一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法，其中，所述系统包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两副同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图图像。针对性地利用市场上常见的，廉价的器件为基础，进行简单的处理，可以实现同样的相衬成像效果，解决了器件昂贵问题和空间光调制器对光的偏振性敏感的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法
本专利技术涉及一种双通道结构光数字相衬显微成像系统及其实现方法，属于显微成像

技术介绍
相衬成像技术是一种可以将物体不同位置的微小光程差转化成强度差的显微成像技术。从泽尼克1935年专利技术相衬显微镜开始（参考论文：FZernik.Phasecontrast,anewmethodforthemicroscopicobservationoftransparentobjects.Physica,Vol.9,No.7），相衬显微技术在得到广泛的应用的同时，新的相衬成像技术也在不断的被提出。美国加州大学伯克利分校的伯克利国家实验室的LauraWaller课题组提出了基于阵列光源的结构光照明数字相衬技术，这种方法利用LED阵列或者其他的阵列光源装置，通过有序地控制阵列光源的发光形状得到不同照明方向的显微图像，通过数字相衬算法，合成数字相衬显微图像(参考论文：LTian,LWaller.QuantitativedifferentialphasecontrastimaginginanLEDarraymicroscope.OpticsExpress,Vol.23,No.9和LTian,JWang,LWaller.3Ddifferentialphase-contrastmicroscopywithcomputationalilluminationusinganLEDarray.OPTICSLETTERS,Vol.39,No.5)。该方法相对以往的相衬成像方法来说，结构简单，便于自动化处理，可以快速的得到定量相衬图像。但是，这种方法由于受光源数字孔径的限制，对相位物体（细胞等）等成像效果不佳以及难以应用于反射数字相衬成像。近期，LauraWaller课题组又提出了一种可以在物体成像的频谱面进行调制的数字相衬成像技术，该方法的特点是可以在成像光的传输过程中对其进行调制，排除光源的发光不均匀等因素所带来对测量精度高的影响，为反射式相衬成像技术提供了更为有利的手段(参考论文：HLu,JChung,XOu,CYang.Quantitativephaseimagingandcomplexfieldreconstructionbypupilmodulationdifferentialphasecontrast.OPTICSEXPRESS,Vol.24,No.22)。但是，根据文献中的介绍，这种方法采用空间光调制器对成像光路中的频谱面的光进行调制，价格昂贵，空间光调制器的刷新速度限制了图像采集的帧率，不能应用于高速变化过程的相衬成像，此外还存在光的偏振态影响空间光调制器对光的调制效果的问题。因此，现有技术有待改进。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，通过分光器件和两个相机实现双通道同步控制与图像采集，并利用数据处理模块进行定量相位恢复算法运算，得到待测物体的定量相衬图。本专利技术的技术方案如下：一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，其中，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两幅同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述分光器件为非偏振分光棱镜，包括两个出射光面，所述两个出射光面分别在两个4f成像系统的傅里叶频谱面，光束的光轴通过所述非偏振分光棱镜的两个出射面的中心。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述两个出射光面上各设有不透光不反射的遮光物，两个出射光面遮光物的形状和位置为对称互补关系。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述两个相机的感光芯片关于非偏振分光棱镜内部的倾斜分界面对称。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述扩束准直单元由两个透镜组成,经扩束准直的平行光照射待测物体的方式为投射或反射。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统，其中，所述光源为发光光谱带宽为20nm的LED光源。本专利技术的另一目的是提供一种上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，具体包括以下步骤：步骤S100：利用分光器件和两个相机实现双通道同步控制与图像采集，得到同步采集图像和；步骤S200：利用同步采集图像和计算得到实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，其中，所述步骤S100具体包括以下步骤：步骤S110：调整两个相机与分光器件的空间位置及摆放角度，使两个相机的感光芯片关于分光器件内部的倾斜分界面对称，两个相机感光芯片上的图像为镜像关系；步骤S120：将其中一个相机采集到的图像沿两幅图像的对称轴做翻转，然后通过采集分辨率板或者其他有一定形态特征的物体成像后，采集到两幅相似图像；步骤S130：使用图像匹配算法算出两幅相似图像之间的像素偏移量，根据像素偏移量来调整相机的感兴趣区域（ROI），得到两个同步采集图像和。上述双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，所述步骤S200中，计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的方法分别为：将步骤S100得到的两幅同步图像相加得到明场显微图，计算公式为：；将步骤S100得到的两幅同步图像相减，然后与相同的两幅图相加得到的图像相比得到差分相衬图，计算公式为：；将差分相衬图与双通道结构光数字相衬显微成像系统的参数结合，得到系统的相位传递函数，然后对差分相衬图进行二维傅里叶变换，将相位传递函数与频域差分相衬图相乘得到待测物体的相位分布图。本专利技术的有益效果为：本专利技术的针对性的利用市场上常见的，廉价的器件为基础，进行简单的处理，可以实现同样的相衬成像效果，解决了现有相衬成像系统中器件昂贵问题和空间光调制器对光的偏振性敏感的问题。同时通过两个图像采集模块进行图像的同步采集降低了外界扰动对定量相位恢复的影响，也可实现高速数字相衬成像。本专利技术具有成本低，受外界干扰少，可实时得到待测物体的明场显微图，差分相衬图以及定量相位图的特点。附图说明图1为本专利技术实施例1中双通道结构光数字相衬显微成像系统的结构示意图。图2为本专利技术中两个光学4f成像系统的位置关系示意图。图3为本专利技术中非偏振分光棱镜的两个出射光面A和B的示意图。图4为本专利技术实施例2中双通道结构光数字相衬显微成像系统的结构示意图。1-光源，2-扩束准直单元，21-第一透镜，22-第二透镜，3-分光器件，4-相机，41-感光芯片，5-待测物体，6-第三透镜，7-第四透镜，8-普通分光棱镜。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下举实例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1如图1所示，本实施例涉及一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，包括光源1，扩束准直单元2，分光器件3，透镜组和两个相同的相机4，具体地，所述光源1优选为发光光谱带宽为20nm左右的LED光源，所述扩束准直单元2由第一透镜21和第二透镜22构成，所述透镜组包括设置在待测物体5和分光器件3之间的第三透镜6以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，其中，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两幅同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。

【技术特征摘要】
1.一种双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，包括光源，扩束准直单元，分光器件，透镜组和两个相同的相机，其中，所述扩束准直单元用于将光源发出的发散光调整为平行光，并照射到待测物体上；所述分光器件、透镜组和两个相机构成两组对称的4f成像系统，得到两幅同步图像，用于计算实时明场显微图，差分相衬图以及定量相位图。2.根据权利要求1所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述分光器件为非偏振分光棱镜，包括两个出射光面，所述两个出射光面分别在两个4f成像系统的傅里叶频谱面，光束的光轴通过所述非偏振分光棱镜的两个出射面的中心。3.根据权利要求2所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述两个出射光面上各设有不透光不反射的遮光物，两个出射光面遮光物的形状和位置为对称互补关系。4.根据权利要求3所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述两个相机的感光芯片关于非偏振分光棱镜内部的倾斜分界面对称。5.根据权利要求4所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述扩束准直单元由两个透镜组成,经扩束准直的平行光照射待测物体的方式为投射或反射。6.根据权利要求1所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统，其特征在于，所述光源为发光光谱带宽为20nm的LED光源。7.一种如权利要求1-6中任一项所述的双通道结构光数字相衬显微成像系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑德金，王翰林，吴郁清，李娜娜，赵辉，顾兆泰，安昕，张浠，
申请(专利权)人：广东欧谱曼迪科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44