[發明專利]一種基于相位編碼單透鏡的顯微成像方法

有效

• 申請號: 202010119339.9
• 申請日: 2020-02-26
• 公開（公告）號: CN111221118B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 卞殷旭;占林;沈華;張超
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G01N21/84;G01N21/01
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

本發明公開了一種基于相位編碼單透鏡的顯微成像方法，只采用一片具有相位編碼功能的單透鏡進行成像，結合后續處理算法，可實現與現有精密商用顯微鏡相當的顯微成像分辨能力，適用于野外條件下便攜地進行生物組織和細胞檢測。首先成像系統采用一片具有兩個非球面面型的相位編碼單透鏡對生物樣本進行成像，圖像傳感器位于G光照明下的生物樣品的共軛位置，用于圖像的采集；然后采用算法對采集到的圖像進行處理：分別對采集到的圖像在R\B兩個通道執行自動聚焦算法，重建恢復出R\B兩個通道的準焦圖像；對R\G\B三個通道的準焦圖像分別采用已經訓練好的生成對抗神經網絡(GAN)的核函數進行高分辨圖像重建；最后將重建后的R\G\B圖像進行圖像匹配和彩色融合。

技術領域

本發明屬于顯微成像領域，具體涉及一種基于相位編碼單透鏡的顯微成像方法。

背景技術

目前對微觀世界觀察的常用的檢測手段之一就是利用顯微鏡對采集到的生化樣品進行直觀的檢測，例如相襯顯微鏡、微分干涉相襯顯微鏡、熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡，促進了生命科學研究水平的提高，以更高的分辨率和成像質量為疾病診斷，尤其是重大惡性疾病的早期診斷提供了有力的影像學依據，但是它們通常價格高昂，且體積較大、較為笨重，不利于在野外使用。

隨著時代的發展，移動醫療和環保領域的野外生化檢測對便攜式生化檢測和數據分析的設備的需求越來越大。實現顯微設備的體積小型化、成本低廉化、操作簡便化，必然能夠大大降低醫療檢測的門檻，為資源條件有限的地區的醫療檢測、農業和環境保護領域的野外實時生化檢測提供便利和實時精準的測量。

近年來，為了追求簡化照明與成像光路，拋棄昂貴笨重的光學鏡頭及光路結構的目標，單透鏡成像的概念逐漸被科研人員提起。單透鏡顯微成像技術能夠大大降低顯微鏡的成本，同時為整體系統的小型化、輕量化提供更多可能性。

目前國內外針對單透鏡成像基于光學元件的方法主要有以下幾種：自由曲面法，梯度折射率透鏡法和超透鏡法。其中，自由曲面法由于透鏡對大視場的所有光線無法滿足光程差相等，因此難以消除所有像差，且面型加工難度大，加工質量無法保證。梯度折射率透鏡法雖然能夠消除球面像差，但在大空間帶寬積成像系統中不能很好地工作。超透鏡法通常是通過電子束光刻和聚焦離子束蝕刻在透鏡表面上產生非周期納米級結構而制成的，例如哈佛大學的Capasso在“Metalenses at visible wavelengths:Diffraction-limitedfocusing andsubwavelength resolution imaging”一文中提出利用由微納結構構成的超透鏡在可見光波段實現成像，然而，目前能夠實現單鏡成像的超透鏡的口徑都是mm以下量級，視場角較小，且加工十分復雜，尚不能應用于普通的成像設備。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于相位編碼單透鏡的顯微成像方法，只需一片透鏡即可實現與現有精密商用顯微鏡相當的顯微成像分辨能力，適用于野外條件下便攜地進行生物組織和細胞檢測。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于相位編碼單透鏡的顯微成像方法，步驟如下：

第一步、選取若干生物樣本，包括訓練樣本和測試樣本，搭建成像系統，所述成像系統包括沿光路依次設置白光LED光源、空間濾波器、移動載物臺、相位編碼單透鏡、圖像傳感器；其中，生物樣本設置在移動載物臺上，圖像傳感器位于G光照明下的生物樣本的共軛位置；點亮白光LED光源產生光線，光線通過空間濾波器入射到生物樣本上，再經相位編碼單透鏡成像并由圖像傳感器采集圖像；不斷更換生物樣本，重復上述步驟采集生物樣本圖像；

第二步、利用自動聚焦算法對第一步采集到的生物樣本圖像標定每個生物樣本圖像的R通道的離焦圖像I′_R的離焦距離和B通道的離焦圖像I′_B的離焦距離，在分別得到對應的離焦距離后，以該離焦距離為參數，基于菲涅爾標量衍射方法，分別重建R通道的準焦圖像I_B和B通道的準焦圖像I_B；