基于亚像素平移的高分辨率光场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基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统及方法，其中，系统包括：显微镜、二维扫描振镜、中继透镜对、微透镜阵列、图像传感器和重建模块，其中，显微镜用于放大目标样本并成像于显微镜的第一图像平面上；二维扫描振镜用于在频域平面内旋转光路角度，以亚像素平移第一图像平面；中继透镜对用于放大或缩小第一图像平面；微透镜阵列用于在微透镜阵列的后焦平面上调制预设角度光束到目标空间位置，并得到多个调制图像；图像传感器用于记录多个调制图像；重建模块，用于获取图像传感器记录的多个调制图像，并通过多个调制图像重建目标样本的三维结构。该系统具有简单的结构、低成本、快速、适用于活细胞观测的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统及方法
本专利技术涉及计算显微
，特别涉及一种基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统。
技术介绍
生物样本的三维成像对于生物学研究是重要的，但是相机一次只能捕捉二维图像。研究人员一直在研究有效的3D成像方法。到目前为止，相关技术主要包括以下几种三维显微成像方法。第一种方法是对样品进行轴向扫描。常见的宽视野显微镜能够捕获焦平面上的二维样品切片。当样品通过轴向电动平移台移动时，可以聚焦不同深度的样品切片。移动样品后，相机会捕获图像。我们可以堆叠这些图像，它们有效地代表了标本的真实信息。但是，这种方法具有不可忽视的缺点：轴向移动样品的过程非常缓慢，这是由于显微镜载物台所要求的稳定性决定的。如果扫描>20个深度平面，则难以实现动态实时成像。更糟糕的是，样品中的液体成分在移动时可能会流动，这会导致三维成像与真实样本不符。第二种方法是光场显微镜。光场通过将微透镜阵列附加到常规荧光显微镜的图像平面来捕获来自样本的光的2D空间和2D角度信息。我们假设光场图像的总数为Nnum×Nnum的不同角度，每个角度对应于低分辨率子图像，这相当于将真实图像通过了不同频率域的低通滤波器。我们可以将这些低分辨率图像视为低分辨率的维格纳离散分布函数。然而，光场将频域分成小块，相当于减小了频域范围，造成了一些频率的丢失。它牺牲了空间分辨率来提高角度分辨率。因此，传统光场的空间分辨率低，无法准确地检测样本。
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基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，该系统可以通过亚像素移动光场图像，采集到高分辨率的维格纳离散分布函数，且具有简单的结构，并具有低成本、快速、适用于活细胞观测的优点。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像方法。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，包括：显微镜，所述显微镜包括物镜和管镜，用于放大目标样本，并成像于所述显微镜的第一图像平面上；二维扫描振镜，所述二维扫描振镜放置于所述中继透镜对的频域平面内，用于在所述频域平面内旋转光路角度，以亚像素平移所述第一图像平面；中继透镜对，用于匹配所述物镜和微透镜阵列之间的数值孔径，并放大或缩小所述第一图像平面；所述微透镜阵列，用于在所述微透镜阵列的后焦平面上调制预设角度光束到目标空间位置，并根据经过亚像素平移第一图像平面调制得到多个调制图像；图像传感器，所述图像传感器与所述微透镜阵列通过成像相机镜头耦合，且设置在所述成像相机透镜的第二图像平面上，用于记录所述多个调制图像；重建模块，用于获取所述图像传感器记录的所述多个调制图像，并通过所述多个调制图像重建所述目标样本的三维结构。本专利技术实施例的基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，结合了光场显微镜和扫描技术，通过移动微透镜阵列的亚像素，来提升传统光场显微镜的空间分辨率，在原有光场显微的基础上，增加了一路扫描光路，使成像分辨率大幅提升，在微透镜阵列之前增加二维扫描振镜，并且配合一台普通计算机进行数据处理即可实现，从而可以通过亚像素移动光场图像，采集到高分辨率的维格纳离散分布函数，且具有简单的结构，并具有低成本、快速、适用于活细胞观测的优点。另外，根据本专利技术上述实施例的基于亚像素平移的高分辨率光场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，所述管镜用于匹配和校正所述物镜的放大率。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述二维扫描振镜包括X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜，其中，以所述频域平面建立坐标系。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述二维扫描振镜进一步用于通过所述X方向扫描振镜沿x轴方向旋转光束，且通过所述Y方向扫描振镜沿y轴方向旋转光束。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述中继透镜对包括第一透镜和第二透镜，其中，所述第一图像平面位于所述第一透镜的前焦平面上时，所述放大或缩小的第一图像平面位于所述第二透镜后焦平面上，所述中继透镜对的放大或缩小所述第一图像平面的比率根据所述第一透镜焦距和所述第二透镜焦距之间的比率确定。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述中继透镜对进一步包括：第一级4f系统，所述第一级4f系统包括第一前级透镜和第一后级透镜；第二级4f系统，所述第二级4f系统包括第二前级透镜和第二后级透镜。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述图像传感器为科研型互补金属氧化物半导体晶体管SCMOS、单色传感器或电荷耦合器件CCD或互补金属氧化物半导体晶体管CMOS。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：控制器系统，用于同时触发所述二维扫描振镜和所述图像传感器。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述微透镜阵列以衍射极限分辨率调制得到所述多个调制图像。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像方法，包括以下步骤：通过显微镜放大目标样本，并成像于所述显微镜的第一图像平面上；通过中继透镜对匹配所述物镜和微透镜阵列之间的数值孔径并放大或缩小所述第一图像平面；通过二维扫描振镜在所述频域平面内旋转光路角度，以亚像素平移所述第一图像平面；通过图像传感器在所述微透镜阵列的后焦平面上调制预设角度光束到目标空间位置，并根据经过亚像素平移第一图像平面调制得到多个调制图像；通过图像传感器记录所述多个调制图像，并通过重建模块根据所述多个调制图像重建所述目标样本的三维结构。本专利技术实施例的基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像方法，结合了光场显微镜和扫描技术，通过移动微透镜阵列的亚像素，来提升传统光场显微镜的空间分辨率，在原有光场显微的基础上，增加了一路扫描光路，使成像分辨率大幅提升，在微透镜阵列之前增加二维扫描振镜，并且配合一台普通计算机进行数据处理即可实现，从而可以通过亚像素移动光场图像，采集到高分辨率的维格纳离散分布函数，且具有简单的结构，并具有低成本、快速、适用于活细胞观测的优点。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基于亚像素平移的高分辨率光场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基于亚像素平移的高分辨率光场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从传统光场显微镜到我们的亚像素光场显微成像系统的改装和重建过程的框图；图4为根据本专利技术一个实施例的基于亚像素平移的高分辨率光场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基于亚像素平移的高分辨率光场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基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统。图1是本专利技术一个实施例的基于亚像素平移的高分辨率光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，其特征在于，包括：显微镜，所述显微镜包括物镜和管镜，用于放大目标样本，并成像于所述显微镜的第一图像平面上；二维扫描振镜，所述二维扫描振镜放置于所述中继透镜对的频域平面内，用于在所述频域平面内旋转光路角度，以亚像素平移所述第一图像平面；中继透镜对，用于匹配所述物镜和微透镜阵列之间的数值孔径，并放大或缩小所述第一图像平面；所述微透镜阵列，用于在所述微透镜阵列的后焦平面上调制预设角度光束到目标空间位置，并根据经过亚像素平移第一图像平面调制得到多个调制图像；图像传感器，所述图像传感器与所述微透镜阵列通过成像相机镜头耦合，且设置在所述成像相机透镜的第二图像平面上，用于记录所述多个调制图像；以及重建模块，用于获取所述图像传感器记录的所述多个调制图像，并通过所述多个调制图像重建所述目标样本的三维结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，其特征在于，包括：显微镜，所述显微镜包括物镜和管镜，用于放大目标样本，并成像于所述显微镜的第一图像平面上；二维扫描振镜，所述二维扫描振镜放置于所述中继透镜对的频域平面内，用于在所述频域平面内旋转光路角度，以亚像素平移所述第一图像平面；中继透镜对，用于匹配所述物镜和微透镜阵列之间的数值孔径，并放大或缩小所述第一图像平面；所述微透镜阵列，用于在所述微透镜阵列的后焦平面上调制预设角度光束到目标空间位置，并根据经过亚像素平移第一图像平面调制得到多个调制图像；图像传感器，所述图像传感器与所述微透镜阵列通过成像相机镜头耦合，且设置在所述成像相机透镜的第二图像平面上，用于记录所述多个调制图像；以及重建模块，用于获取所述图像传感器记录的所述多个调制图像，并通过所述多个调制图像重建所述目标样本的三维结构。2.根据权利要求1所述的基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，其特征在于，所述管镜用于匹配和校正所述物镜的放大率。3.根据权利要求1所述的基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，其特征在于，所述二维扫描振镜包括X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜，其中，以所述频域平面建立坐标系。4.根据权利要求3所述的基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，其特征在于，所述二维扫描振镜进一步用于通过所述X方向扫描振镜沿x轴方向旋转光束，且通过所述Y方向扫描振镜沿y轴方向旋转光束。5.根据权利要求1所述的基于亚像素平移的高分辨率光场显微成像系统，其特征在于，所述中继透镜对包括第一透镜和第二透镜，其中，所述第一图像平面位于所述第一透镜的前焦平面上时，所述放大或缩小的第一图...

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