)行標(biāo)定，從而得到多個(gè)光譜通道混疊的圖像。區(qū)分圖像中的多個(gè)混疊的光譜通道有助于研究樣本的特定結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)旨在至少?gòu)囊欢ǔ潭壬辖鉀Q上述技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本申請(qǐng)的第一個(gè)目的在于提出一種成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以顯著提高多光譜成像的速率。

本申請(qǐng)的第二個(gè)目的在于提出一種成像方法。

為達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)的實(shí)施例公開(kāi)的一種成像系統(tǒng)，包括：熒光顯微鏡，其中，所述熒光顯微鏡包括激光源和物鏡，樣本放置在所述物鏡的焦平面上，所述激光源用于發(fā)射激光以照射所述樣本，所述物鏡用于將被所述激光照射的所述樣本放大在所述物鏡的像平面上，以獲得所述樣本的實(shí)像；空域掩膜，所述空域掩膜設(shè)置所述物鏡的像平面上，所述空域掩膜用于對(duì)所述樣本的實(shí)像進(jìn)行掩膜調(diào)制；4f系統(tǒng)，所述4f系統(tǒng)設(shè)置在所述空域掩膜之后，所述樣本的實(shí)像經(jīng)過(guò)所述空域掩膜到達(dá)所述4f系統(tǒng)；光柵，所述光柵設(shè)置在所述4f系統(tǒng)中間的傅里葉平面上，所述光柵用于對(duì)將所述樣本的實(shí)像進(jìn)行分離以獲得分離之后的實(shí)像；以及圖像傳感器，用于采集所述分離之后的實(shí)像以獲得所述樣本的圖像。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)技術(shù)中的普通的熒光顯微鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，增加了空域掩膜和4f系統(tǒng)，并利用光柵進(jìn)行分光調(diào)制，可以顯著提高多光譜成像的速率。同時(shí)，也能夠有效地提升光效率，使拍到的圖像質(zhì)量顯著提升。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述空域掩膜設(shè)置在所述4f系統(tǒng)的前焦平面上。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，還包括：反射鏡，所述反射鏡用于將所述樣本的實(shí)像反射至所述空域掩膜。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)過(guò)所述光柵的不同波長(zhǎng)的光發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)并在所述4f系統(tǒng)的像平面上匯聚成不同的點(diǎn)。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述空域掩膜包括預(yù)設(shè)的掩膜模式。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述圖像傳感器是灰度圖像傳感器。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，為達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)的實(shí)施例公開(kāi)的一種成像方法，應(yīng)用于上述任一項(xiàng)實(shí)施例所述的成像系統(tǒng)，所述方法包括：利用所述成像系統(tǒng)獲得所述樣本的圖像；獲得所述圖像在預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典下的至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)，其中所述多光譜過(guò)完備字典包括分別對(duì)應(yīng)于多個(gè)光譜段的多個(gè)過(guò)完備字典；根據(jù)所述至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)和所述至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)光譜段對(duì)所述圖像進(jìn)行光譜拆分，以獲得所述樣本的多光譜圖像。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法，主要利用了自然圖像固有的稀疏性，根據(jù)預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典，實(shí)現(xiàn)了寬視場(chǎng)、單次曝光下的多光譜成像。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述獲得所述圖像在預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典下的至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)，包括：根據(jù)所述預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典，利用k-svd算法求解所述圖像以獲得所述至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，方法還包括：建立所述預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典，所述建立所述預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典包括：使用不同熒光染色不同結(jié)構(gòu)的樣本，獲得多個(gè)多光譜圖像；對(duì)所述多個(gè)多光譜圖像進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練以獲得所述多個(gè)初始過(guò)完備字典，每個(gè)所述初始過(guò)完備字典對(duì)應(yīng)每個(gè)光譜段；獲得所述光柵的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；對(duì)所述多個(gè)初始過(guò)完備字典和所述點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行卷積以獲得所述預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像系統(tǒng)的示意圖；

圖3是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的兩個(gè)熒光譜段的psf調(diào)制曲線；

圖4是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法的流程圖；

圖5是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本申請(qǐng)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(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本申請(qǐng)，而不能理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。

圖1是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示，成像系統(tǒng)10包括：熒光顯微鏡110、空域掩膜120、4f系統(tǒng)130、光柵140和圖像傳感器150。

在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，熒光顯微鏡110包括激光源和物鏡(圖1中未示出)。樣本放置在物鏡的焦平面上。激光源用于發(fā)射激光。激光源發(fā)出的激光照射樣本。物鏡用于將被激光照射的樣本放大在物鏡的像平面上，以獲得樣本的實(shí)像。具體地，熒光顯微鏡110可以是相關(guān)技術(shù)中的普通熒光顯微鏡。熒光顯微鏡110中的其他組件可以參考相關(guān)技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)相關(guān)技術(shù)獲知熒光顯微鏡110中的其他組件，在此熒光顯微鏡110中的其他組件不再贅述。

空域掩膜120設(shè)置物鏡的像平面上?？沼蜓谀?20用于對(duì)樣本的實(shí)像進(jìn)行掩膜調(diào)制。采用空域掩膜120進(jìn)行掩膜以成像的目的是降低重建算法(后續(xù)實(shí)施例將敘述)中需要復(fù)原的變量個(gè)數(shù)，提高成像的準(zhǔn)確性。

4f系統(tǒng)130設(shè)置空域掩膜120之后。樣本的實(shí)像經(jīng)過(guò)空域掩膜120到達(dá)4f系統(tǒng)130。其中，4f系統(tǒng)130包括兩個(gè)焦距為f的透鏡，其相距2f，物距為f，相距也為f。

光柵140設(shè)置在4f系統(tǒng)130中間的傅里葉平面上。光柵140用于對(duì)將樣本的實(shí)像進(jìn)行分離以獲得分離之后的實(shí)像。圖像傳感器150用于采集分離之后的實(shí)像以獲得樣本的圖像。

圖2是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像系統(tǒng)的示意圖。如圖2所示，成像系統(tǒng)20包括：物鏡211、反射鏡212、空域掩膜220、4f系統(tǒng)230、光柵240和圖像傳感器250。

其中，樣本201放置在物鏡211的焦平面上。物鏡211將其焦平面上的樣本放大至其像平面上。在物鏡211的像平面上設(shè)置反射鏡212。反射鏡212用于將樣本的實(shí)像反射至空域掩膜220?？沼蜓谀?20設(shè)置在物鏡211的像平面上?？沼蜓谀?20的位置即為4f系統(tǒng)230的前焦平面。光柵240設(shè)置在4f系統(tǒng)230中間的傅里葉面上。圖像傳感器250設(shè)置在4f系統(tǒng)230之后的像平面上。

在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，空域掩膜220包括預(yù)設(shè)的掩膜模式。例如，隨機(jī)的二維0-1模式等。

在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，經(jīng)過(guò)光柵240的不同波長(zhǎng)的光發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)并在4f系統(tǒng)230的像平面上匯聚成不同的點(diǎn)。

與相關(guān)技術(shù)中的光柵分光方案不同的是，本申請(qǐng)的光柵240沒(méi)有設(shè)置在4f系統(tǒng)230的像平面(也即后焦平面)，而是設(shè)置4f系統(tǒng)230的傅里葉面上(即中間焦平面)。根據(jù)傅里葉光學(xué)的原理，4f系統(tǒng)230中間的中間焦平面為物體經(jīng)過(guò)低通濾波后的傅里葉域信息。如果光柵240放置在4f系統(tǒng)230中間焦平面上，不同波長(zhǎng)的光會(huì)發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)，并匯聚于4f系統(tǒng)230的像平面不同的點(diǎn)。該過(guò)程等價(jià)于在傅里葉域的x方向乘以一個(gè)相位因子，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的相位因子。由于傅里葉域中不同的相位因子，會(huì)導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)不同。而像的信息等于物的信息于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行卷積。圖像傳感器250可以獲得像函數(shù)(即像的信息)以及不同波長(zhǎng)特定的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(pointspreadfunction，psf)。獲得像函數(shù)以及不同波長(zhǎng)特定的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)之后，使用解卷積算法可以實(shí)現(xiàn)光譜的分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多光譜成像。例如，兩個(gè)熒光譜段的psf調(diào)制曲線如圖3所示，其中橫坐標(biāo)表示傳感器上的像素坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示歸一化強(qiáng)度。

在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，圖像傳感器250是灰度圖像傳感器。

根據(jù)本申請(qǐng)上述實(shí)施例的成像系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)技術(shù)中的普通的熒光顯微鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，增加了空域掩膜和4f系統(tǒng)，并利用光柵進(jìn)行分光調(diào)制，可以顯著提高多光譜成像的速率，同時(shí)，也能夠有效地提升光效率，使拍到的圖像質(zhì)量顯著提升。

為了實(shí)現(xiàn)多光譜成像，本申請(qǐng)實(shí)施例還提出一種成像方法。本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法主要基于以下原理。

(1)圖像的稀疏性

可以使用二維矩陣表示灰度數(shù)字圖像。該二維矩陣通常是滿(mǎn)秩的。然而，如果在以一組過(guò)完備字典作為基矩陣的前提下，該灰度數(shù)字圖像可以被較少數(shù)目的變量進(jìn)行稀疏表達(dá)。其中，稀疏表示的目的是在給定的過(guò)完備字典中用盡可能少的原子來(lái)表示圖像，可以獲得圖像更為簡(jiǎn)潔的表示方式。也就是說(shuō)，在基矩陣下，原圖像將被表示成一組新的坐標(biāo)，而這組坐標(biāo)的零-范數(shù)最小。

顯微成像的圖像作為一種特殊的自然圖像，其本身具有稀疏性。此外，由于同類(lèi)生物結(jié)構(gòu)往往在形態(tài)上具有足夠的相似性，使用足夠多的訓(xùn)練樣本作為先驗(yàn)輸入可以獲得過(guò)完備字典。將實(shí)際拍攝到的顯微成像的圖像經(jīng)過(guò)去躁、去模糊處理后，求得在該過(guò)完備字典下的稀疏表達(dá)即可得到真實(shí)的圖像數(shù)據(jù)。

圖4是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法的流程圖。如圖4所示，該方法包括以下步驟。

s401，利用成像系統(tǒng)獲得樣本的圖像。

利用成像系統(tǒng)具體拍攝樣本的圖像可參考上述成像系統(tǒng)實(shí)施例，在此不再贅述。

在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，還可以對(duì)拍攝到的樣本的圖像進(jìn)行預(yù)處理，例如，去躁、去模糊處理等。

s402，獲得樣本的圖像在預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典下的至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)，其中多光譜過(guò)完備字典包括分別對(duì)應(yīng)于多個(gè)光譜段的多個(gè)過(guò)完備字典。

s403，根據(jù)至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)和至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)光譜段對(duì)圖像進(jìn)行光譜拆分，以獲得樣本的多光譜圖像。

在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，根據(jù)預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典，利用k-svd算法求解樣本的圖像以獲得至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)。其中，k-svd是一種經(jīng)典的字典訓(xùn)練算法，依據(jù)誤差最小原則，對(duì)誤差項(xiàng)進(jìn)行svd分解，選擇使誤差最小的分解項(xiàng)作為更新的字典原子和對(duì)應(yīng)的原子系數(shù)，經(jīng)過(guò)不斷的迭代從而得到優(yōu)化的解。

圖5是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法的流程圖。如圖5所示，該方法包括以下步驟。

s500，建立預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典。

建立預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典包括：使用不同熒光染色不同結(jié)構(gòu)的樣本，獲得多個(gè)多光譜圖像；對(duì)多個(gè)多光譜圖像進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練以獲得多個(gè)初始過(guò)完備字典，每個(gè)初始過(guò)完備字典對(duì)應(yīng)每個(gè)光譜段；獲得光柵的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；對(duì)多個(gè)初始過(guò)完備字典和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行卷積以獲得預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典。

具體地，培養(yǎng)大量訓(xùn)練細(xì)胞，對(duì)不同細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行染色。利用低速地高分辨率成像系統(tǒng)(比如共聚焦顯微鏡)，進(jìn)行多光譜成像，并將這部分成像作為不同譜段的訓(xùn)練樣本，學(xué)習(xí)出過(guò)完備字典。由于不同譜段的熒光標(biāo)記了細(xì)胞的不同結(jié)構(gòu)，其將具有不同的先驗(yàn)特性，只要訓(xùn)練樣本的數(shù)目足夠大，我們就可以獲得一組高質(zhì)量的過(guò)完備字典。

s501，利用成像系統(tǒng)獲得樣本的圖像。

s502，獲得樣本的圖像在預(yù)設(shè)的多光譜過(guò)完備字典下的至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)，其中多光譜過(guò)完備字典包括分別對(duì)應(yīng)于多個(gè)光譜段的多個(gè)過(guò)完備字典。

s503，根據(jù)至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)和至少一個(gè)稀疏表達(dá)系數(shù)對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)光譜段對(duì)圖像進(jìn)行光譜拆分，以獲得樣本的多光譜圖像。

另外，恢復(fù)上述多光譜圖像的過(guò)程本質(zhì)上為一個(gè)求解矩陣方程的問(wèn)題。本申請(qǐng)實(shí)施例使用空域掩膜在空域上進(jìn)行掩膜調(diào)制能夠使得變量個(gè)數(shù)下降，在約束方程數(shù)目一致的情況下，能夠更加良好快速地恢復(fù)出精確解。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的成像方法，主要利用了自然圖像固有的稀疏性，訓(xùn)練顯微樣本獲得先驗(yàn)知識(shí)，并將其應(yīng)用到光譜維度的擴(kuò)展上，實(shí)現(xiàn)了寬視場(chǎng)、單次曝光的多光譜成像。

此外，術(shù)語(yǔ)“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)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本申請(qǐng)的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本申請(qǐng)中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)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，或成一體；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(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本申請(qǐng)中的具體含義。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“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)包含于本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)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)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本申請(qǐng)的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。