快速三维折射率显微成像的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种快速三维折射率显微成像的系统和方法，该系统包括：光照产生模块，用于产生带有光强编码的显微光照，所述光强编码为提供的具有纹理的参考图像；显微样本，位于所述光源产生模块后端；显微成像模块，位于显微样本后端，用于从多个视角对出射光线进行成像采集；计算控制模块，用于提供所述参考图像、控制采集流程，并对采集的图像进行处理，还原重构出显微样本的三维折射率信息。本发明专利技术具有如下优点：通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。

System and method for fast three-dimensional refractive index microscopic imaging

The invention discloses a system and a method for fast 3D refractive index imaging, the system includes: a light generating module for generating a micro light encoding light, the light encoding image texture has provided the reference for the micro sample in generating module; the light source is the microscopic imaging module; in the sample, microscopic imaging from the rear for collection of emergent light from multiple perspectives; calculation of the control module, for providing the reference image, the process control and collection, and the collection of image processing, 3D reconstruction of refractive index of micro sample reduction rate information. The invention has the following advantages: by shooting every perspective does not contain samples of undistorted reference image and the distortion of the sample containing dynamic video, can be accurate, high resolution and fast 3D refraction on the micro sample rate for the collection of information.

【技术实现步骤摘要】
快速三维折射率显微成像的系统和方法
本专利技术涉及显微成像技术、计算机视觉和计算摄像学
，特别涉及一种快速三维折射率显微成像的系统和方法。
技术介绍
样本物体的三维折射率分布信息是样本固有的一个重要光学属性，对于透明生物样本而言，它可以提供样本物体的密度、结构等信息，从而为无标记的三维细胞成像提供了可能。在现有的生命科学或者医学研究中，往往使用荧光成像来进行特异性的标记，从而进行相关研究，但这一标记的过程，仍然会对样本本身的性质产生一定的影响，从而影响最终的实验结果。而三维折射率成像可以非侵入式地观测到样本的三维折射率场信息，从而提供了样本不同区域的性质，因此它也是近年来的一个研究热点。近年来，各种三维折射率显微成像被相继提出，大部分工作的思路都是在不同方向上对样本进行相干光照，测量出样本在不同方向上的相位信息，从而使用层析成像的方法计算出样本的三维折射率场信息。但这些方法既对设备要求较高，都需要较为复杂的装置，而且每次成像过程时，都需要对样本拍摄多次，很难做到单次拍照即可恢复样本的三维折射率信息，对其快速动态拍摄提出了挑战。因此，如何能够快速动态且高分辨率地对三维折射率显微信息进行采集，仍然是一个亟待解决并有重大意义的难题。
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快速三维折射率显微成像的系统，该系统能够精确高分辨率且快速地对显微样本的三维折射率场进行动态采集，并且简单易行。为了实现上述目的，本专利技术的实施例公开了一种快速三维折射率显微成像的系统，包括：光照产生模块，用于产生带有光强编码的显微光照，所述光强编码为提供的具有纹理的参考图像；显微样本，位于所述光源产生模块后端；显微成像模块，位于显微样本后端，用于从多个视角对出射光线进行成像采集；计算控制模块，用于提供所述参考图像、控制采集流程，并对采集的图像进行处理，还原重构出显微样本的三维折射率信息。根据本专利技术实施例的快速三维折射率显微成像的系统，通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。另外，根据本专利技术上述实施例的快速三维折射率显微成像的系统，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述光照产生模块包括：光源模块，用于产生显微成像中所需的视角光照；参考图案，所述参考图案由所述计算控制模块控制，用于提供任意所需的纹理丰富的静态图案，放置于所述光源模块产生的像面上，对光照进行强度调制。进一步地，所述光照产生模块的对焦位置在显微样本附近几十至几百微米处。进一步地，所述显微样本对带有参考图案的光照进行相位编码，且各个视角下编码互不相同，以具有所需采集的样本的三维折射率场信息。进一步地，所述显微成像模块包括依次设置的物镜、镜筒透镜、微透镜阵列和相机传感器。进一步地，所述显微成像模块的对焦位置在所述光照产生模块的对焦位置上。进一步地，所述显微成像模块的数值孔径小于所述光照产生模块的数值孔径。本专利技术的另一个目的在于提出一种快速三维折射率显微成像的方法，该方法能够精确高分辨率且快速地对显微样本的三维折射率场进行动态采集，并且简单易行。为了实现上述目的，本专利技术的实施例公开了一种快速三维折射率显微成像的方法，包括上述实施例的快速三维折射率显微成像的系统，该方法包括以下步骤：将系统视野调整至无样本区域，使用所述快速三维折射率显微成像系统拍摄，获得各视角下无扭曲的参考图像；保持所述快速三维折射率显微成像系统的原有结构、参数以及光照不变，将所述系统视野调整至动态观察目标样本的位置，拍摄获得各视角下带有扭曲的样本动态视频；根据预设算法计算出各视角下视频帧与所述参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型重构还原出动态的三维折射率场视频。根据本专利技术实施例的快速三维折射率显微成像的方法，使用上述快速三维折射率显微成像系统，拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，从而从中恢复出显微样本的高分辨率动态三维折射率场视频。另外，根据本专利技术上述实施例的快速三维折射率显微成像的方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述根据预设算法计算出各视角下视频帧与参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型以及层析成像原理，重构还原出动态的三维折射率场视频进一步包括：根据传感器拍摄的视频图像序列和事先拍摄获得的静态参考图像，产生对应的各个视角下的动态扭曲的视频帧图像以及静态参考图像；使用光流算法计算获得各个视角下每帧视频图像与参考图像之间各个视角下每个像素点的扭曲偏移角；根据各个视角下每个像素点的偏移角，使用层析成像算法，重构还原出动态的样本三维折射率场信息。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术实施例的快速三维折射率显微成像的系统的结构框图；图2是本专利技术一个实施例的快速三维折射率显微成像的系统的结构示意图；图3是本专利技术实施例的快速三维折射率显微成像的方法的流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。参照下面的描述和附图，将清楚本专利技术的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本专利技术的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本专利技术的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本专利技术的实施例的范围不受此限制。相反，本专利技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。以下结合附图描述本专利技术。图1是本专利技术实施例的快速三维折射率显微成像的系统的结构框图。如图1所示，根据本专利技术实施的快速三维折射率显微成像的系统，包括光照产生模块110、显微样本120、显微成像模块130和计算控制模块140。其中，光照产生模块110用于产生带有光强编码的显微光照，其光强编码为提供的纹理丰富的参考图像112；显微样本120位于光源产生模块后端，用于提供所需采集的显微样本；显微成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，包括：光照产生模块，用于产生带有光强编码的显微光照，所述光强编码为提供的具有纹理的参考图像；显微样本，位于所述光源产生模块后端；显微成像模块，位于显微样本后端，用于从多个视角对出射光线进行成像采集；计算控制模块，用于提供所述参考图像、控制采集流程，并对采集的图像进行处理，还原重构出显微样本的三维折射率信息。

【技术特征摘要】
1.一种快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，包括：光照产生模块，用于产生带有光强编码的显微光照，所述光强编码为提供的具有纹理的参考图像；显微样本，位于所述光源产生模块后端；显微成像模块，位于显微样本后端，用于从多个视角对出射光线进行成像采集；计算控制模块，用于提供所述参考图像、控制采集流程，并对采集的图像进行处理，还原重构出显微样本的三维折射率信息。2.根据权利要求1所述的快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，所述光照产生模块包括：光源模块，用于产生显微成像中所需的视角光照；参考图案，所述参考图案由所述计算控制模块控制，用于提供任意所需的纹理丰富的静态图案，放置于所述光源模块产生的像面上，对光照进行强度调制。3.根据权利要求1所述的快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，所述光照产生模块的对焦位置在显微样本附近几十至几百微米处。4.根据权利要求1所述的快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，所述显微样本对带有参考图案的光照进行相位编码，且各个视角下编码互不相同，以具有所需采集的样本的三维折射率场信息。5.根据权利要求1所述的快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，所述显微成像模块包括依次设置的物镜、镜筒透镜、微透镜阵列和相机传感器。6.根据权利要求1所述的快速三维折射率显微成像的系统，其特征在于，所述显微成像模块的对焦位置在所述光...

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