基于部分傅里叶空间的显微成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其包括步骤：S1，对样本进行多角度光照显微图像采集，步骤S1包括采集样本的中央图像及设定范围内的半个光照矩阵照明所得的多个图像；S2，用PFPM法的迭代过程得到整个高分辨率图像，步骤S2包括步骤：对中央图像处理得到傅里叶空间的迭代起始图；根据迭代起始图对多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代；重复若干轮迭代以得到高分辨率图像的傅里叶空间；根据高分辨率图像的傅里叶空间及利用傅里叶变换的共轭对称性填充所缺数据以生成整个高分辨率图像。上述基于部分傅里叶空间的显微成像方法可达到提高迭代速度的目的，这拓展了基于部分傅里叶空间的显微成像方法的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及于成像领域，更具体而言，涉及一种基于部分傅里叶空间的显微成像方法。
技术介绍
随着科技发展，人们对探测微细尺度不同性质生物结构的需求越来越大，而传统光学显微镜受到衍射极限限制，导致分辨率有限。在此需求下，超分辨率显微技术应运而生。其中一种超分辨率显微技术称为傅里叶叠层成像显微技术FPM(Fourier Ptychography Microscopy，下称FPM法)。这种技术只要在传统光学显微镜上做出简单改良，就可以获得超分辨率图像。该技术最初由Guoan Zheng在2013年发表于Nature Photonics杂志上。该方法的原理是，将显微镜光源替换为LED矩阵，依次点亮LED矩阵，对样本进行多角度照明，获取多张不同角度LED照明下的低分辨率图像。之后再对这一组多张低分辨率图像进行迭代优化，获得一张广视野的高分辨率显微图像。FPM法同时满足了对广视野和高分辨率图像的需求，并且成本低，方法简易，通用性强，样本适应范围广，只需要LED板配合普通显微镜进行相机采集即可满足需求。拥有很强的拓展平台和后续开发潜力。然而，目前FPM法仍然存在着若干问题，限制了这一方法的应用。最主要的是方法耗时问题。为了提高分辨率，FPM法需要大量不同角度LED照明下的低分辨率图像，而在照明角度较大时，由于LED光强有限，需要更长的曝光时间，这些因素导致了FPM法需要花费相当多的时间在采集低分辨率图像上，影响了得到单张高分辨率图像的速度，也制约了这个方法的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术实施方式旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术实施方式需要提供一种基于部分傅里叶空间的显微成像方法。根据本专利技术实施方式的一种基于部分傅里叶空间的显微成像方法，包括步骤：S1，对样本进行多角度光照显微图像采集，该步骤S1包括采集该样本的中央图像及设定范围内的半个光照矩阵照明所得的多个图像；S2，用PFPM法的迭代过程得到整个高分辨率图像，该步骤S2包括步骤：对该中央图像处理得到傅里叶空间的迭代起始图；根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代；重复若干轮迭代以得到高分辨率图像的傅里叶空间；根据该高分辨率图像的傅里叶空间及利用傅里叶变换的共轭对称性填充所缺数据以生成该整个高分辨率图像。本专利技术实施方式的基于部分傅里叶空间的显微成像方法中，由于是采集设定范围内的半个光照矩阵照明所得的多个图像，这使得需要采集的图像数量减少并且利用傅里叶变换的共轭对称性填充所缺数据以生成该整个高分辨率图像，这达到了提高迭代速度的目的，及同时拓展了基于部分傅里叶空间的显微成像方法的应用范围。在某些实施方式中，所述采集该样本的该中央图像及设定范围内的半个光照矩阵照明所得的该多个图像，包括步骤：在采集过程中，点亮该光照矩阵正对该样本的中心光源，以采集该中央图像；及依次点亮对应位置的该光照矩阵的光源以采集所需的该多个图像。在某些实施方式中，该迭代起始图包括该中央图像的傅里叶空间的实部迭代起始图S0u_r及虚部迭代起始图S0u_i，所述对该中央图像处理得到该傅里叶空间的迭代起始图，包括步骤：在迭代起始阶段，将该中央图像进行实部和虚部的分离后，分别生成傅里叶空间的该实部迭代起始图S0u_r和该虚部迭代起始图S0u_i。在某些实施方式中，所述根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代，包括步骤：对采集的该多个图像进行强度校正的前处理，对总能量较高的图像优先迭代处理。在某些实施方式中，所述根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代，包括步骤：S23，将该实部迭代起始图S0u_r及该虚部迭代起始图S0u_i取出更新块对应的位置，各自与光瞳函数Pn(u)相乘，分别得到被更新位置经光瞳滤波后的傅里叶空间块φrn(u)和φin(u)：φrn(u)＝Pn(u)Sr(u-Un)；φin(u)＝Pn(u)Si(u-Un)；S24，将φrn(u)和φin(u)反变换到图像域，得到对应的实部空域块图像Φrn(r)和虚部空域块图像Φin(r)；S25，根据采集的对应位置的图像校正实部和虚部的空域块图像，得到校正后的实部空域块图像Φ＇rn(r)和虚部空间块图像Φin(r)： Φ r n ′ ( r ) = Σ I c n Σ I t n Φ r n ( r ) ; ]]> Φ i n ′ ( r ) = Σ I c n Σ I t n Φ i n ( r ) ; ]]>其中，Icn代表采集到的图像的灰度值，Itn代表变换到空域的图像的灰度值；S26，将校正后的实部空域块图像Φ＇rn(r)和虚部空域块图像Φ＇in(r)变换回傅里叶空间，得到校正后的实部傅里叶空间块图像φ＇rn(u)和虚部傅里叶空间块图像φ＇in(u)；S27，利用校正后的实部、虚部傅里叶空间块图像＇rn(u)、φ＇in(u)和光瞳函数Pn(u)，计算该实部迭代起始图S0u_r和该虚部迭代起始图S0u_i各自应有的图像更新块Sr,n+1(u)和Si,n+1(u)，Sr,n+1(u)及Si,n+1(u)分别代表高分辨率傅里叶空间中的一个更新小块；更新式如下： S r , n + 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其特征在于，包括步骤：S1，对样本进行多角度光照显微图像采集，该步骤S1包括采集该样本的中央图像及设定范围内的半个光照矩阵照明所得的多个图像；S2，用PFPM法的迭代过程得到整个高分辨率图像，该步骤S2包括步骤：对该中央图像处理得到傅里叶空间的迭代起始图；根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代；重复若干轮迭代以得到高分辨率图像的傅里叶空间；根据该高分辨率图像的傅里叶空间及利用傅里叶变换的共轭对称性填充所缺数据以生成该整个高分辨率图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其特征在于，包括步骤：S1，对样本进行多角度光照显微图像采集，该步骤S1包括采集该样本的中央图像及设定范围内的半个光照矩阵照明所得的多个图像；S2，用PFPM法的迭代过程得到整个高分辨率图像，该步骤S2包括步骤：对该中央图像处理得到傅里叶空间的迭代起始图；根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代；重复若干轮迭代以得到高分辨率图像的傅里叶空间；根据该高分辨率图像的傅里叶空间及利用傅里叶变换的共轭对称性填充所缺数据以生成该整个高分辨率图像。2.如权利要求1所述的基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其特征在于，所述采集该样本的该中央图像及设定范围内的半个光照矩阵照明所得的该多个图像，包括步骤：在采集过程中，点亮该光照矩阵正对该样本的中心光源，以采集该中央图像；及依次点亮对应位置的该光照矩阵的光源以采集所需的该多个图像。3.如权利要求1所述的基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其特征在于，该迭代起始图包括该中央图像的傅里叶空间的实部迭代起始图S0u_r及虚部迭代起始图S0u_i，所述对该中央图像处理得到该傅里叶空间的迭代起始图，包括步骤：在迭代起始阶段，将该中央图像进行实部和虚部的分离后，分别生成傅里叶空间的该实部迭代起始图S0u_r和该虚部迭代起始图S0u_i。4.如权利要求1所述的基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其特征在于，所述根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代，包括步骤：对采集的该多个图像进行强度校正的前处理，对总能量较高的图像优先迭代处理。5.如权利要求3所述的基于部分傅里叶空间的显微成像方法，其特征在于，所述根据该迭代起始图对该多个图像逐一进行迭代更新以完成一轮迭代，包括步骤：S23，将该实部迭代起始图S0u_r及该虚部迭代起始图S0u_i取出更新块对应的位置，各自与光瞳函数Pn(u)相乘，分别得到被更新位置经光瞳滤波后的傅里叶空间块φrn(u)和φin(u)：φrn(u)＝Pn(u)Sr(u-Un)；φin(u)＝Pn(u)Si(u-Un)；S24，将φrn(u)和φin(u)反变换到图像域，得到对应的实部空域块图像Φrn(r)和虚部空域块图像Φin(r)；S25，根据采集的对应位置的图像校正实部和虚部的空域块图像，得到校正后的实部空域块图像Φ′rn(r)和虚部空间块图像Φ′in(r)： Φ r n ′ ( r ) = ΣI c n ΣI t n Φ r n ( r ) ; ]]> Φ i n ′ ( r ) = ΣI c n ΣI t n Φ i n ( r ) ; ]]>其中，Icn代表采集到的图像的灰度值，Itn代表变换到空域的图像的灰度值；S26，将校正后的实部空域块图像Φ′rn(r)和虚部空域块图像Φ′in(r)变换回傅里叶空间，得到校正后的实部傅里叶空间块图像φ′rn(u)和虚部傅里叶空间块图像φ′in(u)；S27，利用校正后的实部、虚部傅里叶空间块图像φ′rn(u)、φ′in(u)和光瞳函数Pn(u)，计算该实部迭代起始图S0u_r和该虚部迭代起始图S0u_i各自应有的图像更新块Sr,n+1(u)和Si,n+1(u)，Sr,n+1(u)及Si,n+1(u)分别代表高分辨率傅里叶空间中的一个更新小块；更新式如下： S r , n + 1 ( u ) = S r , n ( u ) + α P ~ n ( u + U n ) | P n ( u + U n ) | m a x 2 [ φ r n ′ ( u + U n ) - φ r n ( u + U n ...

【专利技术属性】
技术研发人员：段侪杰，孟宏宇，马辉，沈宏，迟颖，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44