一種傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法，首先在照明光波長確定的情況下，選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，確定傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的顯微物鏡、成像筒鏡和相機(jī)；然后在成像系統(tǒng)確定的情況下，選擇照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，確定傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的LED陣列以及它在系統(tǒng)中的位置。本發(fā)明在保證重構(gòu)圖像質(zhì)量的前提下減少所需拍攝的圖像數(shù)量，顯著提高圖像采集效率、迭代重構(gòu)效率和空間帶寬積。
【專利說明】
一種傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于顯微成像系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種傅立葉疊層顯微成像 系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在顯微成像領(lǐng)域，更高的分辨率一直是追求的目標(biāo)，但是在提高分辨率的同時存 在一個關(guān)鍵性問題，那就是并沒有隨分辨率一起提高的顯微鏡的空間帶寬積，換言之即傳 統(tǒng)顯微鏡存在分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾。因為，傳統(tǒng)顯微鏡使用低倍物鏡進(jìn) 行成像時視場大但是分辨率低，而使用高倍物鏡進(jìn)行成像時分辨率提高了但是相應(yīng)的視場 就會縮得很小。目前，為了突破分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾，常見的方法是采用 常規(guī)顯微鏡系統(tǒng)配合高精度機(jī)械掃描和后期空域圖像拼接方法將多個小視場高分辨率圖 像拼接融合生成一幅大視場高分辨率圖像（[1]2013205777012,適用于結(jié)核桿菌抗酸染色 圖像拼接的裝置）。但是由于引入了機(jī)械移動裝置，所以系統(tǒng)成像時的穩(wěn)定性和成像速度又 成為一對難以調(diào)和的矛盾，提高掃描速度必將影響成像穩(wěn)定性。所以，想要突破分辨率與視 場大小難以同時兼顧的矛盾又不引入了機(jī)械移動裝置，必須采用近年來提出的計算成像的 方法，比如傅立葉疊層顯微成像技術(shù)。
[0003] 傅里葉疊層成像技術(shù)是近年來發(fā)展出的一種大視場高分辨率定量相位計算顯微 成像技術(shù)（[2]謝宗良等人.小孔掃描傅里葉疊層成像的關(guān)鍵參量研究[J].光學(xué)學(xué)報，2015， 35(10) :94-102)，該方法整合了相位恢復(fù)和合成孔徑的概念。與其他相位恢復(fù)方法相似，傅 里葉疊層成像技術(shù)的處理過程也是根據(jù)空域中記錄的光強(qiáng)信息和頻域中某種固定的映射 關(guān)系來進(jìn)行交替迭代的，特別的是該技術(shù)借用了合成孔徑疊層成像的思想。在一個傳統(tǒng)的 傅里葉疊層成像的系統(tǒng)中，樣品被不同角度的平面波照明并通過一個低數(shù)值孔徑的物鏡進(jìn) 行成像。由于二維的薄物體被來自不同角度的平面波照明，所以在物鏡后焦面上物體的頻 譜被平移到對應(yīng)的不同位置。因此，一些本來超出物鏡數(shù)值孔徑的頻率成分被平移到物鏡 數(shù)值孔徑以內(nèi)從而能夠傳遞到成像面進(jìn)行成像。反過來看，不同角度的入射光可等效為在 頻譜上不同位置的交疊的光瞳函數(shù)(子孔徑），每次通過不同位置子孔徑的頻譜在頻域上形 成疊層。之后再利用相機(jī)拍攝到的一系列低分辨率圖像在頻域里迭代，依次更新對應(yīng)的子 孔徑里的頻譜信息，子孔徑與子孔徑交疊著擴(kuò)展了頻域帶寬并恢復(fù)出超過物鏡空間分辨率 限制的高頻信息(合成孔徑），最終同時重構(gòu)出物體的大視場高分辨率光強(qiáng)和相位圖像(相 位恢復(fù)）。這樣就實現(xiàn)了使用一個低數(shù)值孔徑、低放大率的物鏡同時獲得大視場和高分辨率 成像，最終重構(gòu)的分辨率取決于頻域中合成數(shù)值孔徑的大小。
[0004] 傅里葉疊層顯微成像技術(shù)是一種新型的大視場高分辨顯微成像技術(shù)，但目前其實 驗系統(tǒng)參數(shù)的選擇還沒有達(dá)到最優(yōu)化，尤其不恰當(dāng)?shù)倪x擇某些系統(tǒng)參數(shù)會直接導(dǎo)致重構(gòu)圖 像質(zhì)量的下降，因此如何選擇合適的系統(tǒng)元件來搭建傅立葉疊層成像的實驗系統(tǒng)以達(dá)到系 統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)化，就成為了傅里葉疊層顯微成像技術(shù)必須克服的一個技術(shù)難題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法， 在保證重構(gòu)圖像質(zhì)量的前提下減少所需拍攝的圖像數(shù)量，顯著提高圖像采集效率、迭代重 構(gòu)效率和空間帶寬積。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參 數(shù)選擇方法，步驟如下：
[0007] 步驟一，在照明光波長確定的情況下，選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括物鏡的 數(shù)值孔徑、，成像筒鏡的放大率、相機(jī)的像素尺寸、像素行數(shù)、放大率和視場數(shù)從而確定傅立 葉疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的顯微物鏡、成像筒鏡和相機(jī)；
[0008] 步驟二，在成像系統(tǒng)確定的情況下，選擇照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括LED陣列 相鄰兩個LED單元之間的間距、LED陣列到樣品之間的高度差、LED陣列的行數(shù)，從而確定傅 立葉疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的LED陣列以及它在系統(tǒng)中的位置。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：（1)選擇了最優(yōu)的成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，保 證了在不出現(xiàn)像素混疊情況下，獲得最大的視場及重構(gòu)分辨率，即獲得了最大的空間帶寬 積。（2)選擇了最優(yōu)的照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，保證了在獲得最佳的重構(gòu)圖像質(zhì)量的前提下， 減少所需拍攝的圖像數(shù)量，顯著提高圖像采集效率和迭代重構(gòu)效率。
[0010] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法的流程示意圖。
[0012] 圖2為以USAF分辨率板作為待測樣品的傅立葉疊層顯微成像結(jié)果：圖2(a)表示的 是成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)沒有達(dá)到最優(yōu)時的重構(gòu)結(jié)果；圖2(b)表示的是成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù) 達(dá)到最優(yōu)時的重構(gòu)結(jié)果；圖2(c)表示的是照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)沒有達(dá)到最優(yōu)時利用121幅 低分辨率圖像重構(gòu)的結(jié)果；圖2(d)表示的是照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)時利用49幅低分 辨率圖像重構(gòu)的結(jié)果。
【具體實施方式】
[0013] 結(jié)合圖1，傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)包括成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，本發(fā)明首先在照明 光波長確定的情況下，選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括物鏡的數(shù)值孔徑、成像筒鏡的放 大率、相機(jī)的像素尺寸、像素行數(shù)、放大率和視場數(shù);然后在成像系統(tǒng)確定的情況下，選擇照 明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括LED陣列相鄰兩個LED單元之間的間距、LED陣列到樣品之間的 高度差、LED陣列的行數(shù)，具體實現(xiàn)步驟如下：
[0014] 步驟一，在照明光波長確定的情況下，選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括物鏡的 數(shù)值孔徑、成像筒鏡的放大率、相機(jī)的像素尺寸、像素行數(shù)、放大率和視場數(shù)，即確定傅立葉 疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的顯微物鏡、成像筒鏡和相機(jī)。選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)的公 式為： (1) (2)
[0017]其中，A為照明光波長，NA-為物鏡的數(shù)值孔徑，Dcam為相機(jī)的像素尺寸，Magc^為物 鏡的放大率，Magt-為筒鏡的放大率，Nram為相機(jī)的像素行數(shù)，F(xiàn)N〇bj為物鏡的視場數(shù)。這里公 式（1)是設(shè)計最優(yōu)化傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的必要條件，即必須滿足的條件，否則重構(gòu)圖 像質(zhì)量會嚴(yán)重下降。而公式(2)是最優(yōu)化參數(shù)選測的充分條件，是為了達(dá)到更高的空間帶寬 積。
[0018]步驟二，在成像系統(tǒng)確定的情況下，選擇照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括LED陣列 相鄰兩個LED單元之間的間距、LED陣列到樣品之間的高度差、LED陣列的行數(shù)，即確定傅立 葉疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的LED陣列以及它在系統(tǒng)中的位置。選擇照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參 數(shù)的公式為：
(3) (4;
[0021] 其中，Dled為LED陣列相鄰兩個LED單元之間的間距，h為LED陣列到樣品之間的高度 差，Nled為LED陣列的行數(shù)，NAsyn為所需合成的最大數(shù)值孔徑。這里公式⑶是設(shè)計最優(yōu)化傅 立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的必要條件，即必須滿足的條件，否則重構(gòu)圖像質(zhì)量會嚴(yán)重下降。而 公式(4)是最優(yōu)化參數(shù)選測的充分條件，是為了減少所需拍攝的圖像數(shù)量，提高圖像采集效 率。
[0022]通過上述步驟可以看出，本發(fā)明選擇了最優(yōu)的成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，保證了在不 出現(xiàn)像素混疊情況下，獲得最大的視場及重構(gòu)分辨率，即獲得了最大的空間帶寬積。此外， 本發(fā)明選擇了最優(yōu)的照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，保證了在獲得最佳的重構(gòu)圖像質(zhì)量的前提下， 減少所需拍攝的圖像數(shù)量，顯著提高圖像采集效率和迭代重構(gòu)效率。
[0023]為了測試本發(fā)明的實驗效果，以USAF分辨率板作為待測樣品進(jìn)行了傅立葉疊層顯 微成像，圖2(a)表示的是成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)沒有達(dá)到最優(yōu)時的重構(gòu)結(jié)果，圖2(b)表示的 是成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)時的重構(gòu)結(jié)果。圖2(c)表示的是照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)沒有 達(dá)到最優(yōu)時利用121幅低分辨率圖像重構(gòu)的結(jié)果，圖2(d)表示的是照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)達(dá) 到最優(yōu)時利用49幅低分辨率圖像重構(gòu)的結(jié)果。從圖2(a)和2(b)中可以看出，成像系統(tǒng)的系 統(tǒng)參數(shù)沒有達(dá)到最優(yōu)時，重構(gòu)質(zhì)量嚴(yán)重下降，而成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)時，所有頻率 的信息都得到了準(zhǔn)確的恢復(fù)。從圖2(c)和2(d)中可以看出，照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)沒有達(dá)到 最優(yōu)時，雖然重構(gòu)圖像質(zhì)量很好，但是需要拍攝121幅低分辨率圖像，圖像采集效率和迭代 重構(gòu)效率都偏低，而照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)時，只需要拍攝49幅低分辨率圖像就能 以同樣的精度恢復(fù)出樣品的高分辨率圖像，因此本發(fā)明使得傅立葉疊層成像系統(tǒng)能夠在實 現(xiàn)最大空間帶寬積的同時，顯著提高圖像采集效率和迭代重構(gòu)效率。
【主權(quán)項】
1. 一種傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法，其特征在于步驟如下： 步驟一，在照明光波長確定的情況下，選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括物鏡的數(shù)值 孔徑、，成像筒鏡的放大率、相機(jī)的像素尺寸、像素行數(shù)、放大率和視場數(shù)從而確定傅立葉疊 層顯微成像系統(tǒng)中所使用的顯微物鏡、成像筒鏡和相機(jī)； 步驟二，在成像系統(tǒng)確定的情況下，選擇照明系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，其中包括LED陣列相鄰 兩個L抓單元之間的間距、L抓陣列到樣品之間的高度差、L抓陣列的行數(shù)，從而確定傅立葉 疊層顯微成像系統(tǒng)中所使用的L邸陣列W及它在系統(tǒng)中的位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傅立葉疊層顯微成像系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法，其特征 在于步驟一中選擇成像系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)的方法為：CD 其中，A為照巧 ，Dcam為相機(jī)的像素尺寸，Magobj為物鏡的 放大率，Magtube為- 仔數(shù)，F(xiàn)Nobj為物鏡的視場數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要 t系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法，其特征 在于步驟一中選^ C： (2、 其中，Dcam為相 沒大率，Ncam為相機(jī)的像素行數(shù)，F(xiàn)Ncbj為物 鏡的視場數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要 t系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法，其特征 在于步驟二中，選 ： 貨 其中，Dled為L 巧距，h為LED陣列到樣品之間的高度差， NAobJ為物鏡的數(shù)5. 根據(jù)權(quán)利要 t系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇方法，其特征 在于步驟二中，選 有： 巧 其中，Dled為L抓陣列相鄰兩個L抓單元之間的間距，h為L抓陣列到樣品之間的高度差， Nled為LED陣列的行數(shù)，NAsyn為所需合成的最大數(shù)值孔徑。
【文檔編號】G02B27/00GK105911692SQ201610473558
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】陳錢, 孫佳嵩, 左超, 顧國華, 張玉珍, 李加基, 張佳琳
【申請人】南京理工大學(xué)