[發明專利]穿透散射介質的快速三維成像系統及方法

在審

• 申請號: 201710053613.5
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106842539A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 戴瓊海;熊博;吳嘉敏
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G02B21/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 張潤

技術領域

本發明涉及光場顯微成像和偏振光成像等技術領域，特別涉及一種穿透散射介質的快速三維成像系統及方法。

背景技術

光場顯微(Light field microscopy,LFM)是一種無需掃描的三維計算成像方法，該方法能夠同時記錄透過顯微樣本光線的二維空間和二維角度的分布，計算機視覺領域中的多視角成像原理與之相同。這種空間-角度的數據可以計算合成重聚焦圖像，能夠進行靈活的景深調整，以及實現樣本的三維體重建，因而在光學生物成像方面有著重要的應用。目前的光場顯微成像方式有通過在光學顯微鏡中間級像平面上加入微透鏡陣列的方式實現，使得傳感器像素能夠在單次曝光過程中采集光場的光線。然而，這種基于微透鏡陣列的光場顯微(Microlens array based light field microscopy,MALM)需要在傳感器的空間分辨率和角度分辨率之間進行折中，因此所獲得的圖像空間分辨率相比原始的傳感器分辨率降低了幾個數量級。另外一種成像方式則是基于相機陣列的顯微成像系統，基于相機陣列的顯微成像系統(CALM)提出的基于相機陣列的光場顯微相比基于微透鏡陣列的光場顯微具有更大的靈活性。這里通過三個方面給出兩種方法的差異。第一，相比基于微透鏡陣列的光場顯微系統(MALM)采用單個傳感器，CALM通過整合傳感器陣列，因此能夠獲得更高分辨率的光場。第二，不同視角的圖像間存在大量冗余，相比低角度分辨率，人眼對低空間分辨率更加敏感。CALM可以很容易的配置成低角度分辨率、高空間分辨率光場采集，而MALM則要求所采用的微透鏡陣列中的每一個微透鏡尺寸足夠小并且有合適的焦距，加工工藝復雜而且困難。第三，CALM中的每個相機參數可以根據不同的應用獨立設置，比如應用于非均勻光照角度補償、或聚焦位置不一致的補償等。

正交偏振譜(Orthogonal Polarization Spectral，簡稱OPS)技術是近些年來發展起來的微循環成像技術，該方法利用生物組織淺表層散反射光不改變偏振態，而從組織深處散射的光束會發生退偏的特性，可以通過偏振方向正交的偏振過濾掉淺表層反射光，從背向散射光中探測到組織深層的二維圖像信息，背向反射光大約占全部光線的10％。在光源的發射光譜與紅血球的吸收光譜相匹配，且弱光探測信號不被背景噪聲干擾時，該方法可以得到高對比度的微血管圖像。正交偏振譜技術的一個缺點在于它只能用于二維血管圖像探測，并不能在深度方向進行連續探測，因而該技術目前并沒有很好的應用于三維成像。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。

為此，本發明的目的在于提出一種在結合正交偏振譜方法中偏振光退偏成像的思想以及基于相機陣列的光場顯微裝置，特別提出了一種穿透散射介質的快速三維成像系統及方法，該成像系統及方法能夠實現穿透薄散射介質后的快速三維成像，特別是人體微循環的三維觀測，并且簡單易實現。

為了實現上述目的，本發明的第一方面的實施例公開了一種穿透散射介質的快速三維成像系統，包括：照明模塊，用于產生可見光譜段的線偏振光并通過顯微鏡物鏡照射半透明顯微樣本；顯微鏡，用于通過所述顯微鏡的相機引出口將顯微樣本放大到像平面，內含兩塊三棱柱樹脂粘合而成的分光鏡；液晶可調濾光片，用于選擇性透過成像光線中的部分頻譜，觀察窄帶寬可見光成像；內含偏振片，可調節至偏振方向與樣本入射光偏振方向垂直的方向，過濾樣本表面保持原偏振性的反射光；放大模塊，用于根據所述像平面生成光圈平面；相機陣列，所述相機陣列中的每個相機具有成像透鏡和傳感器，所述相機陣列包括：成像透鏡陣列，用于通過所述光圈平面獲取所述顯微樣本在不同視角下的樣本圖像，且所述放大模塊將所述光圈平面的尺寸與所述成像透鏡陣列的尺寸匹配相一致；傳感器陣列，所述傳感器陣列中的每個傳感器與所述成像透鏡陣列中的每個成像透鏡對應，所述每個傳感器相應地記錄與其對應的成像透鏡獲取的樣本圖像；以及控制器，所述控制器與所述相機陣列相連，對所述顯微樣本在不同視角下的所述樣本圖像進行同步采集和光學校準以獲取所述顯微樣本的多視角圖像和/或視頻。

另外，根據本發明上述實施例穿透散射介質的快速三維成像系統還可以具有如下附加的技術特征：

進一步地，所述相機陣列中的每個相機獨立設置。

進一步地，所述放大模塊為兩級中繼系統，且所述兩級中繼系統包括：第一級中繼透鏡，所述第一級中繼透鏡根據所述像平面生成所述光圈平面；以及第二級中繼透鏡，所述第二級中繼透鏡將所述光圈平面放大至覆蓋整個所述相機陣列的大小。