基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统及方法，基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统，包括：结构光照明系统，用于通过多个方向和多个相位的周期性结构光对样品进行照明；水浸物镜成像系统，用于在周期性结构光下将样品经水浸物镜和筒镜成像到相机上，得到经过周期性结构光调制的多个空间域图片；图像处理系统，用于将空间域图片进行傅里叶变换到频域图像处理后得到超分辨率显微图像；控制系统，用于控制水浸物镜成像系统成像时扫描的位置和方向。本发明专利技术采用结构光照明结合水浸物镜实现超分辨显微成像，其效果达到或者超过了相同系列油浸物镜成像的分辨率，可应用于阴道微生态病理检测。

Super-resolution automatic scanning imaging system and method based on water immersion lens

The invention provides a super-resolution fast automatic scanning imaging system and method based on the water immersion objective, and a super-resolution fast automatic scanning imaging system based on the water immersion objective, which comprises: a structured light illumination system for illuminating a sample through periodic structured light in multiple directions and phases; a water immersion objective imaging system for passing a sample through water under periodic structured light The immersion lens and the barrel lens are imaged on the camera to obtain a plurality of space domain images modulated by the periodic structured light; the image processing system is used to process the space domain images from the Fourier transform to the frequency domain image to obtain the super-resolution micro image; the control system is used to control the scanning position and direction when the water immersion lens imaging system is imaged. The invention adopts structured light illumination and water immersion objective to realize super-resolution microscopic imaging, the effect of which reaches or exceeds the resolution of imaging of the same series of oil immersion objective, and can be applied to the vaginal microecological pathological detection.

【技术实现步骤摘要】
基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统及方法
本专利技术属于生物细胞成像领域，涉及基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统及方法。
技术介绍
在生物细胞成像领域，尤其是阴道微生态病理成像领域，需要高分辨率的图片，这就需要使用高放大倍数高数值孔径NA的油浸物镜。然而使用油浸物镜，操作麻烦，清理不便，很难实现自动化扫描成像。采用水浸物镜操作比油浸物镜简单，清理也更方便。然而水浸物镜的数值孔径一般比油浸物镜的数值孔径低20％左右。因此，水浸物镜成像的分辨率也不油浸物镜分辨率低20％左右。
技术实现思路
为了提高水浸物镜分辨率并且实现快速扫描成像，本专利技术提供了基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统及方法，采用结构光照明结合水浸物镜实现超分辨显微成像，其效果达到或者超过了相同系列油浸物镜成像的分辨率，可应用于阴道微生态病理检测。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统，包括：结构光照明系统，用于通过多个方向和多个相位的周期性结构光对样品进行照明；水浸物镜成像系统，用于在周期性结构光下将样品经水浸物镜和筒镜成像到相机上，得到经过周期性结构光调制的多个空间域图片；图像处理系统，用于将空间域图片进行傅里叶变换到频域图像处理后得到超分辨率显微图像；控制系统，用于控制水浸物镜成像系统成像时扫描的位置和方向。优选地，所述结构光照明系统包括：照明系统，用于向全内反射棱镜提供均匀的照明光；全内反射棱镜，用于将来自照明系统的照明光反射入空间光调制器；空间光调制器，用于接收来自全内反射棱镜的反射光并垂直反射出具有周期性结构的照明光；准直透镜，用于将来自空间光调制器的照明光变成准直光线并入射给反射镜；反射镜，用于将来自准直透镜的准直光线反射入照明物镜；照明物镜，用于通过来自反射镜的反射光为样品提供周期性结构光照明。优选地，所述结构光照明系统包括：照明系统，用于向全内反射棱镜提供均匀的照明光；全内反射棱镜，用于将来自照明系统的照明光反射入空间光调制器；空间光调制器，用于接收来自全内反射棱镜的反射光并垂直反射出具有周期性结构的照明光；准直透镜，用于将来自空间光调制器的照明光变成准直光线并入射给反射镜；反射镜，用于将来自准直透镜的准直光线反射入半透半反镜或双色镜；半透半反镜或双色镜，用于通过出射光为样品提供周期性结构光照明。优选地，所述水浸物镜成像系统还包括：运动平台，用于承载样品并在控制系统的控制下运动。优选地，所述控制系统用于控制运动平台进行水平x，y方向移动扫描，控制水浸物镜或筒镜进行z轴自动聚焦扫描。优选地，所述水浸物镜成像系统还包括：注水系统，用于在样品和水浸物镜之间填充水。优选地，所述图像处理系统用于通过图像处理算法将空间域图片不同方向的高频部分与低频部分频谱拼接，再对拼接频谱进行傅里叶逆变换得到超分辨率显微图像。基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像方法，包括：1)通过多个方向和多个相位的周期性结构光对样品进行照明；2)在周期性结构光下将样品经水浸物镜和筒镜成像到相机上，得到经过周期性结构光调制的多个空间域图片；3)将步骤2)得到的空间域图片进行傅里叶变换到频域图像处理后得到超分辨率显微图像。优选地，步骤3)包括：对步骤2)得到的空域图片进行傅里叶变换得到其频谱，通过图像处理算法将不同方向的高频部分与低频部分频谱拼接，再对拼接频谱进行傅里叶逆变换得到超越衍射极限分辨率的图片。优选地，采用频域图像互相关(cross-correlation)的方法确定用于高频部分与低频部分频谱拼接的参数。这些参数包括：结构光的方向，相位以及调制幅度等参数。优选地，上述方法还包括将样品置于运动平台上，通过控制系统控制运动平台实现水平x，y方向上的扫描、控制水浸物镜进行z轴自动聚焦扫描。本专利技术的有益效果如下：通过硬件系统得到多幅不同角度不同相位的正弦状结构光照明成像空域图片，通过软件算法将这些空域图片进行傅里叶变换得到频谱，再对频谱进行处理后进行傅里叶逆变换可以得到超越衍射极限的高分辨率图片，至少可以超过衍射极限的30％，其效果达到或者超过了相同系列油浸物镜成像的分辨率其分辨率，可应用于阴道微生态病理检测。附图说明图1为实施例1采用透射式结构光照明超分辨率快速自动扫描成像系统示意图；图2为实施例2采用反射式结构光照明超分辨率快速自动扫描成像系统示意图；图3为正弦状结构光示意图；图4为多个方向的正弦状结构光照明成像示意图；图5为同一方向，不同相位的结构光照明成像示意图；图6为多个方向的正弦状结构光照明成像的频谱示意图，图中大圆圈内为低频部分，小圆圈内为高频部分；图7为对多个方向的正弦状结构光照明成像的频谱进行处理拼接得到的总的频谱；图8显示传统显微成像(左)和正弦状结构光照明成像(右)分辨率对比；上述图中的标记均为：1、光源；2、照明系统；3、TIR棱镜；4、空间光调制器；5、准直透镜；6、反射镜；7、照明物镜；8、运动平台；9、样品；10、水浸物镜；11、筒镜；12、相机；13、纯净水；14、注水系统；15、运动控制系统；16、图像处理系统。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。本专利技术采用的技术方案主要包含硬件系统和软件算法系统。通过硬件系统得到多幅不同角度不同相位的周期性结构(例如正弦形)光照明成像空域图片。通过软件算法将这些空域图片进行傅里叶变换得到频谱，再对频谱进行处理后进行傅里叶逆变换可以得到超越衍射极限的高分辨率图片。实施例1本实施例提供了一种采用透射式结构光照明的超分辨率快速自动扫描成像系统，如图1所示，光源1通过照明系统2将均匀的照明光入射到TIR棱镜3并经TIR棱镜3以特定的角度反射入空间光调制器4，空间光调制器4垂直反射出正弦形照明光(如图3所示)。正弦形照明光经准直透镜5和反射镜6反射入照明物镜7中，在样品9上形成正弦状照明。样品9和水浸物镜10之间通过注水系统14填充纯净水13。样品9在多个方向和多个相位的正弦状照明光下经水浸物镜10和筒镜11成像到相机12(例如，可采用FLIRBFS-U3-32S4C相机)上，得到的经过正弦状结构光调制的多个空间域图片(如图4所示)。图像处理系统16对这些空域图片进行傅里叶变换得到其频谱，除了中心低频部分，还会出现一个高频部分(如图5所示)。通过图像处理算法将不同方向的高频部分与低频部分频谱拼接可以得到完整的同时包含低频和高频的频谱(如图6所示)。再对此频谱进行傅里叶逆变换可以得到超越衍射极限分辨率的图片，如图7所示，左：传统显微成像图片，右：结构光照明显微成像图片，传统显微成像无法区分的两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统，包括：/n结构光照明系统，用于通过多个方向和多个相位的周期性结构光对样品进行照明；/n水浸物镜成像系统，用于在周期性结构光下将样品经水浸物镜和筒镜成像到相机上，得到经过周期性结构光调制的多个空间域图片；/n图像处理系统，用于将空间域图片进行傅里叶变换到频域图像处理后得到超分辨率显微图像；/n控制系统，用于控制水浸物镜成像系统成像时扫描的位置和方向。/n

【技术特征摘要】
1.基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统，包括：
结构光照明系统，用于通过多个方向和多个相位的周期性结构光对样品进行照明；
水浸物镜成像系统，用于在周期性结构光下将样品经水浸物镜和筒镜成像到相机上，得到经过周期性结构光调制的多个空间域图片；
图像处理系统，用于将空间域图片进行傅里叶变换到频域图像处理后得到超分辨率显微图像；
控制系统，用于控制水浸物镜成像系统成像时扫描的位置和方向。


2.根据权利要求1所述的基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统，其特征在于，所述结构光照明系统包括：
照明系统，用于向全内反射棱镜提供均匀的照明光；
全内反射棱镜，用于将来自照明系统的照明光反射入空间光调制器；
空间光调制器，用于接收来自全内反射棱镜的反射光并垂直反射出具有周期性结构的照明光；
准直透镜，用于将来自空间光调制器的照明光变成准直光线并入射给反射镜；
反射镜，用于将来自准直透镜的准直光线反射入照明物镜；
照明物镜，用于通过来自反射镜的反射光为样品提供周期性结构光照明。


3.根据权利要求1所述的基于水浸物镜的超分辨率快速自动扫描成像系统，其特征在于，所述结构光照明系统包括：
照明系统，用于向全内反射棱镜提供均匀的照明光；
全内反射棱镜，用于将来自照明系统的照明光反射入空间光调制器；
空间光调制器，用于接收来自全内反射棱镜的反射光并垂直反射出具有周期性结构的照明光；
准直透镜，用于将来自空间光调制器的照明光变成准直光线并入射给反射镜；
反射镜，用于将来自准直透镜的准直光线反射入半透半反镜或双色镜；
半透半反镜或双色镜，用于通过出射光为样品提供周期性结构光照明。


4.根据权利要求1所述的基于水浸物镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翼，伍祥辰，
申请(专利权)人：苏州睿仟科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32