基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，包括：显微镜，将显微样本放大到像平面；中继模块，将样本所成像的光圈面缩小；频谱调制模块，包括偏振分光棱镜和空间光调制器；相机成像模块，包括成像镜头和相机传感器，接收由空间光调制器进行频谱调制并再次经过偏振分光棱镜斜面发射的光信号，采集相应的样本图像；控制器，同步控制频谱调制和图像采集，快速采集多张不同空间频谱下的低分率图像，以获取恢复单帧高分辨率图像或多帧高分辨率视频所需的原始图像数据。本发明专利技术能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。

Frequency domain post splicing micro system based on spatial light modulator

The invention provides a frequency domain acquisition terminal based on spatial light modulator collage microscope system, including microscope, micro sample will be enlarged to the image plane; the relay module, the aperture surface sample image reduction; spectrum modulation module, including polarization splitter and spatial light modulator; camera imaging module, including imaging lens and camera sensor, received by the spatial light modulator frequency and again after the optical signal polarization splitting prism surface emission of the samples corresponding to the image; controller, synchronous control of spectrum modulation and image acquisition, rapid acquisition of low rate image multiple different spatial spectrum, to restore the original image data of high resolution single frame high resolution video image or frame required to obtain. The invention can guarantee a wide field, high spatial resolution camera sensor, to achieve high resolution reconstruction of a certain thickness of sample, the dynamic sample collection to a certain extent, simple and easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统
本专利技术涉及显微成像
，特别涉及一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统。
技术介绍
FPM(FourierPtychographyMicroscopy，频域拼贴显微)是一种能够同时满足宽视场和高分辨的显微成像方法。该方法通过采集对应不同空间频率的低分辨样本图像，并将这些低分辨显微图像在傅里叶域进行拼贴，来恢复宽视场高分辨图像的显微成像方法，该方法同时能够恢复样本的相位信息和一定厚度的三维重建。该方法能够获得很大的空间带宽积(SpatialBandwidthProduct，SPB)，从某种程度上突破光学系统的衍射极限，因而在光学生物成像方面有着重要的应用。目前，FPM系统有两种实现方式，原型系统是基于LED阵列的光照端FPM系统，另一种是基于机械扫描(ApertureScanning)的采集端FPM系统。基于LED阵列的光照端FPM系统，是通过变光照(结构光)来实现对于样本图像不同空间频谱信息的扫描和采样，系统需要将显微镜的宽场照明替换为一块LED面板(比如15*15的正方形点阵)，控制器每次点亮一个LED的同时采集一张低分辨图像，然后使用这些采集到的图像来恢复宽视场高分辨(大SBP)的显微图像；而基于机械扫描的采集端FPM系统，需要将样本图像的光圈面引出，然后在光圈面上放置一个通过电机机械控制的大小可调的光圈。通过参数计算确定光圈的大小，然后同步控制光圈扫描不同的空间频谱位置并采集相应的图像，最后，根据拼贴算法将多张低分辨率图像重建并恢复宽视场高分辨的样本图像。上述两种实现方式的基本原理类似。其中，基于LED阵列的光照端FPM系统中，每个LED离都样本较远，发出的光可以看作是平行光，也就是平面波入射到样本上。LED阵列(面板)上不同平面位置的LED发出的光的照射到样本上的角度不一样。根据傅里叶光学的角谱理论，不同入射角度的平面波对应不同空间频率，因此不同角度入射的LED光源照亮样本，能够获得对应不同空间频率的图像细节。详细来说，不同的入射角度对应的相位偏移，相对于垂直入射的平面波来说，相当于乘上了一个与角度相关的纯相移因子。由傅里叶变换的性质可知，函数在空间域的相移对应傅里叶面的位移，因此不同角度的光照相当于与用一个带通滤波器在光圈的进行扫描。另一方面，采集端机械扫描则是直接通过光圈器件进行扫描式地空间频率滤波，以采集对应不同空间频率的低分率图像。也就是说，上述两种实现方式的基本原理以及重构算法是基本相同的，并且都完成了类似的功能，但是都有相应的不足。简要来说，基于LED阵列的光照端FPM系统的不足在于：该系统只适用于很薄的透明或者半透明样本，这是由于基于LED阵列的变光照是在样本的入射面进行调制，如果样本过厚，则经过样本时，波前在样本不同的深度都会被改变，出射波相当于入射波卷积了多层样本深度信息，则成像端将采集不到正确的入射端被调制图像。另一方面，基于机械扫描的采集端FPM系统的不足在于：(1)该系统的照明端是不变的平行光，因此分辨率受限于物镜的NA，该系统通过多次复用成像传感器，能够使用性能很差、分辨率较低的传感器拍到高分辨率的图像；(2)由控制器控制的机械扫描速度较慢，且扫描的方式不能灵活的控制，尤其是不能进行多光圈的复用采集。目前有一种同样基于LED阵列的光照端FPM系统的迭代算法被提出，该算法克服传统LED阵列FPM算法对于样本厚度的限制(很薄)，能够对厚度达到100um的透明样本进行宽视场高分辨显微图像的恢复，并且该算法能够对该厚样本进行三维重建。然而该算法的收敛性和算法效率较差，对样本采集数据的敏感性较高。因此，总的来说，相关技术中的FPM(频域拼贴显微)系统和方法都各有不足，有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，该系统能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法。为了实现上述目的，本专利技术第一方面的实施例提出了一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，包括：显微镜，用于通过相机引出口将显微样本放大到像平面；中继模块，用于将所述显微样本所成像的光圈面缩小，以使该光圈面与后级空间光调制器屏幕的大小相适应；频谱调制模块，所述频谱调制模块包括偏振分光棱镜和空间光调制器，通过调节所述频谱调制模块的前后距离，以使空间光调制器屏幕上恰好是样本所成像的光圈面；相机成像模块，所述相机成像模块包括尺寸匹配的成像镜头和相机传感器，以接收由空间光调制器进行频谱调制并再次经过偏振分光棱镜斜面发射的光信号，并采集相应的样本图像；控制器，所述控制器与空间光调制器和相机传感器同时相连，用于同步控制频谱调制和图像采集，快速采集多张不同空间频谱下的低分率图像，以获取恢复单帧高分辨率图像或多帧高分辨率视频所需的原始图像数据。另外，根据本专利技术上述实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统还可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，所述显微镜的光照端放置一个中心频率为550nm的窄带滤波片，并通过调节显微镜聚光镜孔径的大小，获得单色平行光照明。在一些示例中，所述中继模块包括中继透镜和偏振片，所述中继透镜和偏振片的光学孔径与所述显微镜的光学孔径相匹配。在一些示例中，所述中继模块通过调节偏振片的旋转方向来选取特定偏振方向的光透过，以消除系统中的部分背景杂光。在一些示例中，所述偏振分光棱镜将入射光分成垂直和水平两路光，并将其中一路光投射到后一级空间光调制器的屏幕上；所述空间光调制器偏振原理对投射到屏幕上的光圈面信号进行强度调制，产生对应不同空间频谱的出射光。在一些示例中，所述空间光调制器为LCOS器件。在一些示例中，所述相机成像模块中成像镜头的光学孔径与所述频谱调制模块投射出的成像尺寸相匹配，选取的相机传感器的采集分辨率弱于光学系统的分辨率。在一些示例中，所述相机成像模块将成像镜头和相机传感器放置在预设位置，以采集预设视场大小和放大倍数的样本图像。根据本专利技术实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。另外，该系统采集的速度很快，可以在一定程度上采集动态样本，而且采集方式可以灵活地编程控制；对于一定有厚度的样本，可以通过光的自由空间传播算法算出样本其他深度的信息，并以此来恢复样本的三维信息；还可以进行多光圈的复用采集，进一步提高采集速。为了实现上述目的，本专利技术第二方面的实施例提出了一种如本专利技术上述第一方面实施例所述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法，所述显微镜相机引出口成像的光学孔径与中继模块、频谱调制模块以及成像模块的光学尺寸均相互匹配，所述方法包括以下步骤：调整显微镜的聚光镜和放置滤光片以获得单色平行光，并通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面；通过所述中继透镜将光圈面缩小到与空间光调制器屏幕匹配的大小；调节偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，其特征在于，包括：显微镜，用于通过相机引出口将显微样本放大到像平面；中继模块，用于将所述显微样本所成像的光圈面缩小，以使该光圈面与后级空间光调制器屏幕的大小相适应；频谱调制模块，所述频谱调制模块包括偏振分光棱镜和空间光调制器，通过调节所述频谱调制模块的前后距离，以使空间光调制器屏幕上恰好是样本所成像的光圈面；相机成像模块，所述相机成像模块包括尺寸匹配的成像镜头和相机传感器，以接收由空间光调制器进行频谱调制并再次经过偏振分光棱镜斜面发射的光信号，并采集相应的样本图像；控制器，所述控制器与空间光调制器和相机传感器同时相连，用于同步控制频谱调制和图像采集，快速采集多张不同空间频谱下的低分率图像，以获取恢复单帧高分辨率图像或多帧高分辨率视频所需的原始图像数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，其特征在于，包括：显微镜，用于通过相机引出口将显微样本放大到像平面；中继模块，用于将所述显微样本所成像的光圈面缩小，以使该光圈面与后级空间光调制器屏幕的大小相适应；频谱调制模块，所述频谱调制模块包括偏振分光棱镜和空间光调制器，通过调节所述频谱调制模块的前后距离，以使空间光调制器屏幕上恰好是样本所成像的光圈面；相机成像模块，所述相机成像模块包括尺寸匹配的成像镜头和相机传感器，以接收由空间光调制器进行频谱调制并再次经过偏振分光棱镜斜面发射的光信号，并采集相应的样本图像；控制器，所述控制器与空间光调制器和相机传感器同时相连，用于同步控制频谱调制和图像采集，快速采集多张不同空间频谱下的低分率图像，以获取恢复单帧高分辨率图像或多帧高分辨率视频所需的原始图像数据。2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，其特征在于，所述显微镜的光照端放置一个中心频率为550nm的窄带滤波片，并通过调节显微镜聚光镜孔径的大小，获得单色平行光照明。3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，其特征在于，所述中继模块包括中继透镜和偏振片，所述中继透镜和偏振片的光学孔径与所述显微镜的光学孔径相匹配。4.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，其特征在于，所述中继模块通过调节偏振片的旋转方向来选取特定偏振方向的光透过，以消除系统中的部分背景杂光。5.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜将入射光分成垂直和水平两路光，并将其中一路光投射到后一级空间光调制器的屏幕上；所述空间光调制器通过偏振原理对投射到屏幕上的光圈面信号进行强度调制，产生对应不...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴琼海，周游，吴嘉敏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11