本發(fā)明涉及顯微成像技術領域，具體涉及一種三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)及其方法。

背景技術：

樣本物體的三維折射率分布信息是樣本固有的一個重要光學屬性，對于透明生物樣本而言，它可以提供樣本物體的密度、結構等信息，從而為無標記的三維細胞成像提供了可能。

在現(xiàn)有的生命科學或者醫(yī)學研究中，往往使用熒光成像來進行特異性的標記，從而進行相關研究，但這一標記的過程，仍然會對樣本本身的性質產(chǎn)生一定的影響，從而影響最終的實驗結果。而三維折射率成像可以非侵入式地觀測到樣本的三維折射率場信息，從而提供了樣本不同區(qū)域的性質，因此它也是近年來的一個研究熱點。

近年來，各種三維折射率顯微成像被相繼提出，大部分工作的思路都是在不同方向上對樣本進行相干光照，測量出樣本在不同方向上的相位信息，從而使用層析成像的方法計算出樣本的三維折射率場信息。但這些方法既對設備要求較高，都需要較為復雜的裝置，而且每次成像過程時，都需要對樣本拍攝多次，很難做到單次拍照即可恢復樣本的三維折射率信息，對其快速動態(tài)拍攝提出了挑戰(zhàn)。

因此，如何能夠快速動態(tài)且高分辨率地對三維折射率顯微信息進行采集，仍然是一個亟待解決并有重大意義的難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確高分辨率且快速地對顯微樣本的三維折射率場進行動態(tài)采集，并且簡單易行。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)，包括：光照提供模塊，用于提供帶有光強編碼的入射平行光；顯微樣本，位于所述光源產(chǎn)生模塊的后端，用于對所述入射平行光進行相位編碼，使所述入射平行光照射所述顯微樣本后的出射光線帶有所述顯微樣本的三維折射率場信息；顯微成像模塊，位于所述顯微樣本的后端，用于將所述出射光線形成圖像；控制模塊，用于對所述圖像進行處理，以還原重構出所述顯微樣本的三維折射率信息。

進一步地，所述光照產(chǎn)生模塊包括：光源模塊，用于提供可調節(jié)傳播方向的平行光；參考圖案，位于所述平行光產(chǎn)生裝置和所述顯微樣本之間且設置在所述平行光產(chǎn)生裝置的像面上，用于對所述平行光進行強度調制；其中，所述控制模塊還用于控制所述光源模塊的照射角度。

進一步地，所述參考圖案為具有紋理信息的膠卷、由所述控制模塊控制的液晶附硅或dmd精微反射鏡面。

進一步地，所述顯微樣本在各個視角下編碼互不相同。

進一步地，還包括：顯微樣本移動裝置，用于移動所述顯微樣本的位置；其中，所述控制裝置用于控制所述顯微樣本移動裝置對所述顯微樣本進行移動。

根據(jù)本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)，通過拍攝各個視角下不含有樣本的未扭曲參考圖像以及含有樣本的扭曲動態(tài)視頻，即可精確、高分辨率且較快速地對顯微樣本的三維折射率信息進行采集。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種三維折射率層析顯微成像方法，該方法能夠精確高分辨率且快速地對顯微樣本的三維折射率場進行動態(tài)采集，并且簡單易行。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種三維折射率層析顯微成像方法，包括上述實施例所述的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

將系統(tǒng)視野調整至無樣本區(qū)域，使用所述三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)獲得各視角下無扭曲的參考圖像；保持所述三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)原有結構、參數(shù)以及光照不變，將系統(tǒng)視野調整至動態(tài)觀察所述顯微樣本的位置，拍攝獲得各視角下帶有扭曲的顯微樣本動態(tài)視頻；計算各視角下視頻幀與所述參考圖像每個像素之間的匹配關系，并根據(jù)建立的光路模型以及層析成像原理，重構還原出所述顯微樣本的三維折射率信息。

進一步地，所述計算各視角下視頻幀與所述參考圖像每個像素之間的匹配關系，并根據(jù)建立的光路模型以及層析成像原理，重構還原出所述顯微樣本的三維折射率信息進一步包括：根據(jù)各個視角下采集的動態(tài)扭曲的視頻幀圖像以及靜態(tài)參考圖像，使用光流算法計算各個視角下每個像素點的扭曲偏移角；根據(jù)各個視角下每個像素點的偏移角，使用層析成像算法，重構還原出動態(tài)的顯微樣本三維折射率場信息。

根據(jù)本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像方法，通過拍攝各個視角下不含有樣本的未扭曲參考圖像以及含有樣本的扭曲動態(tài)視頻，即可精確、高分辨率且較快速地對顯微樣本的三維折射率信息進行采集。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)的結構框圖；

圖2是本發(fā)明一個實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像方法的流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。

以下結合附圖描述本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)的結構框圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)100，包括光照提供模塊110、顯微樣本120、顯微成像模塊130和控制模塊140。

其中，光照提供模塊110用于提供帶有光強編碼的入射平行光。

在本發(fā)明的一個實施例中，光照提供模塊110包括光源模塊111和參考圖案112。其中，光源模塊111為可以調節(jié)方向的平行光產(chǎn)生裝置，其調節(jié)掃描過程可以由計算控制模塊進行控制，從而與傳感器拍攝過程達成同步；參考圖案112由計算控制模塊控制，提供任意所需的紋理豐富的靜態(tài)圖案，放置于光源模塊的像面上，對光照進行強度調制。

在本發(fā)明的一個實施例中，參考圖案112為具有紋理信息的膠卷、由所述控制模塊140控制的液晶附硅(lcos)或dmd精微反射鏡面。

在本發(fā)明的一個實施例中，光照提供模塊110的對焦位置在顯微樣本120附近幾十至幾百微米處，具體大小視具體樣本大小及相機參數(shù)設置。

顯微樣本120位于所述光源產(chǎn)生模塊110的后端，用于對所述入射平行光進行相位編碼，使所述入射平行光照射所述顯微樣本后的出射光線帶有所述顯微樣本的三維折射率場信息。

圖2是本發(fā)明一個實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)的結構示意圖。如圖2所示，光照端的光線聚焦于顯微樣本120附近，該聚焦面即為參考圖案112的像面，然后光線再經(jīng)過顯微樣本120進行相位調制，從而對光線進行了偏移扭曲。為了提高算法恢復的精度，參考圖案112為特殊設計的帶有豐富紋理的圖案。

顯微成像模塊130位于所述顯微樣本120的后端，用于將所述出射光線形成圖像

在本發(fā)明的一個實施例中，顯微成像模塊130包括物鏡、鏡筒透鏡以及相機傳感器。其中，物鏡、鏡筒透鏡用于將參考圖案112以及顯微樣本120放大成像于傳感器上；相機用于對輸出的光線進行動態(tài)成像。

在本發(fā)明的一個實施例中，顯微成像模塊130的數(shù)值孔徑(na)很大，且遠大于光照提供模塊110的數(shù)值孔徑(na)。

控制模塊140包括計算機、拍攝控制裝置、參考圖案控制裝置、光源掃描控制裝置、樣本移動控制裝置等。其中，計算機可以對采集獲得的視頻圖像信息進行處理，重構獲得動態(tài)的相位信息；拍攝控制裝置可以對相機傳感器的拍攝觸發(fā)時間、曝光時間等拍攝參數(shù)進行控制；參考圖案控制裝置可以控制提供各種紋理豐富的靜態(tài)參考圖案112；光源掃描控制裝置可以控制光源的平行光傳播方向，并與拍攝控制裝置進行同步，從而對多個光照視角下的樣本圖像進行快速連續(xù)拍攝；樣本移動控制裝置可以控制參考圖案112的像面以及顯微樣本120在各個方向進行移動。

本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)，通過拍攝各個視角下不含有樣本的未扭曲參考圖像以及含有樣本的扭曲動態(tài)視頻，即可精確、高分辨率且較快速地對顯微樣本的三維折射率信息進行采集。

圖3是本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像方法的流程圖。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像方法，包括上述實施例的三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)，該方法包括以下步驟：

s310：將系統(tǒng)視野調整至無樣本區(qū)域，使用所述三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)獲得各視角下無扭曲的參考圖像。

具體地，如圖2所示，系統(tǒng)將通過控制光源的入射光方向，從而對多個視角光照下的圖像進行快速連續(xù)拍攝，獲得各個視角下的無扭曲的參考圖像。圖2中虛線光線為視野內無樣本時，中間視角下某一像素點對應的光路圖，由于光路中不存在進行相位調制的樣本，因此拍攝獲得的圖像即為被無扭曲參考圖像112在各個視角下的觀察圖像。該步驟為采集前的預先準備工作，拍攝時相機的對焦位置與參考圖案的對焦位置重合。

s320：保持所述三維折射率層析顯微成像系統(tǒng)原有結構、參數(shù)以及光照不變，將系統(tǒng)視野調整至動態(tài)觀察所述顯微樣本的位置，拍攝獲得各視角下帶有扭曲的顯微樣本動態(tài)視頻。

具體地，如圖2所示，系統(tǒng)將通過控制光源的入射光方向，從而對多個視角光照下的圖像進行快速連續(xù)拍攝，獲得某一時刻各個視角下的扭曲編碼圖像。圖2中實線光線為視野內有目標樣本時，各個視角下某一像素點對應的光路圖，對于某一視角下的光路而言，其既經(jīng)過了參考圖案121進行了強度調制，也經(jīng)過了顯微樣本122進行了顯微調制，因此其拍攝獲得的視頻圖像即為經(jīng)過相位調制的扭曲圖像，只與參考圖像相差一個所需采集的相位信息。同時，各個視角下光路經(jīng)過的路徑各不相同，即編碼的相位信息不同，由此即可重構出樣本的三維折射率場信息。該步驟中采集系統(tǒng)的器件空間分布位置以及器件參數(shù)均不能發(fā)生改變，除了顯微樣本122，均需與步驟s310中的位置與參數(shù)保持一致，顯微樣本120的空間位置在相機的對焦位置附近幾十到幾百微米處。

s330：計算各視角下視頻幀與所述參考圖像每個像素之間的匹配關系，并根據(jù)建立的光路模型以及層析成像原理，重構還原出所述顯微樣本的三維折射率信息。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟s330進一步包括：

s331：根據(jù)各個視角下采集的動態(tài)扭曲的視頻幀圖像以及靜態(tài)參考圖像，使用光流算法計算各個視角下每個像素點的扭曲偏移角。

具體地，在本發(fā)明的一個實施例中，由于拍攝采集每幀視頻圖像與參考圖像時，光照基本沒有發(fā)生變化，且兩者之間的扭曲變化并不大，因此可以使用光流算法對每個視角下的匹配對應關系進行獨立求解，問題的優(yōu)化目標函數(shù)為：

j(w(x,t))＝ed(w(x,t))+αem(w(x,t))

其中，j(s(x),w(x,t))為最小化的優(yōu)化目標函數(shù)，ed(w(x,t))為優(yōu)化目標函數(shù)的數(shù)據(jù)項，em(w(x,t))為扭曲的正則化項。進一步地，優(yōu)化目標函數(shù)的數(shù)據(jù)項為：

其中，t為求解的視頻幀數(shù)，表示像素坐標x的取值范圍，i(x,t)為t時刻下某個視角下扭曲視頻幀圖像，0時刻該視角下對應的拍攝到的參考圖像，w(x,t)＝[u(x,t),v(x,t)]為t時刻該視角下扭曲視頻幀與無扭曲圖像之間的扭曲大小，為凸的近似l1范數(shù)先驗，ε為一個人為給定的很小的正數(shù)。

優(yōu)化目標函數(shù)的扭曲的正則化項為：

s332：根據(jù)各個視角下每個像素點的偏移角，使用層析成像算法，重構還原出動態(tài)的顯微樣本三維折射率場信息。

本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像方法，通過拍攝各個視角下不含有樣本的未扭曲參考圖像以及含有樣本的扭曲動態(tài)視頻，即可精確、高分辨率且較快速地對顯微樣本的三維折射率信息進行采集。

另外，本發(fā)明實施例的三維折射率層析顯微成像方法的其它構成以及作用對于本領域的技術人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同限定。