基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法及系统，激光光束以预设角度照射至数字微镜元件上；数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上；等间隔切换数字微镜元件的照明模式，激发样品面上产生周期性排列的点阵并随着照明模式切换移动；对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器采集双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据；根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取获得若干个亚区域，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品三维重构图。通过多个聚焦点同时激发样品，减少样品采集时间，大幅提高三维图像扫描显微系统的时间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法及系统
本专利技术涉及光学显微
，特别涉及基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法及系统。
技术介绍
激光扫描共聚焦显微镜是研究生物细微结构的有效技术手段，其在生物医学领域得到广泛应用。在共聚焦显微系统中，通过一对共轭的精密针孔和单聚焦点的剃刀扫描方式，使得系统可以抑制了来自非聚焦面的杂散光，过滤掉焦平面以外的信息，获得很高的图像对比度。虽然共聚焦显微可以实现超分辨成像，其分辨率受到针孔大小的影响，针孔越小，分辨率越高，但是，能够采集到的信号光也越弱，直接导致提升分辨率的同时降低样品图像的信噪比。近年来，为了在不降低信噪比的条件下，提高共聚焦显微镜的分辨率，有人提出了一种图像扫描显微镜，将传统的共聚焦显微镜中的光电倍增管替换为CCD，通过对采集到的信号进行数据处理，获得倍的分辨率提升。当对厚样品进行三维成像时，系统将延Z轴方向进行断层扫描，并将每层信息通过算法拼接，获得样品完整的三维信息。虽然，图像扫描显微镜具有许多优点，可以提高分辨率的同时获得较高的信噪比，但是，由于CCD探测器自身接收的信号能力较弱，读取时间较长，导致图像扫描显微系统的成像速度较慢，其扫描大小的样品区域需要花费60s,如果要对样品的三维结构进行成像的话，则需要花费大量时间。因而现有技术还有待改进和提高。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法及系统，可以通过多个聚焦点同时激发样品，提高了成像范围，减少样品采集时间，并且通过对样品发出的荧光进行相位调制，将采集到的点扩散函数转换为双螺旋的形式，进而实现单次的二维扫描获得样品的三维信息，大幅提高了图像扫描显微系统的时间分辨率。为了达到上述目的，本专利技术采取了以下技术方案：一种基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法，其包括如下步骤：经扩束准直后的激光光束以预设角度照射至数字微镜元件上；所述数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上；等间隔切换所述数字微镜元件的照明模式，激发样品面上产生周期性排列的点阵并随着照明模式切换移动，直到样品面全部被激发产生荧光；对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据；根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法中，所述数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上的步骤具体包括：激光光束经数字微镜元件反射后进入4f系统，并通过设置在傅里叶面上的光阑滤除多余衍射级的反射光后投射到样品面上。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法中，所述对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据的步骤包括：样品面被激发产生的荧光传输至相位调制单元；在相位调制单元上载入双螺旋点扩散函数相位，对高斯分布的荧光信号进行相位调制，将其转换为双螺旋形式的荧光信号；通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法中，根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图的步骤包括：根据采集到的图像数据尺寸，生成一个预设倍数尺寸的零矩阵；读取采集到的图像数据中的第n幅图，对中的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，每个亚区域图像数据中仅存在一个双螺旋点；对所有亚区域图像数据进行并行处理，通过双高斯拟合获取亚区域图像数据中双螺旋点的两个强度峰坐标，，附上高斯分布的数字针孔并计算双螺旋的旋转角度；对附加数字针孔后的双螺旋点进反卷积处理，使其转换为高斯点，并对反卷积之后的高斯点进行定位，计算其在上的坐标位置（x，y），将高斯点的强度分布复制到的（a*x，a*y）位置上，其中a为预设倍数；继续读取图像数据中的第n+1幅图并进行亚区域截取以及数据处理，直到所有图像数据处理完成，将的图像尺寸缩小为1/a得到样品的三维信息图像，并根据双螺旋的旋转角度与样品离焦距离的对应关系，计算出每个扫描位置的样品深度，重构得出样品的深度图。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法中，所述附上高斯分布的数字针孔的步骤具体包括：根据公式生成双高斯分布的数字针孔并与双螺旋点的强度峰坐标相乘，其中c为常数。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法中，所述预设倍数为两倍。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法中，所述相位调制单元为相位板或空间光调制器。一种基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像系统，其包括沿光路传输方向依次设置的：激光光源，用于提供连续的激发光束；扩束准直反射模块，用于对激发光束进行扩束和准直，并对经扩束准直后的激光光束进行反射使其预设角度出射；数字微镜元件，用于根据导入的等间隔切换的照明模式，对激光光束进行反射后投射至样品面上，激发样品面上产生周期性排列的点阵并随着照明模式切换移动；相位调制采集模块，用于对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，以及在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据；控制终端，用于将预设照明模式导入至所述数字微镜元件，以及根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像系统中，所述相位调制采集模块包括沿光路传输方向依次设置的：相位调制单元，用于对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号；探测器，用于在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据。所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像系统中，所述相位调制单元为相位板或空间光调制器。相较于现有技术，本专利技术提供的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法及系统中，经扩束准直后的激光光束以预设角度照射至数字微镜元件上；所述数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上；等间隔切换所述数字微镜元件的照明模式，激发样品面上产生周期性排列的点阵并随着照明模式切换移动，直到样品面全部被激发产生荧光；对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据；根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图。可以通过多个聚焦点同时激发样品，提高了成像范围，减少样品采集时间，并且通过对样品发出的荧光进行相位调制，将采集到的点扩散函数转换为双螺旋的形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：经扩束准直后的激光光束以预设角度照射至数字微镜元件上；所述数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上；等间隔切换所述数字微镜元件的照明模式，激发样品面上产生周期性排列的点阵并随着照明模式切换移动，直到样品面全部被激发产生荧光；对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据；根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图。

【技术特征摘要】
1.一种基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：经扩束准直后的激光光束以预设角度照射至数字微镜元件上；所述数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上；等间隔切换所述数字微镜元件的照明模式，激发样品面上产生周期性排列的点阵并随着照明模式切换移动，直到样品面全部被激发产生荧光；对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据；根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图。2.根据权利要求1所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法，其特征在于，所述数字微镜元件对激光光束进行反射后投射至样品面上的步骤具体包括：激光光束经数字微镜元件反射后进入4f系统，并通过设置在傅里叶面上的光阑滤除多余衍射级的反射光后投射到样品面上。3.根据权利要求1所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法，其特征在于，所述对样品面被激发产生的荧光进行相位调制，将高斯分布的荧光信号转换为双螺旋形式的荧光信号，通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据的步骤包括：样品面被激发产生的荧光传输至相位调制单元；在相位调制单元上载入双螺旋点扩散函数相位，对高斯分布的荧光信号进行相位调制，将其转换为双螺旋形式的荧光信号；通过探测器在每次切换照明模式时采集所述双螺旋形式的荧光信号，获得若干幅图像数据。4.根据权利要求1所述的基于双螺旋点扩散函数的多焦点扫描三维成像方法，其特征在于，根据采集到的图像数据对每幅图片上所有的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，对所有亚区域进行波前重构处理，得到样品的三维重构图的步骤包括：根据采集到的图像数据尺寸，生成一个预设倍数尺寸的零矩阵；读取采集到的图像数据中的第n幅图，对中的双螺旋点进行定位并截取，获得若干个亚区域图像数据，每个亚区域图像数据中仅存在一个双螺旋点；对所有亚区域图像数据进行并行处理，通过双高斯拟合获取亚区域图像数据中双螺旋点的两个强度峰坐标，，附上高斯分布的数字针孔并计算双螺旋的旋转角度；对附加数字针孔后的双螺旋点进反卷积处理，使其转换为高斯点，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于斌，李四维，曹慧群，王美昌，林丹樱，屈军乐，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44