[发明专利]基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统

说明书

本发明提供一种基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统，包括多角度照明光源和图像传感器，待成像物体置于多角度照明光源与图像传感器之间，本傅立叶层叠成像系统还包括位于待成像物体与图像传感器之间的傅立叶面的编码调制装置。在待成像物体后方加入一个强度调制或者相位调制的挡板，使得基于多角度照明的成像系统不需要任何镜头，大幅度减轻设备的重量、缩小体积、降低成本，可以制作为便携式系统在包括野外工作环境等不同的场合采集高分辨率的显微图像。本发明也支持包含物镜、管镜等光学镜头的高端系统组成方案，并且提供了一种光束亮度更高、图像曝光时间更短、照明角度能够任意调整、成本更低的多角度照明光源设计方案。

技术领域

本发明涉及基于傅立叶叠层成像的显微成像系统，具体涉及一种基于多角度照明以及傅立叶域编码调制的傅立叶层叠成像系统。

背景技术

以往传统的显微成像系统中，必须以牺牲分辨率来增大视场范围。因为光学系统的像差，很难同时做到高分辨率和大视场。简言之，在低倍显微物镜下可以看到被检物体的全貌，但是分辨率很低。换成高倍物镜时，分辨率提高但是就只能看到被检物体的很小一部份。为解决视场和分辨率之间这一矛盾，常规显微镜系统主要采用高倍物镜和精密扫描电动平台实现大范围空域扫描。这一系统每次采集一副高分辨，小视场的图像，然后扫描平台把物体移动到另一地方接着采图。最后通过软件将比较小的连续视野区域的图像进行图像拼接融合。该方法需要精密的机械扫描部件，所以必须依赖高度复杂的全电动平台显微镜，这也是全片显微系统价格日趋昂贵的主要因素之一。另一方面，定量相位成像由于能够提供由样品物理特性，已成为目前一种广为应用的无标记显微成像方法。定量相位成像一般基于数字全息的干涉成像。因为干涉装置复杂，测量要求高，振动引入的噪声以及散斑噪声极大影响了成像质量。该方法虽然能够实现无标记定量相位测量，但因为受到显微物镜的限制，不能同时获得大视场高分辨率的显微成像结果。综上所述，同时实现大视场、高分辨率、定量相位测量是光学显微技术的一项发展目标，而采用常规的光学显微系统难以应对这一要求。

通信和信号处理理论，尤其是以合成孔径雷达为代表的微波成像技术的迅速发展，有力地促成了现代光学的一个重要分支傅立叶光学的诞生。傅立叶光学是将电信理论及雷达系统中广泛使用的傅立叶分析方法移植到光学领域而形成的新学科。在一个传统的傅立叶叠层成像的系统中，样品被不同角度的平面波照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像。由于二维的薄物体被来自不同角度的平面波照射，所以在物镜后焦面上的物体的频谱被平移到对应的不同位置。因此，一些本来超出物镜数值孔径的频率成分被平移到物镜数值孔径以内从而能够传递到成像面进行成像。反过来看，不同角度的入射光可等效为在频谱上不同位置的交叠的光瞳函数(子孔径)，每次通过不同位置子孔径的频谱在频域上形成叠层。

重构过程如图1所示。其中，图1(a)是系统组成的示意图。重构过程的基本原理：首先根据采到的低分辨图像产生一个初始解。该初始解可以把所有低分辨的图加起来而相位取任意常数。接着利用相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域和空间域迭代。在频域里更新对应的子孔径里的频谱信息，在空间域里把图像的强度信息替换为采到图的强度而相位保留不变。在这一过程中，子孔径与子孔径交叠着扩展了频域带宽并恢复出超过物镜空间分辨率限制的高频信息从而得到大的合成孔径。最终这一过程可以同时重构出物体的大视场高分辨率光强和相位图像(相位恢复)。这样就实现了使用一个低数值孔径、低放大率的物镜同时获得大视场和高分辨率的成像结果，最终重构的分辨率取决于频域中合成数值孔径的大小。图中的LED阵列中每次有一支LED被点亮从而以一定的入射角对样品进行照明。对于每一个照明角度，系统会采集一副样品的低分辨率图像，然后，所有的低分辨率图像在傅立叶域合成一副高分辨率图像。

如图1(b)所示，重构过程的具体操作步骤如下：第一步，产生初始解；第二步，初始解傅立叶变换后通过低通滤波产生低分辨率图像；第三步，用实验采集到的强度图片替换地分辨图像的强度的信息，相位保持布不变然后更新傅立叶域的相关对应区域；第四步，对不同的照射角度重复二和三；第五步，重复二到四直到收敛。