用于捕获具有湍流衰减的显微全光图像的设备和方法技术

一种用于通过显微镜采集具有湍流衰减的显微全光图像的系统以组合的方式包括：应获得其图像的样本(S)，其能够被视为混沌光源，所述混沌光源的发射具有强度分布F(ρs)，其中ρs为样本平面上的平面坐标；分束器(BS)；两个传感器或检测器(D

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于捕获具有湍流衰减的显微全光图像的设备和方法
本专利技术涉及显微镜学、立体成像以及总体而言三维图像
中用于图像的全光采集的技术。特别地，根据本专利技术的全光采集过程被称为“相关全光成像”(CorrelationPlenopticImaging，CPI)，也就是说，它指的是基于由传感器记录的发光强度的时空相关性进行的全光图像采集，这些传感器被布置为采集图像的空间测量和角度测量。
技术介绍
术语“图像的全光采集”指的是这样的特定光学方法，根据该方法，可以在给定场景中采集光的位置和传播方向两者。以这样的方式，可以获得允许以三维的方式重构所采集的图像的空间测量和角度测量。事实上，在图像的采集之后的图像处理步骤中，例如，可以改变图像的焦平面的位置、或者扩展图像的景深、或者重构三维图像。当前已知的常规图像采集技术允许通过相对于图像采集传感器被定位在上游的合适透镜来选择放大率、焦平面位置和景深。然而，传统的图像采集技术具有提供原始三维场景的二维表示的局限性。为了确保用户的改进的体验和更真实的结果，图像的三维表示在许多技术应用(诸如涉及对将在虚拟仿真环境中使用的部件进行建模的那些应用、或者涉及用于原型制作、设计、生产、营销、检查和维护的物体表示的那些应用、或者通常涉及三维场景的物体的改进表示的那些应用)中是有用的。而且，传统的图像采集技术不允许在图像采集之后的时间改变焦平面位置或景深。在摄影领域，非常常见的是需要在采集后的某个时刻聚焦在特定的平面上或选择图像的景深。关于显微镜学领域，值得注意的是大分辨率对应于小景深。由于在采集之后不可能改变焦平面，如果人们想要深入表征被检查的样本，就需要用不同的聚焦平面进行大量的扫描。在这方面，应该注意的是，将样本暴露于辐射持续较长时间，特别是如果其是生物样本，则可能损坏样本，或者在体内观察的情况下，导致对患者的损坏。因此，传统的显微图像采集技术具有全光采集技术要解决的几个缺点。当前已知的全光图像采集技术允许在场景的三维空间的不同位置获得具有不同焦平面的图像。通过采集场景中光的空间测量和角度测量，这个特征成为可能。术语“空间测量”指的是对场景内的平面进行传统的二维图像采集，而“角度测量”指的是采集确定来自要采集的场景的光束的传播方向所必需的信息。在图像采集之后的处理步骤中，可以组合空间测量和角度测量，以便重构三维图像。当前已知的全光图像采集技术是基于插入布置在主透镜和传感器之间微透镜阵列，该主透镜适于将感兴趣场景的图像聚焦在微透镜阵列上，该传感器适于采集给定场景的图像。微透镜阵列起着双重作用。一方面，它的行为类似于能够采集场景的空间测量的点的阵列，另一方面，它在传感器上再现主透镜(每个微透镜一个)的图像序列，从而提供场景的角度大小。与传统的图像采集技术不同，全光图像采集设备针对传感器的每个像素捕获关于光的位置和方向的双重信息。这意味着在图像处理中，可以获得场景的不同视角或视图，从而允许用户选择聚焦的场景平面和景深，以及获得场景的三维重构。然而，目前已知的全光图像采集技术具有这样的缺点，即以比由主透镜的直径和焦距确定的物理极限(“衍射极限”)更低的分辨率产生图像。事实上，当前已知的全光图像采集技术提供了使用单个传感器来同时采集场景的空间测量和角度测量。这个特征限制了所采集的图像的空间分辨率，因为传感器的分辨率能力的一部分被牺牲以获得角度测量的益处。而且，在当前已知的全光图像采集技术中，由于使用单个传感器来获得空间信息和角度信息，最大空间分辨率和角度分辨率通过反比比率链接在一起。因此，由已知的全光图像采集设备产生的图像具有处于低分辨率的缺点，也就是说，它们的特征在于图像的分辨率远低于衍射极限给出的分辨率。通过下面的详细描述并参考附图，能够更好地理解本专利技术及其相对于目前已知的东西目的和优点，附图以非限制性示例的方式示出了本专利技术的一些优选实施例。在附图中：图1示出了已知的全光设备的主要部件的构造方案；图2示意性地示出了根据本专利技术的三种构造设置，其中三种情况全部的特征在于样本S、物镜O、第二透镜T、分束器BS和具有高空间分辨率的两个检测器Da和Db(分别用于透射光束的臂和反射光束的臂)，并且它们在分束器BS相对于透镜的位置方面不同，并且在设置III的情况下在第三附加透镜的存在方面不同；图3A是比较标准显微镜(standardmicroscope，SI)、经典全光显微镜(plenopticmicroscope，PI)和使用设置III的构造的具有相关性测量(CPI)的显微镜的分辨率的图，这取决于样本从数值孔径NA＝0.3以及焦距fo＝26mm的透镜的焦平面开始的纵向位移f-fo。图3B示出了利用SI、PI和CPI获得的、对应于图3A中的点A和点B的三重发光狭缝的模拟图像。图4示意性地示出了根据本专利技术的三种另外的构造构型，它们是图2中示出的那些构型的替代方案并且以与图2中示出的那些构型相同的方式工作。如已经提及那样，目前市场上的全光成像设备(包括全光显微镜)基于成像设备的标准结构，其中图像是通过测量传感器上的光强分布来采集的。这些设备通过在传感器前面插入微透镜阵列而适于全光成像。一方面，物体的图像形成在微透镜上：然后它们充当“有效像素”，从而确定图像的空间分辨率的极限，并且每个给定的微透镜对应于物体的给定部分。另一方面，每个微透镜在其后面的传感器部分上再现主透镜的图像。主透镜的这些图像中的每一个提供了关于从物体的对应于微透镜的部分传播到透镜的对应于传感器的像素的部分的光的方向的信息。作为这种构型的结果(在图1中示出)，有以下缺点：-空间分辨率和方向分辨率之间明显存在较强的折衷，以反比比率NxNu＝Ntot表示，其将每侧专用于空间检测的像素的数量(Nx)和专用于方向检测的像素的数量(Nu)结合起来，其中Ntot是传感器每侧的像素的数量。-图像分辨率相对于由透镜的直径和焦距确定的物理极限(衍射极限)降低了因子Nu；因此，由全光显微镜(以及一般而言由全光设备)采集的图像的特征在于比相对应的非全光设备更差的分辨率。-考虑到设备的结构，主透镜的多个图像的放大率必须比该单位低得多，这导致较低的方向分辨率。考虑到全光设备的景深是相对应的非全光系统Nu倍，这种结构限制限制了要达到的最大景深。值得注意的是，由本专利技术的专利技术人组中的一部分已经开发了具有相关性测量的全光成像设备(CPI：相关全光成像)通过使专用于空间测量(物体的图像)的和专用于方向测量(透镜的图像)的传感器分离解决了上述限制。事实上，在这种设备中，一旦传感器每侧的像素总数(Ntot)固定，链接空间分辨率和方向分辨率的约束是Nx+Nu＝Ntot。另外，对图像的分辨率没有限制，因此能够达到衍射极限。最后，在由专利技术人中的一些已经开发的上述设备中，整个透镜的图像被投影到专用于此目的的单个传感器上。该特征允许获得任意放大率，甚至大于该单位。因此，在几何光学有效的方案下，方向分辨率(由Nu确定)可以比标准全光成像设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于借助显微镜捕获具有湍流衰减的显微全光图像的系统，其中所述系统以组合的方式包括：/n·应获得其图像的样本(S)，其能够被视为混沌光源，所述混沌光源的发射具有强度分布F(ρ

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180803 IT 1020180000078571.一种用于借助显微镜捕获具有湍流衰减的显微全光图像的系统，其中所述系统以组合的方式包括：
·应获得其图像的样本(S)，其能够被视为混沌光源，所述混沌光源的发射具有强度分布F(ρs)，其中ρs为样本平面上的平面坐标；
·分束器(BS)；
·两个传感器或检测器(Da和Db)，所述两个传感器或检测器被配置为分别执行空间/方向和方向/空间检测，其中检测器平面上的平面坐标分别由ρa和ρb指示；
·物镜(O)，所述物镜具有焦距fO和光瞳函数PO(ρO)，其中ρO为所述透镜平面上的平面坐标；
·第二透镜(T)，所述第二透镜具有焦距fT和光瞳函数PT(ρT)，其中ρT为所述透镜平面上的平面坐标；
其中所述第二透镜(T)布置在由所述分束器(BS)透射/反射的光束的光学路径(a/b)中。


2.根据前项权利要求所述的系统，其中所述系统还包括具有焦距fL的第三透镜(L)，所述第三透镜布置在由所述分束器(BS)反射/透射的所述光束的光学路径(b/a)中。


3.根据前述权利要求之一所述的系统，其中所述系统还包括频率滤波器，以减小由物体发射的光的带宽，从而使其相干时间与所述检测器的响应时间相匹配。


4.根据前述权利要求之一所述的系统，其中所述系统还包括用于成形所述光学路径的附加透镜和反射镜，以便使用被分成两部分作为传感器(Da和Db)的单个传感器。


5.根据前述权利要求之一所述的系统，其中所述系统还包括偏振和强度滤波器，用于吸收光学路径中的一个或两个中的光的部分，以防止所述传感器饱和并促进其上的信号的平衡。


6.根据权利要求1所述的系统，其中所述两个传感器(Da和Db)由相同传感器的不同部分组成。


7.根据权利要求1所述的系统，其中如果所述光强分布不取决于偏振，则所述分束器(BS)是偏振分束器。


8.根据前述权利要求之一所述的系统，其中从所述样本到所述检测器(Da)的光学路径(a)与普通显微镜中的普通光学路径相同：在聚焦的情况下，所述样本和所述检测器(Da)分别在距所述物镜一定距离(fO)处和在距所述第二透镜一定距离(fT)处。


9.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述样本(S)在所述分束器(BS)之前的定位使得所述物体(S)附近的湍流效应忽略不计，这不同于具有相关性测量的其他全光成像设备，在所述其他全光成像设备中，所述物体(S)被放置在所述分束器(BS)之后、在由相同分束器透射的光束的臂(b)中或者由相同分束器反射的光束的臂(a)中。


10.根据前述权利要求所述的系统，其中当在其内由于湍流引起的相位变化实际上是恒定的横向尺寸(δt)满足以下公式时，存在于距物体的纵向距离(dt)处的湍流的影响忽略不计：



其中k＝2π/λ是光波数和δ是最小样本细节的大小。


11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述分束器(BS)被放置在所述物镜(O)和所述第二透镜(T)之间，并且其中所述分束器被配置成使得由所述分束器(BS)透射/反射的光束朝向所述第二透镜(T)前进，以聚焦在所述透射/反射光束的传感器(Da/Db)上，同时由所述分束器(BS)反射/透射的光束到达所述反射/透射光束的所述传感器(Db/Da)，所述传感器相对于所述分束器(BS)被放置在与所述第二透镜(T)相同的距离处，从而获得从所述样本(S)到所述第二透镜(T)以及从所述样本(S)到所述反射/透射光束的传感器(Db/Da)的光学路径实际上是相同的，使得当测量二阶相关性时，在所述反射/透射光束的传感器(Db/Da)处形成所述第二透镜(T)的聚焦重影图像，而在所述透射/反射光束传感器(Da/Db)处形成所述样本的聚焦或失焦图像；所述样本(S)的失焦图像因此能够通过组合关于所述第二透镜(T)的图像和所述显微镜的物平...

【专利技术属性】
技术研发人员：米莱娜·德安杰洛，弗朗西斯科·温琴佐·佩佩，阿莱西奥·斯卡利奥拉，弗朗西斯科·玛丽亚·迪莉娜，奥古斯托·加鲁乔，
申请(专利权)人：核物理国家研究院，
类型：发明
国别省市：意大利;IT