三维折射率显微成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三维折射率显微成像系统及方法，其中，系统包括：光照产生模块，用于产生带有丰富纹理信息的光强编码的显微光照；显微样本模块，位于所述光源产生模块的后端，用于提供并控制移动所需采集的显微样本；相机阵列显微成像模块，位于所述显微样本模块后端，通过相机阵列对显微样本在不同视角下的样本图像进行同步高分辨率地采集；计算控制模块，用于提供参考图像、同步传感器阵列、控制采集系统与流程，并对采集的图像进行处理，以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还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。本发明专利技术可精确、高分辨率且快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。 1

【技术实现步骤摘要】
三维折射率显微成像系统及方法
本专利技术涉及显微成像技术、计算机视觉和计算摄像学
，特别涉及一种三维折射率显微成像系统及方法。
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三维折射率显微成像系统，该系统可以有效提高成像的可靠性和准确性，简单易实现。本专利技术的另一个目的在于提出一种三维折射率显微成像方法。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种三维折射率显微成像系统，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；显微样本模块，所述显微样本模块位于所述光源产生模块的后端，用于提供并控制移动所需采集的显微样本；相机阵列显微成像模块，所述显微成像模块位于所述显微样本模块后端，通过相机阵列对显微样本在不同视角下的样本图像进行同步高分辨率地采集；计算控制模块，用于提供参考图像、同步传感器阵列、控制采集系统与流程，并对采集的图像进行处理，以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还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。本专利技术实施例的三维折射率显微成像系统，可以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三维折射率显微成像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，所述光照产生模块包括：光源模块，用于产生显微成像中所需的大视角光照；参考图案，所述参考图案由所述计算控制模块控制，以提供任意所需的纹理丰富的静态图案，并放置于所述光源模块的像面上，以对光照进行强度调制。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述的显微样本模块对带有参考图案的所述光照进行相位编码，且各个视角下编码互不相同，使其带有所需采集的样本的所述三维折射率场信息。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述相机阵列显微成像模块包括：物镜，所述物镜位于显微样本后端，用于对显微样本进行放大成像，将光线变为平行光；镜子，所述镜子用于对光线进行偏折；套管透镜，所述套管透镜用于配合所述物镜对显微样本进行放大成像，将其投影放大于像面；两级中继系统，所述两级中继系统用于根据所述像面生成光圈面；成像透镜阵列，所述成像透镜阵列用于获取显微样本的不同视角的图像，并与所述光圈面尺寸匹配；传感器阵列，所述传感器阵列用于对显微样本的不同视角的图像进行采集。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，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面放大至覆盖整个所述成像透镜阵列的大小。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述相机阵列显微成像模块的各级元件的光轴需要对准，每个所述成像透镜阵列的光轴需对准所述第二级中继透镜的中心。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述相机阵列显微成像模块的对焦位置在所述参考图案面上。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述相机阵列显微成像模块中每个传感器对应的数值孔径小于所述光照产生模块的数值孔径。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述计算控制模块包括计算机、参考图案控制装置、样本移动控制装置以及传感器阵列同步控制装置，以重构出所述显微样本的三维折射率信息。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种三维折射率显微成像方法，采用根据上述成像系统，其中，所述方法包括以下步骤：将系统视野调整至无样本区域，使用所述三维折射率显微成像系统拍摄，获得所述各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像；将所述三维折射率显微成像系统的视野调整至目标样本的位置，拍摄获得所述多个视角下含有样本的扭曲动态视频；获取各视角下视频帧与参考图像每个像素之间的匹配关系，以还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。本专利技术实施例的三维折射率显微成像方法，可以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，从而有效提高成像的可靠性和准确性，简单易实现。另外，根据本专利技术上述实施例的三维折射率显微成像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，所述获取各视角下视频帧与参考图像每个像素之间的匹配关系，以还原重构出所述显微样本的三维折射率信息，进一步包括：根据所述传感器阵列同步采集的各个视角下的所述扭曲动态视频和所述未扭曲参考图像，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的匹配图像；根据匹配图像恢复出各个视角下每帧视频对应的相位图像；根据各个视角下的相位图像视频，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三维折射率显微成像系统的结构示意图；图2为根据本专利技术一个具体实施例的三维折射率显微成像系统的结构示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的三维折射率显微成像方法的流程图。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，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。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的三维折射率显微成像系统及方法，首先将参照附图描述根据本专利技术实施例提出的三维折射率显微成像系统。图1是本专利技术一个实施例的三维折射率显微成像系统的结构示意图。如图1所示，该三维折射率显微成像系统100包括：光照产生模块110、显微样本模块120、相机阵列显微成像模块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，光强编码为提供的具有纹理的参考图像。显微样本模块120位于光源产生模块110的后端，以提供并控制移动所需采集的显微样本。相机阵列显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维折射率显微成像系统，其特征在于，包括：

【技术特征摘要】
1.一种三维折射率显微成像系统，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；显微样本模块，所述显微样本模块位于所述光源产生模块的后端，用于提供并控制移动所需采集的显微样本；相机阵列显微成像模块，所述显微成像模块位于所述显微样本模块后端，通过相机阵列对显微样本在不同视角下的样本图像进行同步高分辨率地采集；计算控制模块，用于提供参考图像、同步传感器阵列、控制采集系统与流程，并对采集的图像进行处理，以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还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。2.根据权利要求1所述的三维折射率显微成像系统，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大视角光照；参考图案，所述参考图案由所述计算控制模块控制，以提供任意所需的纹理丰富的静态图案，并放置于所述光源模块的像面上，以对光照进行强度调制。3.根据权利要求2所述的三维折射率显微成像系统，其特征在于，所述的显微样本模块对带有参考图案的所述光照进行相位编码，且各个视角下编码互不相同，使其带有所需采集的样本的所述三维折射率场信息。4.根据权利要求1所述的三维折射率显微成像系统，其特征在于，所述相机阵列显微成像模块包括：物镜，所述物镜位于显微样本后端，用于对显微样本进行放大成像，将光线变为平行光；镜子，所述镜子用于对光线进行偏折；套管透镜，所述套管透镜用于配合所述物镜对显微样本进行放大成像，将其投影放大于像面；两级中继系统，所述两级中继系统用于根据所述像面生成光圈面；成像透镜...

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