本發(fā)明涉及計算顯微技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多光譜顯微成像系統(tǒng)及顯微鏡。

背景技術(shù)：

熒光顯微技術(shù)在生命科學領(lǐng)域中有著廣泛的應用。比如研究某種生命結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移特性時，通常需要對其植入某種熒光蛋白，對其進行追蹤。同時，生命結(jié)構(gòu)自身熒光的變化也在某種程度上能夠體現(xiàn)生命體性質(zhì)的變化。因此，對熒光顯微技術(shù)的研究將能夠大大推動生命科學的發(fā)展。

常規(guī)的熒光顯微技術(shù)主要包含共聚焦熒光顯微，其利用特定的激發(fā)光對聚焦層面上的熒光樣本集進行熒光激發(fā)，并在采集端使用相機傳感器收集樣本受激發(fā)出的熒光信號，通常情況下，其不具有光譜維度的信息。

相關(guān)技術(shù)中，多光譜顯微技術(shù)主要的缺點：在提升光譜分辨率的同時，往往犧牲了視場、空間分辨率或者時間分辨率。比如使用窄帶濾波片的方法，可以每次在單次采集時獲得指定波段的光譜信息，但是其需要每次更換硬件設(shè)施，增加采集時間，并且難以獲得較高的光譜分辨率。使用光柵分光，并對相機像素進行分組采集，可以獲得較高的光譜分辨率，但是這種技術(shù)在獲得光譜分辨率的同時，以同樣的倍數(shù)降低了空間分辨率。因此，高光譜分辨率、寬視場、高空間分辨率和高時間分辨率構(gòu)成了一組矛盾的指標。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種多光譜顯微成像系統(tǒng)。該多光譜顯微成像系統(tǒng)添加一個增加空域編碼掩膜，然后經(jīng)過一個雙透鏡4f系統(tǒng)，并在中間使用光柵進行光譜分離，從而對整個成像系統(tǒng)形成在傅里葉域上點擴散函數(shù)的調(diào)制，這樣可以顯著提高多光譜顯微成像的速率，同時，也能夠有效地提升光效率，使拍到的照片質(zhì)量顯著提升。

本發(fā)明的另一個目的在于提出一種顯微鏡。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一方面公開了一種多光譜顯微成像系統(tǒng)，包括：放大裝置，用于放大待測樣片被激發(fā)出的光，其中，所述放大裝置與待測樣片之間的距離不大于預定距離；空域掩模，所述空域掩模設(shè)置在所述放大裝置的一側(cè)且與所述放大裝置的距離為能夠使經(jīng)過所述放大裝置放大的光的全部信息均照射在所述空域掩模上；雙透鏡4f系統(tǒng)，所述雙透鏡4f系統(tǒng)設(shè)置在所述空域掩模的一側(cè)，所述雙透鏡4f系統(tǒng)與所述空域掩模的距離為一個焦距的距離；光柵，所述光柵設(shè)置在所述雙透鏡4f系統(tǒng)的傅里葉面上；采集裝置，所述采集裝置設(shè)置在所述雙透鏡4f系統(tǒng)的一側(cè)，所述采集裝置用于采集光譜信息。

根據(jù)本發(fā)明的多光譜顯微成像系統(tǒng)，添加一個增加空域編碼掩膜，然后經(jīng)過一個雙透鏡4f系統(tǒng)，并在中間使用光柵進行光譜分離，從而對整個成像系統(tǒng)形成在傅里葉域上點擴散函數(shù)的調(diào)制，這樣可以顯著提高多光譜顯微成像的速率，同時，也能夠有效地提升光效率，使拍到的照片質(zhì)量顯著提升。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的多光譜顯微成像系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

進一步地，所述預定距離為能使所述放大裝置與待測樣片之間形成寬視場的距離。

進一步地，所述放大裝置為顯微鏡中包括的物鏡。

進一步地，還包括：反射鏡，所述反射鏡用于改變經(jīng)過所述放大裝置放大的光的光路，所述空域掩模位于所述光路上。

進一步地，所述采集裝置包括灰度相機傳感器。

本發(fā)明的第二方面公開了一種顯微鏡，包括根據(jù)上述任意一個實施例所述的多光譜顯微成像系統(tǒng)。該顯微鏡添加一個增加空域編碼掩膜，然后經(jīng)過一個雙透鏡4f系統(tǒng)，并在中間使用光柵進行光譜分離，從而對整個成像系統(tǒng)形成在傅里葉域上點擴散函數(shù)的調(diào)制，這樣可以顯著提高多光譜顯微成像的速率，同時，也能夠有效地提升光效率，使拍到的照片質(zhì)量顯著提升。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點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)點從結(jié)合下面附圖對實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)明一個實施例的多光譜顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是一組多光譜的基矩陣的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的兩個熒光譜段的點擴散函數(shù)調(diào)制曲線示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的兩個熒光譜段的重建結(jié)果示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的多光譜顯微成像系統(tǒng)及顯微鏡。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多光譜顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多光譜顯微成像系統(tǒng)100，包括：放大裝置110、空域掩模120、雙透鏡4f系統(tǒng)130、光柵140和采集裝置150。

其中，放大裝置110用于放大待測樣片被激發(fā)出的光，其中，放大裝置110與待測樣片之間的距離不大于預定距離。

空域掩模120設(shè)置在放大裝置110的一側(cè)且與放大裝置110的距離為能夠使經(jīng)過放大裝置放大的光的全部信息均照射在空域掩模110上。

具體來說，空域掩模是恢復一個圖像的過程本質(zhì)上為一個求解矩陣方程的問題。在空域上進行掩膜調(diào)制能夠使得變量個數(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出精確解。

本申請在放大裝置110的像平面上增加空域的編碼掩膜，并設(shè)計好其編碼模式，放置在雙透鏡4f系統(tǒng)130前焦平面上?？沼蜓谀?20恢復一個圖像的過程本質(zhì)上為一個求解矩陣方程的問題。在空域上進行掩膜調(diào)制能夠使得變量個數(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出精確解。

雙透鏡4f系統(tǒng)130設(shè)置在空域掩模120的一側(cè)，雙透鏡4f系統(tǒng)130與空域掩模120的距離為一個焦距的距離。

光柵140設(shè)置在雙透鏡4f系統(tǒng)130的傅里葉面上。

具體來說，根據(jù)傅里葉光學中的原理，雙透鏡4f系統(tǒng)130中間的焦平面為物體經(jīng)過低通濾波后的傅里葉域信息。而光柵140放在此位置，會使得不同波長的光發(fā)生對應的不同角度的偏轉(zhuǎn)，并匯聚于像平面不同的點。

采集裝置150設(shè)置在雙透鏡4f系統(tǒng)130的一側(cè)，采集裝置140用于采集光譜信息。

具體來說，采集裝置150采集由雙透鏡4f系統(tǒng)130發(fā)射出來的光，獲得了像函數(shù)以及不同波長特定的點擴散函數(shù)，使用解卷積算法就可以實現(xiàn)光譜的分離，進而實現(xiàn)多光譜成像。

根據(jù)本發(fā)明的多光譜顯微成像系統(tǒng)，添加一個增加空域編碼掩膜，然后經(jīng)過一個雙透鏡4f系統(tǒng)，并在中間使用光柵進行光譜分離，從而對整個成像系統(tǒng)形成在傅里葉域上點擴散函數(shù)的調(diào)制，這樣可以顯著提高多光譜顯微成像的速率，同時，也能夠有效地提升光效率，使拍到的照片質(zhì)量顯著提升。

在一些實施例中，預定距離為能使放大裝置110與待測樣片之間形成寬視場的距離。在放大裝置110與待測樣片之間形成寬視場，在熒光顯微成像領(lǐng)域能夠提高成像的速率以及光譜分辨率。

進一步地，放大裝置110可以為顯微鏡中包括的物鏡。也就說是，本發(fā)明的一個實施例，可以是在現(xiàn)有的普通熒光顯微鏡的基礎(chǔ)上，引出光路，然后將光路通過空域編碼掩膜，然后經(jīng)過一個雙透鏡4f系統(tǒng)，進行熒光多光譜的成像。

進一步地，結(jié)合圖1所示，還包括：反射鏡160，反射鏡160用于改變經(jīng)過放大裝置110放大的光的光路，空域掩模位120于光路上。

具體來說，在現(xiàn)有的普通熒光顯微鏡的基礎(chǔ)上，激發(fā)光源發(fā)出的高強度的激發(fā)光經(jīng)過物鏡聚焦，將待測樣本置于聚焦平面上進行熒光激發(fā)，發(fā)射出的光經(jīng)過物鏡(即放大裝置110)在像平面上進行方法，焦平面上的樣本將形成一個清晰的實像。

在一些實施例中，采集裝置140包括灰度相機傳感器。進一步地，在灰度相機傳感器后可以連接一個計算機，對采集到的數(shù)據(jù)進行保存和處理。

作為一個示例，對采集到的數(shù)據(jù)進行保存和處理過程。對于顯微圖像來說，顯微圖像作為一種特殊的自然圖像，其本身具有稀疏性。其中，一張灰度數(shù)字圖像可以使用二維矩陣進行表示，在通常的表示下，其一般是滿秩的。然而，當前研究表明，在某一組過完備字典作為基矩陣的前提下，其可以被很少的變量數(shù)目進行稀疏表達。即在此矩陣下，坐標向量的零-范數(shù)最小。

此外，由于一類生物結(jié)構(gòu)往往在形態(tài)上具有足夠的相似性，使用足夠多的訓練樣本作為先驗輸入可以獲得過完備字典。將實際拍攝到的顯微圖像經(jīng)過去躁、去模糊處理后，求得在該組基下的稀疏表達即可得到真實的圖像數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖2所示，本申請利用不同熒光標記的樣本具有的不同先驗特性，獲取每一種熒光譜段下的過完備字典，合成一組多光譜的基矩陣，利用k-svd算法求取對合成的圖像的最稀疏解，即可實現(xiàn)各個譜段圖像的分離。

其中，k-svd是一種經(jīng)典的字典訓練算法，依據(jù)誤差最小原則，對誤差項進行svd分解，選擇使誤差最小的分解項作為更新的字典原子和對應的原子系數(shù)，經(jīng)過不斷的迭代從而得到優(yōu)化的解。本申請利用其求解某組向量在給定基下的最稀疏表達。

與傳統(tǒng)的分光方案不同，本系統(tǒng)中的光柵沒有添加在相平面上，而是添加在了4f系統(tǒng)的傅里葉面上。也就是說，在傅里葉域的x方向乘以一個相位因子，不同波長的相位因子不同。由于傅里葉域不同的相位因子，會導致不同波長的點擴散函數(shù)不同。而像的信息等于物的信息于點擴散函數(shù)進行卷積。在采集端，獲得了像函數(shù)以及不同波長特定的點擴散函數(shù)，使用解卷積算法就可以實現(xiàn)光譜的分離，進而實現(xiàn)多光譜成像。兩個熒光譜段的點擴散函數(shù)調(diào)制曲線如圖3所示。

重建過程：兩個光譜通道的輸入原始圖像如圖4(a)圖(b)所示，合成圖像如圖4(c)所示，分離后的兩個通道的圖形如圖4(d)圖4(e)所示。

進一步地，本發(fā)明的實施例公開了一種顯微鏡，該顯微鏡設(shè)置有上述任意一個實施例所述的多光譜顯微成像系統(tǒng)。該顯微鏡添加一個增加空域編碼掩膜，然后經(jīng)過一個雙透鏡4f系統(tǒng)，并在中間使用光柵進行光譜分離，從而對整個成像系統(tǒng)形成在傅里葉域上點擴散函數(shù)的調(diào)制，這樣可以顯著提高多光譜顯微成像的速率，同時，也能夠有效地提升光效率，使拍到的照片質(zhì)量顯著提升。

另外，根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微鏡的其它構(gòu)成以及作用對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。

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該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應做廣義理解，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，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(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)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實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)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。

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