CN110208294A - 基于柯勒照明的单像素显微成像方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柯勒照明的单像素显微成像***及方法，该***包括从左至右沿同一光轴线依次设置的激光光源、分光计、扩束镜、准直透镜、第一光阑、起偏器、数字微镜、检偏器、柯勒镜、第二光阑、第三光阑、聚光镜、精密控制载物台、会聚透镜以及光电探测器，所述显微成像***还包括计算机，所述计算机与所述数字微镜、所述精密控制载物台以及所述光电探测器电性连接，所述计算机用于控制所述数字微镜、所述精密控制载物台以及所述光电探测器。本发明提出的基于柯勒照明的单像素显微成像***，可提高成像***的鲁棒特性、灵敏度及分辨率。

Description

基于柯勒照明的单像素显微成像方法及***

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种基于柯勒照明的单像素显微成像方法及***。

背景技术

单像素成像技术是近年发展起来的一种新型的计算成像方式，主要依靠两个或多个光场的强度涨落关联来获取目标物体的图像信息。由于具有抗干扰性强、探测灵敏度高、超衍射分辨极限以及光路结构简单等优点，单像素成像技术在光学成像、量子成像以及信息科学等应用领域备受青睐。在单像素成像过程中，首先利用经空间光调制器调制后的光源直接照射到待测目标物体上，然后利用一个无空间分辨能力的光电探测器接收从目标物体透射或反射回来的总光强，最后通过对光电探测器收集的总光强与调制光源的光场分布进行关联运算，便可高分辨地恢复目标物体的图像信息。目前这种特殊的成像方式已经在医学成像领域展现出巨大的应用前景，如便携式X-射单像素成像仪可以实现既健康又便宜的医疗检测。

显微成像技术是人类认识与了解微观世界的主要工具之一，在医疗成像、微观测量、生命科学等领域有着广泛的应用。显微成像***主要由光源、聚光镜、精密控制载物台、显微物镜、显微目镜等组成。近年来，显微成像技术得到了稳步快速的发展，目前人们对微观世界的认识已经从微米级别进入到了纳米级别，如电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，这些高倍显微镜为人类研究微观粒子的内部结构及其相互作用提供了新方法。

然而，随着成像分辨率的提高，显微成像***对待测目标物体所处的环境要求也更加严格，例如光照亮度、光场起伏以及振动外界因素等都会很大程度地影响显微镜成像的图像质量。

发明内容

基于此，本发明的目的是为了解决现有技术中，随着成像分辨率的提高，显微成像***对待测目标物体所处的环境要求也更加严格，外界因素会在很大程度上影响显微镜成像的图像质量的问题。

本发明提出一种基于柯勒照明的单像素显微成像***，其中，包括从左至右沿同一光轴线依次设置的激光光源、分光计、扩束镜、准直透镜、第一光阑、起偏器、数字微镜、检偏器、柯勒镜、第二光阑、第三光阑、聚光镜、精密控制载物台、会聚透镜以及光电探测器，所述显微成像***还包括计算机，所述计算机与所述数字微镜、所述精密控制载物台以及所述光电探测器电性连接，所述计算机用于控制所述数字微镜、所述精密控制载物台以及所述光电探测器。

本发明还提出一种基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，应用如上所述的基于柯勒照明的单像素显微成像***进行成像，所述成像方法包括如下步骤：

利用数字微镜对激光光束进行光场调控，以使调直光束均匀覆盖在数字微镜上的有效散斑加载区域；

利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明；

调整所述聚光镜与光电探测器之间的相对位置，并根据预设计算机软件控制所述数字微镜上散斑图片的加载速度与所述光电探测器的数据采集同步，以使所述光电探测器接收从所述待测目标物体透射来的总光场强度；

基于菲涅尔衍射公式，计算得到任意一散斑图片加载在所述数字微镜上时，对应的参考光场强度分布；

根据所述总光场强度以及所述参考光场强度分布进行关联运算，以计算得到所述待测目标物体的图像信息。

本发明提出的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，将具有超分辨能力的单像素成像技术与柯勒照明方法相结合应用于显微成像中，以实现复杂环境下待测目标物体的高分辨成像。在本发明中，一方面，由于单像素成像技术具有抗干扰性强、探测灵敏度高、超衍射极限分辨能力等优点，能够克服高倍显微成像中因光场起伏、振动等造成的影响；另一方面，利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明，在单像素成像过程中采用由两组透镜构成的柯勒照明方式，可以消除物平面光照度不均匀的缺点。

所述基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，所述利用数字微镜对激光光束进行光场调控的方法包括如下步骤：

通过计算机生成预设数量的散斑图片，其中所述散斑图片的尺寸与所述数字微镜的可调制有效区域相一致；

选取任一所述散斑图片，通过计算机加载在所述数字微镜上，并调节激光光源、分光计、扩束镜、准直透镜以及第一光阑之间的相对位置，以使调直光束均匀覆盖在数字微镜上的有效散斑加载区域。

所述基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，所述利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明的方法包括如下步骤：

调节柯勒镜、第二光阑、第三光阑、聚光镜以及精密控制载物台之间的相对位置，以使所述数字微镜与所述第三光阑相对于所述柯勒镜形成物像共轭关系，以及使得所述第二光阑与所述精密控制载物台相对于所述聚光镜形成物像共轭关系。

所述基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，所述基于菲涅尔衍射公式，计算得到任意一散斑图片加载在所述数字微镜上时，对应的参考光场强度分布的方法包括如下步骤：

根据菲涅尔衍射公式计算得到所述参考光场强度分布，其中所述菲涅尔衍射公式表示为：

其中，ξ以及η表示参考光场处的二维坐标变量，表示当散斑图形加载到所述数字微镜时，经所述数字微镜调制后的光场分布，λ为激光的波长；d为所述数字微镜与参考光场之间的距离。

所述基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，经所述数字微镜调制后的光场分布可表示为：

其中，E₀(x,y)表示当数字微镜上未加载散斑图片时，数字微镜所在的平面处的光场分布；表示第i次加载到所述数字微镜上的随机散斑光场分布。

所述基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，所述根据所述总光场强度以及所述参考光场强度分布进行关联运算，以计算得到所述待测目标物体的图像信息的方法包括如下步骤：

计算得到所述图像信息的公式表示为：

其中，O⁽ⁱ⁾为从所述待测目标物体透射来的总光场强度，G(ξ,η)表示所述待测目标物体的图像信息，为所述参考光场强度分布。

所述基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其中，所述计算机软件为Matlab或Labview。

本发明的附加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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的基于柯勒照明的单像素显微成像***的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提出的基于柯勒照明的单像素显微成像方法的流程图；

图3为本发明第二实施例中计算机产生随机散斑的示意图；

图4为本发明第二实施例中激光光束与数字微镜位置关系的示意图。

主要符号说明：

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

随着成像分辨率的提高，显微成像***对待测目标物体所处的环境要求也更加严格，例如光照亮度、光场起伏以及振动外界因素等都会很大程度地影响显微镜成像的图像质量。

为了解决这一技术问题，本发明提出一种基于柯勒照明的单像素显微成像***，请参阅图1，对于本发明第一实施例提出的基于柯勒照明的单像素显微成像***，包括从左至右沿同一光轴线依次设置的激光光源101、分光计102、扩束镜103、准直透镜104、第一光阑105、起偏器106、数字微镜107、检偏器108、柯勒镜109、第二光阑110、第三光阑111、聚光镜112、精密控制载物台113、会聚透镜114以及光电探测器115。

该显微成像***还包括计算机116，该计算机116与上述的数字微镜107、精密控制载物台113以及光电探测器115电性连接，计算机116用于控制数字微镜107、精密控制载物台113以及光电探测器115。在本发明中，基于柯勒照明的单像素显微成像***，利用柯勒照明以及单像素成像技术获取高对比度、高分辨率图像。

请参阅图2至图4，对于本发明第二实施例提出的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其具体实施方式包括如下步骤：

S101，利用数字微镜对激光光束进行光场调控，以使调直光束均匀覆盖在数字微镜上的有效散斑加载区域。

在本步骤中，通过计算机116生成预设数量的散斑图片，其中散斑图片的尺寸与所述数字微镜的可调制有效区域相一致。然后选取任一散斑图片，通过计算机116加载在数字微镜107上，并调节激光光源101、分光计102、扩束镜103、准直透镜104以及第一光阑105之间的相对位置，以使调直光束均匀覆盖在数字微镜上的有效散斑加载区域。

具体的，在本实施例中，上述的计算机116生成12000张768×768的随机散斑图形，如图2所示，散斑图201的尺寸与数字微镜可调制的有效区域保持一致。然后选取一幅散斑图201加载到数字微镜107上，并调节激光光源101、分光计102、扩束镜103、准直透镜104、第一光阑105，使准直后的光束301可以完全均匀地覆盖加载到数字微镜上有效散斑加载区域302，如图3所示，准直后的光束301为数字微镜上的有效散斑区域，有效散斑加载区域302为准直后的激光光束大小。成像过程中通过不断加载新的随机散斑图，可以实现对激光光束的光场调控。

S102，利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明。

在本步骤中，在上述的数字微镜107与精密控制载物台113之间依次放置柯勒镜109、第二光阑110、第三光阑111以及聚光镜112，并适当调节柯勒镜109、第二光阑110、第三光阑111、聚光镜112以及精密控制载物台113的相对位置，以使数字微镜107与第三光阑111相对于柯勒镜109构成理想的物像共轭关系，且使第二光阑110与精密控制载物台113相对于聚光镜112构成理想的物像共轭关系。然后再通过调节第二光阑110与第三光阑111的孔径大小，可在精密控制载物台113上实现待测目标物体高亮度的均匀照明，消除物平面照度不均匀的缺陷。

S103，调整所述聚光镜与光电探测器之间的相对位置，并根据预设计算机软件控制所述数字微镜上散斑图片的加载速度与所述光电探测器的数据采集同步，以使所述光电探测器接收从所述待测目标物体透射来的总光场强度。

在本步骤中，首先通过调整会聚透镜114与光电探测器115之间的相对位置，使光电探测器115可接收到从待测目标物体透射过来的总光场强度。然后利用Matlab或Labview软件，使数字微镜107上散斑图片的加载速度与光电探测器115的数据采集保持好同步，即数字微镜107每加载一幅随机散斑图，光电探测器正好采集到经待测目标物体透射后的总光场强度，记为O⁽ⁱ⁾，其中i表示第i次测量，由此可采集到物光路上的总光场强度。

S104，基于菲涅尔衍射公式，计算得到任意一散斑图片加载在所述数字微镜上时，对应的参考光场强度分布。

当数字微镜107上未加载图片时，数字微镜107平面处的光场分布记为E₀(x,y)，其中x,y表示数字微镜107平面处的二维坐标变量；当随机散斑图形加载到数字微镜时，经数字微镜调制后的光场分布记为：

其中，E₀(x,y)表示当数字微镜上未加载散斑图片时，数字微镜所在的平面处的光场分布；表示第i次加载到数字微镜上的随机散斑光场分布。

在本步骤中，菲涅尔衍射公式表示为：

其中，ξ以及η表示参考光场处的二维坐标变量，表示当散斑图形加载到所述数字微镜时，经数字微镜调制后的光场分布，λ为激光的波长；d为数字微镜与参考光场之间的距离。在本实施例中，λ＝632.8nm，d＝20cm。

S105，根据所述总光场强度以及所述参考光场强度分布进行关联运算，以计算得到所述待测目标物体的图像信息。

在本步骤中，将总光场强度与参考光场强度分布进行关联运算，以计算得到待测目标物体的图像信息的公式为：

其中，O⁽ⁱ⁾为从待测目标物体透射来的总光场强度，G(ξ,η)表示待测目标物体的图像信息，为参考光场强度分布。

本发明提出的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，将具有超分辨能力的单像素成像技术与柯勒照明方法相结合应用于显微成像中，以实现复杂环境下待测目标物体的高分辨成像。在本发明中，一方面，由于单像素成像技术具有抗干扰性强、探测灵敏度高、超衍射极限分辨能力等优点，能够克服高倍显微成像中因光场起伏、振动等造成的影响；另一方面，利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明，在单像素成像过程中采用由两组透镜构成的柯勒照明方式，可以消除物平面光照度不均匀的缺点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于柯勒照明的单像素显微成像***，其特征在于，包括从左至右沿同一光轴线依次设置的激光光源、分光计、扩束镜、准直透镜、第一光阑、起偏器、数字微镜、检偏器、柯勒镜、第二光阑、第三光阑、聚光镜、精密控制载物台、会聚透镜以及光电探测器，所述显微成像***还包括计算机，所述计算机与所述数字微镜、所述精密控制载物台以及所述光电探测器电性连接，所述计算机用于控制所述数字微镜、所述精密控制载物台以及所述光电探测器。

2.一种基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，应用如上述权利要求1中的基于柯勒照明的单像素显微成像***进行成像，所述成像方法包括如下步骤：

利用数字微镜对激光光束进行光场调控，以使调直光束均匀覆盖在数字微镜上的有效散斑加载区域；

利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明；

调整所述聚光镜与光电探测器之间的相对位置，并根据预设计算机软件控制所述数字微镜上散斑图片的加载速度与所述光电探测器的数据采集同步，以使所述光电探测器接收从所述待测目标物体透射来的总光场强度；

基于菲涅尔衍射公式，计算得到任意一散斑图片加载在所述数字微镜上时，对应的参考光场强度分布；

根据所述总光场强度以及所述参考光场强度分布进行关联运算，以计算得到所述待测目标物体的图像信息。

3.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，所述利用数字微镜对激光光束进行光场调控的方法包括如下步骤：

通过计算机生成预设数量的散斑图片，其中所述散斑图片的尺寸与所述数字微镜的可调制有效区域相一致；

选取任一所述散斑图片，通过计算机加载在所述数字微镜上，并调节激光光源、分光计、扩束镜、准直透镜以及第一光阑之间的相对位置，以使调直光束均匀覆盖在数字微镜上的有效散斑加载区域。

4.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，所述利用柯勒镜与聚光镜对待测目标物体所在平面进行柯勒照明的方法包括如下步骤：

调节柯勒镜、第二光阑、第三光阑、聚光镜以及精密控制载物台之间的相对位置，以使所述数字微镜与所述第三光阑相对于所述柯勒镜形成物像共轭关系，以及使得所述第二光阑与所述精密控制载物台相对于所述聚光镜形成物像共轭关系。

5.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，所述基于菲涅尔衍射公式，计算得到任意一散斑图片加载在所述数字微镜上时，对应的参考光场强度分布的方法包括如下步骤：

根据菲涅尔衍射公式计算得到所述参考光场强度分布，其中所述菲涅尔衍射公式表示为：

其中，ξ以及η表示参考光场处的二维坐标变量，表示当散斑图形加载到所述数字微镜时，经所述数字微镜调制后的光场分布，λ为激光的波长；d为所述数字微镜与参考光场之间的距离。

6.根据权利要求5所述的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，经所述数字微镜调制后的光场分布可表示为：

其中，E₀(x,y)表示当数字微镜上未加载散斑图片时，数字微镜所在的平面处的光场分布；表示第i次加载到所述数字微镜上的随机散斑光场分布。

7.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，所述根据所述总光场强度以及所述参考光场强度分布进行关联运算，以计算得到所述待测目标物体的图像信息的方法包括如下步骤：

计算得到所述图像信息的公式表示为：

其中，O⁽ⁱ⁾为从所述待测目标物体透射来的总光场强度，G(ξ,η)表示所述待测目标物体的图像信息，为所述参考光场强度分布。

8.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的单像素显微成像方法，其特征在于，所述计算机软件为Matlab或Labview。