宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法及系统，其中，方法包括以下步骤：对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布；根据荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数；根据荧光小球在不同离焦距离处的能量分布，以相同的比例对各个二维点扩散函数进行加权，使不同离焦距离处的二维点扩散函数的能量之比与小球各层能量之比相同，对相机的不同离焦距离处二维点扩散函数进行合并，以得到宽场荧光显微镜的三维点扩散函数。该方法可以在非理想点光源与低信噪比条件下依然能够较好地描述相机系统的光学特性，从而提高了测量结果的准确性，可以更好地描述系统的成像特性。

【技术实现步骤摘要】
宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法及系统
本专利技术涉及计算机图像处理、显微成像
，特别涉及一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法及系统。
技术介绍
点扩散函数用于描述一个光学系统的脉冲响应，在衡量系统的成像质量时起到重要作用，并广泛应用于荧光显微成像、反卷积三维重建、傅里叶光学等领域。目前获取相机点扩散函数的方法，主要分为理论计算与实际测量两种。理论计算法虽不受噪声影响，但也无法考虑到实际系统与理想情况的差别。实际测量法，普遍采用的方法是拍摄荧光小球焦栈，并将小球视作理想点光源，以小球的光场分布直接作为相机的点扩散函数，该方法通常要求荧光小球的直径小于相机横向分辨率的1/3。然而在宽场荧光显微镜下，满足上述直径要求的荧光小球通常由于体积过小而亮度过低，难以被清晰观测。故实际拍摄的小球直径略大于相机的横向分辨率，不能被视作理想点光源，再考虑到低信噪比对图像的影响，采用上述方法进行测量时得到的结果与实际偏差相对较大。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，该方法提高了测量结果的准确性，可以更好地描述系统的成像特性。本专利技术的另一个目的在于提出一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量系统。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，包括以下步骤：拍摄荧光小球焦栈，并对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布；根据所述荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数；根据所述荧光小球在不同离焦距离处的能量分布，以相同的比例对各个二维点扩散函数进行加权，使所述不同离焦距离处的二维点扩散函数的能量之比与小球各层能量之比相同，对所述相机的不同离焦距离处二维点扩散函数进行合并，以得到宽场荧光显微镜的三维点扩散函数。本专利技术实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，可以在非理想点光源与低信噪比条件下依然能够较好地描述相机系统的光学特性，相比于假定为理想点光源的普遍测量方法，能够得到更加准确的测量结果，提供了一种更加符合实际相机系统光学特性的点扩散函数测量方法，从而提高了测量结果的准确性，可以更好地描述系统的成像特性。另外，根据本专利技术上述实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布，包括：对所述荧光小球焦栈图像进行时域滤波和背景噪声的去除；筛选不满足预定形态的荧光小球，并剔除与所述荧光小球混淆的残余噪声，以得到所述荧光小球的三维光场分布。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述筛选不满足预定形态的荧光小球，并剔除与所述荧光小球混淆的残余噪声，以得到所述荧光小球的三维光场分布，包括：通过对所述荧光小球焦栈图像进行二值化处理，以剔除形状不规则的荧光小球，并通过对二值化后的图像进行膨胀处理以剔除聚集成团或距离过近的荧光小球，以及根据所述二值化后的图像的灰度值随离焦距离的变化特点剔除与荧光小球混淆的残余噪声。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述根据所述荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数，包括：对距离物镜的距离超过预定距离的平面，根据高斯分布拟合得到二维点扩散函数；对距离物镜的距离未超过预定距离的平面，根据圆环分布直接求取二维点扩散函数。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，相机的不同离焦距离处二维点扩散函数的能量的由荧光小球特定区域内的像素值之和表征。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量系统，包括：预处理模块，用于拍摄荧光小球焦栈，并对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布；二维点扩散函数计算模块，用于根据所述荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数；三维点扩散函数生成模块，用于根据所述荧光小球在不同离焦距离处的能量分布，以相同的比例对各个二维点扩散函数进行加权，使所述不同离焦距离处的二维点扩散函数的能量之比与小球各层能量之比相同，对所述相机的不同离焦距离处二维点扩散函数进行合并，以得到宽场荧光显微镜的三维点扩散函数。本专利技术实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量系统，可以在非理想点光源与低信噪比条件下依然能够较好地描述相机系统的光学特性，相比于假定为理想点光源的普遍测量方法，能够得到更加准确的测量结果，提供了一种更加符合实际相机系统光学特性的点扩散函数测量方法，从而提高了测量结果的准确性，可以更好地描述系统的成像特性。另外，根据本专利技术上述实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述预处理模块包括：去除模块，用于对所述荧光小球焦栈图像进行时域滤波和背景噪声的去除；筛选剔除模块，用于筛选不满足预定形态的荧光小球，并剔除与所述荧光小球混淆的残余噪声，以得到所述荧光小球的三维光场分布。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述筛选剔除模块还用于通过对所述荧光小球焦栈图像进行二值化处理，以剔除形状不规则的荧光小球，并通过对二值化后的图像进行膨胀处理以剔除聚集成团或距离过近的荧光小球，以及根据所述二值化后的图像的灰度值随离焦距离的变化特点剔除与荧光小球混淆的残余噪声。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述二维点扩散函数计算模块还用于对距离物镜的距离超过预定距离的平面，根据高斯分布拟合得到二维点扩散函数，且对距离物镜的距离未超过预定距离的平面，根据圆环分布直接求取二维点扩散函数。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，相机的不同离焦距离处二维点扩散函数的能量由荧光小球特定区域内的像素值之和表征。本专利技术附加的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上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法的流程图；图2为根据本专利技术一个具体实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法的流程图；图3为根据本专利技术一个实施例的荧光小球的拍摄、检测与筛选流程图；图4为根据本专利技术一个实施例的二维点扩散函数的计算流程图；图5为根据本专利技术一个实施例的二维点扩散函数合并为三维点扩散函数的流程图；图6为根据本专利技术一个实施例的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量系统的结构示意图。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，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在介绍宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法及系统之前，先简单介绍一下相关技术的缺陷。相关技术通过高斯函数或贝塞尔函数对显微镜的点扩散函数进行拟合，但并未针对小球的非理想点光源特性做其他的处理，效果提升不明显；基于卡尔曼滤波估计点扩散函数，无先验分布假设以提高自适应性，但也因无先验约束而在噪声干扰下可能过度偏离真实解，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：拍摄荧光小球焦栈，并对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布；根据所述荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数；根据所述荧光小球在不同离焦距离处的能量分布，以相同的比例对各个二维点扩散函数进行加权，使所述不同离焦距离处的二维点扩散函数的能量之比与小球各层能量之比相同，对所述相机的不同离焦距离处二维点扩散函数进行合并，以得到宽场荧光显微镜的三维点扩散函数。

【技术特征摘要】
1.一种宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：拍摄荧光小球焦栈，并对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布；根据所述荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数；根据所述荧光小球在不同离焦距离处的能量分布，以相同的比例对各个二维点扩散函数进行加权，使所述不同离焦距离处的二维点扩散函数的能量之比与小球各层能量之比相同，对所述相机的不同离焦距离处二维点扩散函数进行合并，以得到宽场荧光显微镜的三维点扩散函数。2.根据权利要求1所述的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，其特征在于，所述对拍摄的荧光小球焦栈图像进行去噪及荧光小球的筛选，以得到荧光小球的三维光场分布，包括：对所述荧光小球焦栈图像进行时域滤波和背景噪声的去除；筛选不满足预定形态的荧光小球，并剔除与所述荧光小球混淆的残余噪声，以得到所述荧光小球的三维光场分布。3.根据权利要求2所述的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，其特征在于，所述筛选不满足预定形态的荧光小球，并剔除与所述荧光小球混淆的残余噪声，以得到所述荧光小球的三维光场分布，包括：通过对所述荧光小球焦栈图像进行二值化处理，以剔除形状不规则的荧光小球，并通过对二值化后的图像进行膨胀处理以剔除聚集成团或距离过近的荧光小球，以及根据所述二值化后的图像的灰度值随离焦距离的变化特点剔除与荧光小球混淆的残余噪声。4.根据权利要求1所述的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，其特征在于，所述根据所述荧光小球的三维光场分布计算相机的不同离焦距离处二维点扩散函数，包括：对距离物镜的距离超过预定距离的平面，根据高斯分布拟合得到二维点扩散函数；对距离物镜的距离未超过预定距离的平面，根据圆环分布直接求取二维点扩散函数。5.根据权利要求1所述的宽场荧光显微镜的点扩散函数测量方法，其特征在于，相机的不同离焦距离处二维...

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