CN109085137B - 基于k空间变换的三维成像装置及其成像方法 - Google Patents

基于k空间变换的三维成像装置及其成像方法 Download PDF

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Abstract

一种基于K空间变换的三维成像方法，该方法采用沿着光轴方向的片状光照明样品，利用相同的片状光源与该照明光发生干涉；记录干涉图并从中获得被照明的样品在焦平面的复振幅信息(包括振幅和相位)；样品的空间频谱信息可以通过离散傅里叶变换获得；然后利用投影法计算出垂直于样品平面的空间频谱信息；再通过离散逆傅里叶变换，获得垂直于样品平面的强度信息；最后通过扫描，获取最终的样品三维结构信息。该方法具有较高的采集速率和较高的分辨率，特别是对于获取轴向信息，只需单次采集，即可实现成像。

Description

基于K空间变换的三维成像装置及其成像方法
技术领域
本发明涉及三维成像领域，特别是一种基于K空间变换的三维成像装置及其成像方法。
背景技术
三维成像技术由于其广泛引用，已经有了飞速的发展。该技术在生物样品的观测，肿瘤诊断等方面有着极大的作用。有很多方法用在三维成像领域，例如结构光照明技术，共聚焦扫描，相干层析成像，片状照明显微成像和相干层析成像。这些技术都能够反应样品的内部结构，包括样品的反射率，发光材料浓度等信息。结构光三维成像技术,利用一个载频条纹的照明光照射物体,记录形变后的条纹,再从获取的变形条纹图中数字解调重建出被测物体的三维图像，用这种方法能够消除离焦部分的阴影影响。应用最为广泛的三维成像技术是共聚焦扫描技术。该技术利用针孔阻断离焦部分光的通过，从而让消除离焦样品阴影的影响，但是该技术由于需要使用逐点扫描来成像，因此采集数据部分需要花费大量的时间。光学相干层析技术可以利用光栅和二维扫描振镜，能够实现高的横向和纵向分辨率。片状光照明显微技术采用一个片状光源照射样品，同时在垂直于光路的方向采集反射光，由于照明光为一个片状光，因此采集到的反射光即为样品的轴向分布。由于照明***和采集***不是共轴***，因此该技术在实现上具有一定难度。本专利所提出的方法具有高的成像速率，空间分辨率，并且结构简单，易于搭建组装。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术不足，提供一种三维成像方法，具有高的成像速率，高分辨率，并且结构简单，易于搭建组装。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种基于K空间变换的三维成像装置，其特点在于：包括激光器、透镜、第一分光棱镜、第一柱透镜、光斑探测器、计算机、第二分光棱镜、显微物镜、供待测样品放置的一维电动位移台、夹持器、显微物镜组、第一反射镜、第二柱透、第二反射镜。
上述元件的位置关系如下：
所述激光器(1)发出激光经过透镜(2)成为一束平行光，通过第一分光棱镜(3)分束为透射光束和反射光束，即探测光束和参考光束，所述的探测光束经第一柱透镜(4)聚焦成为片状照明光，并依次经第二分光棱镜(7)和显微物镜(8)汇聚成片状更细的片状照明光照射在待测样品上，经待测样品反射后，原路返回，经显微物镜(8)透射后入射到第二分光棱镜(7)；
所述的参考光束经第二反射镜(14)反射后，通过第二柱透镜(13)形成片状参考光，并由第一反射镜(12)反射后，依次经显微物镜组(11)和第二分光棱镜(7)透射后，与经第二分光棱镜(7)反射的探测光束共同入射到光斑探测器(5)，所述的计算机(6)分别与所述的光斑探测器(5)和一维电动位移台(9)相连。
利用所述的基于K空间变换的三维成像装置对待测样品进行三维成像的方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
①以激光器发出激光为光轴，将待测样品固定在所述一维电动位移台上，由一维电动位移台控制送入光路中，使待测样品垂直于探测光束入射方向，同时，确保各个光学元件与探测光束垂直且中心保持在光轴上；
②测量待测样品到第二分光棱镜(7)的距离L1,第二分光棱镜(7)到光斑探测器(5)靶面的距离L2，以及第二分光棱镜(7)的宽度D；
③遮挡住参考光路，保留探测光路，用光斑探测器记录第1幅散射光斑；
④遮挡住探测光路，保留参考光路，用光斑探测器记录第2幅散射光斑；
⑤保留探测光路与参考光路，用光斑探测器记录第3幅散射光斑；
⑥计算机(6)控制所述的一维电动位移台(9)的移动，使待测样品按照预设移动步长l沿垂直于光轴方向移动，每移动一次，光斑探测器采集重复步骤③、④、⑤直至移动n次，采集3n幅散射光斑；
⑦光斑探测器记录的光斑强度分别输入计算机，由计算机进行待测样品的三维成像。
光斑探测器记录的光斑强度分别输入计算机，由计算机利用光斑数据进行待测样品的三维成像。
利用计算机对光斑探测器记录的3n幅散射光版进行计算，计算过程具体如下：
步骤7.1、令n＝1；
步骤7.2、读入一维电动位移台移动第n次所记录的3幅散射光斑；
步骤7.3、用第n次的第3幅散射光斑图与第n次的第1幅和第2幅散射光斑图之和做差；
步骤7.4、对步骤7.3得到的图像做离散傅里叶变换，然后截取1级频谱，并平移至图像中心处；
步骤7.5、对步骤7.4得到的图像做离散逆傅里叶逆变换，然后利用菲涅尔传播公式传播至样品中心平面，其传播距离为：D+L1+L2；
步骤7.6、对步骤7.5得到的图像做离散傅里叶变换；
步骤7.7、利用公式
Figure BDA0001772364980000031
获取波前在光轴上的对应位置，其中，p为轴向位置，m为横向位置，n为纵向位置，λ为激光波长，Δkx为横向空间频率，Δky为纵向空间频率，Δkz轴向空间频率；
步骤7.8、将数据(m,n)处对应的振幅和相位移动至(m,p)处，从而将波前投影至平行于光轴的平面；
步骤7.9、对步骤7.8得到的结果做离散逆傅里叶变换；
步骤7.10、令n＝n+1，重复步骤7,2到步骤7.9直至电动位移台移动n次，最终得到的三维数据组，即是待测样品的三维信息。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
(1)该方法在实现轴向成像是不需要扫描，可通过一次采集得到待测样品的深度图；
(2)该方法满足同轴成像，因此光路简单，设备稳定性高；
(3)该方法能够消除不同层级之间的相互串扰，屏蔽模糊位置的投影。
(4)成本低于现有常用的光学相干层析等方法，在光学元器件检测领域有着十分广阔的市场前景。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于K空间变换的三维成像方法的装置示意图。
图中：1-激光器，2-透镜，3-第一分光棱镜，4-第一柱透镜，5-光斑探测器，6-计算机，7-分光棱镜，8-显微物镜，9-供待测样品放置的一维电动位移台，10-夹持器，11-显微物镜组，12-第一反射镜，13-第二柱透镜，14-第二反射镜，待测样品夹持器9到第二分光棱镜7的直线距离为L1,第二分光棱镜7到光斑探测器靶面的直线距离为L2，第二分光棱镜宽度为D。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
请先参与图1，图1是基于K空间变换的三维成像方法的装置示意图，如图所示，激光器1发出波长为632.8nm的激光经过透镜2成为一束相位平整的平行光，再通过分光比为1:1的分光棱镜3对该光束分束，产生强度相等的两束平行光，分别为探测光束和参考光束，其中探测光束通过柱透镜4聚焦成为片状照明光并通过显微物镜5，汇聚成片状更细的片状照明光并照射在待测样品夹持器10上；待测样品夹持器由一维电动位移台控制9，参考光路的光由分光棱镜分光后通过反射镜14反射后，通过柱透镜13，形成片状参考光，并由反射镜12反射后，通过显微物镜组11与探测光照射在待测样品夹持器10的反射光共同经过分光棱镜7，由光斑探测器5记录，并将记录数据传递至计算机6。
所述激光器(1)发出波长为632.8nm激光经过透镜(2)成为一束平行光，通过分束比为1：1的第一分光棱镜(3)分束为透射光束和反射光束，即探测光束和参考光束，所述的探测光束经第一柱透镜(4)聚焦成为片状照明光，并依次经分束比为1：1的第二分光棱镜(7)和显微物镜(8)汇聚成片状更细的片状照明光照射在待测样品上，经待测样品反射后，原路返回，经显微物镜(8)透射后入射到第二分光棱镜(7)；
所述的参考光束经第二反射镜(14)反射后，通过第二柱透镜(13)形成片状参考光，并由第一反射镜(12)反射后，依次经显微物镜组(11)和第二分光棱镜(7)透射后，与经第二分光棱镜(7)反射的探测光束共同入射到光斑探测器(5)，所述的计算机(6)分别与所述的光斑探测器(5)和一维电动位移台(9)相连。
第一柱透镜4和第二柱透镜13的焦距为40mm,柱透镜4距离显微物镜8的直线距离为48.83mm,显微物镜8为10倍物镜，显微物镜8到待测样品夹持器10的直线距离为0.97mm，光斑探测器5的分辨率为2048像素×2048像素，最小单元为5.5μm,一维电动位移台每移动一次，光斑探测器记录3幅散射光斑，分别为挡住参考光，保持探测光，挡住探测光，保持参考光，同时保持探测光和参考光这三种情况下记录到的散射图。一维电动位移台共移动200次，每次移动精度为5.5μm,分别输入计算机进行计算。
利用该装置进行三维成像，步骤如下：
①以激光器发出激光为光轴，将待测样品固定在所述一维电动位移台上，由一维电动位移台控制送入光路中，使待测样品垂直于探测光束入射方向，同时，确保各个光学元件与探测光束垂直且中心保持在光轴上；
②测量待测样品到第二分光棱镜(7)的距离L1,第二分光棱镜(7)到光斑探测器(5)靶面的距离L2，以及第二分光棱镜(7)的宽度D；
③遮挡住参考光路，保留探测光路，用光斑探测器记录第1幅散射光斑；
④遮挡住探测光路，保留参考光路，用光斑探测器记录第2幅散射光斑；
⑤保留探测光路与参考光路，用光斑探测器记录第3幅散射光斑；
⑥计算机(6)控制所述的一维电动位移台(9)的移动，使待测样品按照预设移动步长l沿垂直于光轴方向移动，每移动一次，光斑探测器采集重复步骤③、④、⑤直至移动n次，采集3n幅散射光斑；
⑦光斑探测器记录的光斑强度分别输入计算机，由计算机进行待测样品的三维成像。
光斑探测器记录的光斑强度分别输入计算机，由计算机利用光斑数据进行待测样品的三维成像。
利用计算机对光斑探测器记录的3n幅散射光版进行计算，计算过程具体如下：
步骤7.1、令n＝1；
步骤7.2、读入一维电动位移台移动第n次所记录的3幅散射光斑；
步骤7.3、用第n次的第3幅散射光斑图与第n次的第1幅和第2幅散射光斑图之和做差；
步骤7.4、对步骤7.3得到的图像做离散傅里叶变换，然后截取1级频谱，并平移至图像中心处；
步骤7.5、对步骤7.4得到的图像做离散逆傅里叶逆变换，然后利用菲涅尔传播公式传播至样品中心平面，其传播距离为：D+L1+L2；
步骤7.6、对步骤7.5得到的图像做离散傅里叶变换；
步骤7.7、利用公式
Figure BDA0001772364980000051
获取波前在光轴上的对应位置，其中，p为轴向位置，m为横向位置，n为纵向位置，λ为激光波长，Δkx为横向空间频率，Δky为纵向空间频率，Δkz轴向空间频率；
步骤7.8、将数据(m,n)处对应的振幅和相位移动至(m,p)处，从而将波前投影至平行于光轴的平面；
步骤7.9、对步骤7.8得到的结果做离散逆傅里叶变换；
步骤7.10、令n＝n+1，重复步骤7,2到步骤7.9直至电动位移台移动n次，最终得到的三维数据组，即是待测样品的三维信息。
实验结果表明，本发明装置成功实现了样品的三维成像，该装置利用扫描的方式，记录3n幅散射光斑，由计算机计算显示出样品的三维结构特征，该方法不受限于光斑探测器尺寸，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，成像速度快，满足于光学元器件的三维检测的要求。

Claims (6)

1.一种基于K空间变换的三维成像装置，其特征在于：包括激光器(1)、透镜(2)、第一分光棱镜(3)、第一柱透镜(4)、光斑探测器(5)、计算机(6)、第二分光棱镜(7)、显微物镜(8)、供待测样品放置的一维电动位移台(9)、显微物镜组(11)、第一反射镜(12)、第二柱透镜(13)、第二反射镜(14)；
上述元件的位置关系如下：
所述激光器(1)发出激光经过透镜(2)成为一束平行光，通过第一分光棱镜(3)分束为透射光束和反射光束，即探测光束和参考光束，所述的探测光束经第一柱透镜(4)聚焦成为片状照明光，并依次经第二分光棱镜(7)和显微物镜(8)汇聚成片状更细的片状照明光照射在待测样品上，经待测样品反射后，原路返回，经显微物镜(8)透射后入射到第二分光棱镜(7)；
所述的参考光束经第二反射镜(14)反射后，通过第二柱透镜(13)形成片状参考光，并由第一反射镜(12)反射后，依次经显微物镜组(11)和第二分光棱镜(7)透射后，与经第二分光棱镜(7)反射的探测光束共同入射到光斑探测器(5)，所述的计算机(6)分别与所述的光斑探测器(5)和一维电动位移台(9)相连。
2.根据权利要求1所述的基于K空间变换的三维成像装置，其特征在于：还包括夹持器(10)，该夹持器(10)由一维电动位移台(9)控制，用于固定待测样品。
3.利用权利要求1或2所述的基于K空间变换的三维成像装置对待测样品进行三维成像的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①以激光器发出激光为光轴，将待测样品固定在所述一维电动位移台上，由一维电动位移台控制送入光路中，使待测样品垂直于探测光束入射方向，同时，确保各个光学元件与探测光束垂直且中心保持在光轴上；
②测量待测样品到第二分光棱镜(7)的距离L1,第二分光棱镜(7)到光斑探测器(5)靶面的距离L2，以及第二分光棱镜(7)的宽度D；
③遮挡住参考光路，保留探测光路，用光斑探测器记录第1幅散射光斑；
④遮挡住探测光路，保留参考光路，用光斑探测器记录第2幅散射光斑；
⑤保留探测光路与参考光路，用光斑探测器记录第3幅散射光斑；
⑥计算机(6)控制所述的一维电动位移台(9)的移动，使待测样品按照预设移动步长l沿垂直于光轴方向移动，每移动一次，光斑探测器采集重复步骤③、④、⑤直至移动n次，采集3n幅散射光斑；
⑦光斑探测器记录的光斑强度分别输入计算机，由计算机进行待测样品的三维成像。
4.根据权利要求3所述的三维成像方法，其特征在于，所述步骤⑦，利用计算机对光斑探测器记录的3n幅散射光斑进行三维成像，具体步骤如下：
步骤7.1、令n＝1；
步骤7.2、读入一维电动位移台移动第n次所记录的3幅散射光斑；
步骤7.3、用第n次的第3幅散射光斑图与第n次的第1幅和第2幅散射光斑图之和做差；
步骤7.4、对步骤7.3得到的图像做离散傅里叶变换，然后截取1级频谱，并平移至图像中心处；
步骤7.5、对步骤7.4得到的图像做离散傅里叶逆变换，然后利用菲涅尔传播公式传播至样品中心平面，其传播距离为：D+L1+L2；
步骤7.6、对步骤7.5得到的图像做离散傅里叶变换；
步骤7.7、利用公式
Figure FDA0002465497570000021
获取波前在光轴上的对应位置，其中，p为轴向位置，m为横向位置，n为纵向位置，λ为激光波长，Δkx为横向空间频率，Δky为纵向空间频率，Δkz轴向空间频率；
步骤7.8、将数据(m,n)处对应的振幅和相位移动至(m,p)处，从而将波前投影至平行于光轴的平面；
步骤7.9、对步骤7.8得到的结果做离散逆傅里叶变换；
步骤7.10、令n＝n+1，重复步骤7,2到步骤7.9直至电动位移台移动n次，最终得到的三维数据组，即是待测样品的三维信息。
5.根据权利要求3或4所述的三维成像方法，其特征在于，所述的预设移动步长l的范围为1μm-10μm。
6.根据权利要求3或4所述的三维成像方法，其特征在于，所述的一维电动位移台移动次数n的范围为300-500次。
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