[發明專利]一種基于傅里葉疊層顯微成像的頻域光源位置精確校正方法

有效

• 申請號: 202110969362.1
• 申請日: 2021-08-23
• 公開（公告）號: CN113671682B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 許廷發;陳毅文;張繼洲;李佳男;張瑾華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學重慶創新中心;北京理工大學
• 主分類號: G02B21/06
• 分類號: G02B21/06;G02B21/14;G06T7/33;G06N3/006
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 徐靜

本發明基于傅里葉疊層顯微成像的頻域光源位置精確校正方法中，(1)針對校正位置不精確的問題，對LED陣列中每個LED引入獨立的頻域位置誤差模型進行精確校正；(2)針對校正過程需要參與圖像重建過程而帶來的時間消耗過長的問題，引入一幅高倍物鏡采集的高分辨率強度圖像當做參考圖像，模擬傅里葉疊層顯微成像技術的圖像采集過程，生成每個LED對應的虛擬低分辨強度圖像。結合虛擬與實際采集的圖像，建立損失函數，以二維粒子群算法搜索每個LED對應的最佳頻域位置參數。因此，本發明利用引入的高倍物鏡下高分辨強度圖像與頻域位置誤差模型實現了基于傅里葉疊層成像原理的LED光源頻域位置精確校正，具有實現簡易、魯棒性高、位置精確等優點。

技術領域

本發明涉及定量位相計算顯微成像技術領域，具體而言，涉及一種基于傅里葉疊層顯微成像的頻域光源位置精確校正方法。

背景技術

傳統光學顯微成像技術以記錄光強度信息方式形成圖像對比度，為人類打開了顯微世界的大門。然而，對于一些透明生物樣本，僅憑光強度測量值成像的傳統光學顯微技術卻顯得無能為力。1930年，Frits?Zernike發明了一種可對位相物體進行高對比成像技術。至此，定量位相成像逐漸成為一種對透明生物樣本進行無標記成像的主要方法。不同于傳統光學顯微成像，定量位相成像根據由樣本引入的光程延遲形成高對比度定量圖像，并提供對目標特征的客觀位相測量值。由于位相與樣本的折射率和厚度的乘積為正比，這些測量值可進一步揭示樣本的深層結構特征，為后續判斷、決策提供相應條件。當前，定量位相成像技術已被廣泛研究并應用于生物觀察、細胞檢測、藥物篩選、微量元素研究、精密材料等領域。

為打破傳統光學顯微成像技術中的一些固有限制條件，如系統分辨率與物鏡視場之間的相互制約關系，系統衍射極限條件等，定量位相計算顯微成像技術應運而生。作為一種新興的定量位相計算顯微成像技術，傅里葉疊層顯微成像技術(Fourier?PtychographicMicroscopy，FPM)通過有效結合合成孔徑、位相檢索、最優化理論等計算成像相關技術，可同時實現寬視場、高分辨、多模態、數字重聚焦、像差校正、定量位相成像等功能。相比于傳統數字光學顯微成像系統，該技術僅需利用一個可編程的LED陣列替換傳統的反射式或主動式光源即可完成系統硬件部分改裝，廉價且易于實現。

傅里葉疊層顯微成像技術的實現分為兩個過程：圖像采集過程與圖像重建過程。對于圖像采集過程，其在低倍物鏡下逐個點亮陣列中的LED作為照明光源。當點亮陣列中不同位置的單個LED斜照明一個二維薄樣本時，其等效于樣本的頻譜在頻域發生了相對平移效應。這種由不同斜照明引入的位置平移變換使得物鏡可收集到原截止頻率外的樣本頻譜信息并在相機面捕獲一系列低分辨強度圖像。之后在圖像重建過程中，這些強度圖像將在頻域中進行迭代更新樣本的頻譜信息并最終合成為一張新頻譜。經反傅里葉變換后，重建頻譜信息即可轉化為高分辨的樣本復振幅信息。類似于合成孔徑理念，傅里葉疊層顯微成像技術提升了系統的等效截止頻率，從而同時實現了低倍鏡下寬視場、高分辨率及定量位相成像。

LED陣列作為傅里葉疊層顯微鏡中的光源部分，其每個LED的位置參數決定每個子頻譜在頻域的更新位置，其準確程度直接影響最終圖像重建的質量。因此，在實際系統中，對每個LED位置實現精確校正，是實現傅里葉疊層顯微成像技術的重要一環。2016年，Sun等人首次建立空域全局誤差模型描述LED陣列位置誤差，并以模擬退火算法與圖像重建過程相結合，完成LED的位置校正。相關實驗結果表明該方法有效自動校正了LED位置誤差，降低了實驗系統搭建中對光源位置精度需求。2017年，Pan等人在此基礎上結合嵌入式瞳孔函數恢復算法(Embedded?Pupil?Function?Recovery,EPRY)，進一步提升了校正算法的魯棒性。然而這些算法都基于空域統一校正模型，以一致性參數表征每個LED與實際位置的誤差。不僅如此，使用的模擬退火算法極易陷入局部最優解而非全局最優。綜合以上兩點分析，現有校正算法依舊存在校正不準確的風險。另一方面，基于模擬退火算法的校正過程必須參與圖像重建過程，導致整個校正過程顯得十分冗長。

發明內容