[發明專利]基于多角度照明以及傅立葉域編碼調制的傅立葉層疊成像系統

在審

• 申請號: 201810150497.3
• 申請日: 2018-02-13
• 公開（公告）號: CN108205191A
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發明（設計）人: 彭琛;鄭國安
• 申請（專利權）人: 成都筋斗云影視傳媒有限公司
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G02B21/06;G06T1/00
• 代理公司: 泰和泰律師事務所 51219
• 代理人: 曾祥坤

本發明提供一種基于多角度照明以及傅立葉域編碼調制的傅立葉層疊成像系統，包括多角度照明光源和圖像傳感器，待成像物體置于多角度照明光源與圖像傳感器之間，本傅立葉層疊成像系統還包括位于待成像物體與圖像傳感器之間的傅立葉面的編碼調制裝置。在待成像物體后方加入一個強度調制或者相位調制的擋板，使得基于多角度照明的成像系統不需要任何鏡頭，大幅度減輕設備的重量、縮小體積、降低成本，可以制作為便攜式系統在包括野外工作環境等不同的場合采集高分辨率的顯微圖像。本發明也支持包含物鏡、管鏡等光學鏡頭的高端系統組成方案，并且提供了一種光束亮度更高、圖像曝光時間更短、照明角度能夠任意調整、成本更低的多角度照明光源設計方案。

技術領域

本發明涉及基于傅立葉疊層成像的顯微成像系統，具體涉及一種基于多角度照明以及傅立葉域編碼調制的傅立葉層疊成像系統。

背景技術

以往傳統的顯微成像系統中，必須以犧牲分辨率來增大視場范圍。因為光學系統的像差，很難同時做到高分辨率和大視場。簡言之，在低倍顯微物鏡下可以看到被檢物體的全貌，但是分辨率很低。換成高倍物鏡時，分辨率提高但是就只能看到被檢物體的很小一部份。為解決視場和分辨率之間這一矛盾，常規顯微鏡系統主要采用高倍物鏡和精密掃描電動平臺實現大范圍空域掃描。這一系統每次采集一副高分辨，小視場的圖像，然后掃描平臺把物體移動到另一地方接著采圖。最后通過軟件將比較小的連續視野區域的圖像進行圖像拼接融合。該方法需要精密的機械掃描部件，所以必須依賴高度復雜的全電動平臺顯微鏡，這也是全片顯微系統價格日趨昂貴的主要因素之一。另一方面，定量相位成像由于能夠提供由樣品物理特性，已成為目前一種廣為應用的無標記顯微成像方法。定量相位成像一般基于數字全息的干涉成像。因為干涉裝置復雜，測量要求高，振動引入的噪聲以及散斑噪聲極大影響了成像質量。該方法雖然能夠實現無標記定量相位測量，但因為受到顯微物鏡的限制，不能同時獲得大視場高分辨率的顯微成像結果。綜上所述，同時實現大視場、高分辨率、定量相位測量是光學顯微技術的一項發展目標，而采用常規的光學顯微系統難以應對這一要求。

通信和信號處理理論，尤其是以合成孔徑雷達為代表的微波成像技術的迅速發展，有力地促成了現代光學的一個重要分支傅立葉光學的誕生。傅立葉光學是將電信理論及雷達系統中廣泛使用的傅立葉分析方法移植到光學領域而形成的新學科。在一個傳統的傅立葉疊層成像的系統中，樣品被不同角度的平面波照明并通過一個低數值孔徑的物鏡進行成像。由于二維的薄物體被來自不同角度的平面波照射，所以在物鏡后焦面上的物體的頻譜被平移到對應的不同位置。因此，一些本來超出物鏡數值孔徑的頻率成分被平移到物鏡數值孔徑以內從而能夠傳遞到成像面進行成像。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(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。

重構過程如圖1所示。其中，圖1(a)是系統組成的示意圖。重構過程的基本原理：首先根據采到的低分辨圖像產生一個初始解。該初始解可以把所有低分辨的圖加起來而相位取任意常數。接著利用相機拍攝到的一系列低分辨率圖像在頻域和空間域迭代。在頻域里更新對應的子孔徑里的頻譜信息，在空間域里把圖像的強度信息替換為采到圖的強度而相位保留不變。在這一過程中，子孔徑與子孔徑交疊著擴展了頻域帶寬并恢復出超過物鏡空間分辨率限制的高頻信息從而得到大的合成孔徑。最終這一過程可以同時重構出物體的大視場高分辨率光強和相位圖像(相位恢復)。這樣就實現了使用一個低數值孔徑、低放大率的物鏡同時獲得大視場和高分辨率的成像結果，最終重構的分辨率取決于頻域中合成數值孔徑的大小。圖中的LED陣列中每次有一支LED被點亮從而以一定的入射角對樣品進行照明。對于每一個照明角度，系統會采集一副樣品的低分辨率圖像，然后，所有的低分辨率圖像在傅立葉域合成一副高分辨率圖像。

如圖1(b)所示，重構過程的具體操作步驟如下：第一步，產生初始解；第二步，初始解傅立葉變換后通過低通濾波產生低分辨率圖像；第三步，用實驗采集到的強度圖片替換地分辨圖像的強度的信息，相位保持布不變然后更新傅立葉域的相關對應區域；第四步，對不同的照射角度重復二和三；第五步，重復二到四直到收斂。