穿透散射介质的快速三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种穿透散射介质的快速三维成像系统及方法，该系统包括：使用高压汞灯和偏振片产生可见光谱谱段线偏振光的照明模块；通过相机引出口将显微样本放大到像平面的显微镜；内置偏振片的液晶可调谐滤光片；生成光圈平面的放大模块；成像透镜阵列，获取显微样本在不同视角下的样本图像；传感器阵列，每个传感器相应地记录与其对应成像透镜获取的样本图像；控制器，对样本图像进行同步采集和校准以获取显微样本的多视角图像和/或视频。本发明专利技术的实施例通过采集不同视角下照射到半透明显微样本内经过多次散射退偏后的后向散射光形成的图像，利用现有的三维解卷积算法，实现穿透薄散射介质后的快速三维成像。

【技术实现步骤摘要】
穿透散射介质的快速三维成像系统及方法
本专利技术涉及光场显微成像和偏振光成像等
，特别涉及一种穿透散射介质的快速三维成像系统及方法。
技术介绍
光场显微(Lightfieldmicroscopy,LFM)是一种无需扫描的三维计算成像方法，该方法能够同时记录透过显微样本光线的二维空间和二维角度的分布，计算机视觉领域中的多视角成像原理与之相同。这种空间-角度的数据可以计算合成重聚焦图像，能够进行灵活的景深调整，以及实现样本的三维体重建，因而在光学生物成像方面有着重要的应用。目前的光场显微成像方式有通过在光学显微镜中间级像平面上加入微透镜阵列的方式实现，使得传感器像素能够在单次曝光过程中采集光场的光线。然而，这种基于微透镜阵列的光场显微(Microlensarraybasedlightfieldmicroscopy,MALM)需要在传感器的空间分辨率和角度分辨率之间进行折中，因此所获得的图像空间分辨率相比原始的传感器分辨率降低了几个数量级。另外一种成像方式则是基于相机阵列的显微成像系统，基于相机阵列的显微成像系统(CALM)提出的基于相机阵列的光场显微相比基于微透镜阵列的光场显微具有更大的灵活性。这里通过三个方面给出两种方法的差异。第一，相比基于微透镜阵列的光场显微系统(MALM)采用单个传感器，CALM通过整合传感器阵列，因此能够获得更高分辨率的光场。第二，不同视角的图像间存在大量冗余，相比低角度分辨率，人眼对低空间分辨率更加敏感。CALM可以很容易的配置成低角度分辨率、高空间分辨率光场采集，而MALM则要求所采用的微透镜阵列中的每一个微透镜尺寸足够小并且有合适的焦距，加工工艺复杂而且困难。第三，CALM中的每个相机参数可以根据不同的应用独立设置，比如应用于非均匀光照角度补偿、或聚焦位置不一致的补偿等。正交偏振谱(OrthogonalPolarizationSpectral，简称OPS)技术是近些年来发展起来的微循环成像技术，该方法利用生物组织浅表层散反射光不改变偏振态，而从组织深处散射的光束会发生退偏的特性，可以通过偏振方向正交的偏振过滤掉浅表层反射光，从背向散射光中探测到组织深层的二维图像信息，背向反射光大约占全部光线的10％。在光源的发射光谱与红血球的吸收光谱相匹配，且弱光探测信号不被背景噪声干扰时，该方法可以得到高对比度的微血管图像。正交偏振谱技术的一个缺点在于它只能用于二维血管图像探测，并不能在深度方向进行连续探测，因而该技术目前并没有很好的应用于三维成像。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本专利技术的目的在于提出一种在结合正交偏振谱方法中偏振光退偏成像的思想以及基于相机阵列的光场显微装置，特别提出了一种穿透散射介质的快速三维成像系统及方法，该成像系统及方法能够实现穿透薄散射介质后的快速三维成像，特别是人体微循环的三维观测，并且简单易实现。为了实现上述目的，本专利技术的第一方面的实施例公开了一种穿透散射介质的快速三维成像系统，包括：照明模块，用于产生可见光谱段的线偏振光并通过显微镜物镜照射半透明显微样本；显微镜，用于通过所述显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面，内含两块三棱柱树脂粘合而成的分光镜；液晶可调滤光片，用于选择性透过成像光线中的部分频谱，观察窄带宽可见光成像；内含偏振片，可调节至偏振方向与样本入射光偏振方向垂直的方向，过滤样本表面保持原偏振性的反射光；放大模块，用于根据所述像平面生成光圈平面；相机阵列，所述相机阵列中的每个相机具有成像透镜和传感器，所述相机阵列包括：成像透镜阵列，用于通过所述光圈平面获取所述显微样本在不同视角下的样本图像，且所述放大模块将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的尺寸匹配相一致；传感器阵列，所述传感器阵列中的每个传感器与所述成像透镜阵列中的每个成像透镜对应，所述每个传感器相应地记录与其对应的成像透镜获取的样本图像；以及控制器，所述控制器与所述相机阵列相连，对所述显微样本在不同视角下的所述样本图像进行同步采集和光学校准以获取所述显微样本的多视角图像和/或视频。另外，根据本专利技术上述实施例穿透散射介质的快速三维成像系统还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述相机阵列中的每个相机独立设置。进一步地，所述放大模块为两级中继系统，且所述两级中继系统包括：第一级中继透镜，所述第一级中继透镜根据所述像平面生成所述光圈平面；以及第二级中继透镜，所述第二级中继透镜将所述光圈平面放大至覆盖整个所述相机阵列的大小。进一步地，所述第二中继透镜的数值孔径大于所述第一中继透镜的数值孔径。进一步地，通过对准所述相机阵列、所述两级中继系统和所述相机引出口的光轴，并将所述每个相机的光轴汇聚对准到所述两级中继系统的第二级中继透镜的中心进行光学校准。进一步地，通过采用主从服务器构架方式对各传感器之间进行同步采集。进一步地，照明模块能够产生所有包含所有可见光频率的光。本专利技术第二方面的实施例公开了一种穿透散射介质的快速三维成像方法，其中，相机阵列中的每个相机具有成像透镜和传感器，所述相机阵列包括成像透镜阵列和传感器阵列，所述方法包括以下步骤：通过调节照明模块中偏振片1，其偏振方向和液晶可调滤光片中偏振片偏振方向垂直；通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面；通过内含偏振片的液晶可调滤光片过滤从相机引出口出射的光线，保留特定频谱下显微样本深层反射的去偏散射光；根据所述过滤后的像平面生成光圈平面，并且将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的尺寸匹配相一致；所述成像透镜阵列通过所述光圈平面获取所述显微样本在不同视角下的样本图像；所述传感器阵列中每个传感器相应地记录与其对应设置的相机获取的样本图像；对所述显微样本在不同视角下的所述样本图像进行同步采集和光学校准以获取所述半透明显微样本的不同视角的图像和/或视频；用三维解卷积方法对不同视角下获得的图像进行处理，获取显微样本内部三维结构。另外，根据本专利技术上述实施例的穿透散射介质的快速三维成像方法还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述相机阵列中的每个相机独立设置且相机参数需设置相同。进一步地，所述根据所述像平面生成光圈平面，并且将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜整列的尺寸匹配相一致具体包括：根据所述像平面生成所述光圈平面；以及将所述光圈平面放大至覆盖整个所述成像透镜阵列的大小。进一步地，通过采用主从服务器构架方式对各传感器之间进行同步。根据本专利技术的实施例提出，通过相机阵列获取半透明显微样本在不同视角下的图像，从而对半透明显微样本在不同视角下的样本图像进行同步采集和光学校准，通过整合传感器整列记录的数据，再利用三维解卷积算法进而实现半透明显微样本内部结构的三维成像。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的和/或附加的方面和优点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为根据本专利技术实施例的穿透散射介质的快速三维成像系统的结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的穿透散射介质的快速三维成像系统的结构示意图；图3为根据本专利技术实施例的穿透散射介质的快速三维成像方法的流程图。具体实施方式下面详本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种穿透散射介质的快速三维成像系统，其特征在于，包括：照明模块，用于产生可见光谱段的线偏振光并通过显微镜物镜照射半透明显微样本；显微镜，用于通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面，其中，内含两块三棱柱树脂粘合而成的分光镜；液晶可调滤光片，用于选择性透过成像光线中的部分频谱，观察窄带宽可见光成像，其中，内含偏振片，可调节至偏振方向与样本入射光偏振方向垂直的方向，过滤样本表面保持原偏振性的反射光；放大模块，用于根据所述像平面生成光圈平面；相机阵列，所述相机阵列中的每个相机具有成像透镜和传感器，所述相机阵列包括：成像透镜阵列，用于通过所述光圈平面获取所述显微样本在不同视角下的样本图像，且所述放大模块将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的尺寸匹配相一致；传感器阵列，所述传感器阵列中的每个传感器与所述成像透镜阵列中的每个成像透镜对应，所述每个传感器相应地记录与其对应的成像透镜获取的样本图像；以及控制器，所述控制器与所述相机阵列相连，对所述显微样本在不同视角下的所述样本图像进行同步采集和光学校准以获取所述显微样本的多视角图像和/或视频。

【技术特征摘要】
1.一种穿透散射介质的快速三维成像系统，其特征在于，包括：照明模块，用于产生可见光谱段的线偏振光并通过显微镜物镜照射半透明显微样本；显微镜，用于通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面，其中，内含两块三棱柱树脂粘合而成的分光镜；液晶可调滤光片，用于选择性透过成像光线中的部分频谱，观察窄带宽可见光成像，其中，内含偏振片，可调节至偏振方向与样本入射光偏振方向垂直的方向，过滤样本表面保持原偏振性的反射光；放大模块，用于根据所述像平面生成光圈平面；相机阵列，所述相机阵列中的每个相机具有成像透镜和传感器，所述相机阵列包括：成像透镜阵列，用于通过所述光圈平面获取所述显微样本在不同视角下的样本图像，且所述放大模块将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的尺寸匹配相一致；传感器阵列，所述传感器阵列中的每个传感器与所述成像透镜阵列中的每个成像透镜对应，所述每个传感器相应地记录与其对应的成像透镜获取的样本图像；以及控制器，所述控制器与所述相机阵列相连，对所述显微样本在不同视角下的所述样本图像进行同步采集和光学校准以获取所述显微样本的多视角图像和/或视频。2.根据权利要求1所述的穿透散射介质的快速三维成像系统，其特征在于，所述相机阵列中的每个相机独立设置。3.根据权利要求1所述的穿透散射介质的快速三维成像系统，其特征在于，所述放大模块为两级中继系统，且所述两级中继系统包括：第一级中继透镜，所述第一级中继透镜根据所述像平面生成所述光圈平面；以及第二级中继透镜，所述第二级中继透镜将所述光圈平面放大至覆盖整个所述相机阵列的大小。4.根据权利要求3所述的穿透散射介质的快速三维成像系统，其特征在于，所述第二中继透镜的数值孔径大于所述第一中继透镜的数值孔径。5.根据权利要求3所述的穿透散射介质的快速三维成像系统，其特征在于，通过对准所述相机阵列、所述两级...

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